复合射孔压裂效果评价方法研究进展

韩国有, 李东传,2

(1.东北石油大学机械科学与工程学院, 黑龙江 大庆 163318; 2.石油工业油气田射孔器材质量监督检验中心, 黑龙江 大庆 163853)

0 引 言

射孔技术为油气井增产起到了至关重要的作用[1]。常用的复合射孔器可分为内置式(占总用量的98%以上)和外置式两大类,还可细分为一体式(内置式)、外套式、二次增效、对称式、双复式等[2],其目的是在射孔的同时立即进行高能气体冲击、压裂,部分解除射孔损害,改善射孔孔道周围区域导流能力,提高注采效果。从作用过程可以分为,①射孔瞬间由射孔弹直接引(爆)燃压裂火药的复合射孔器,可以认为射孔后立即进行高能气体压裂,特点是压力上升速率快,持续较短,代表产品为内置式、外套式复合射孔器;②射孔后由导爆索或点火药柱引(爆)燃压裂火药的复合射孔器,可以将射孔与高能气体压裂分成2个阶段,特点是压力上升速率慢,持续较长,代表产品为对称式或下挂式复合射孔器。

为获得较好的施工效果,国内外对聚能射孔损害[3-4]、复合射孔压裂过程、机理和效果[5-12]进行了大量的研究。许多服务、作业公司在此基础上编制了复合射孔优化设计、效果预测等软件[13-15],期望通过前期的复合射孔器以及优化施工设计获得理想的施工作业效果。受目的层地质条件、井筒内液柱压力及已射开层等因素影响,部分复合射孔施工监测结果与设计目标仍有较大的误差,如设计峰值压力181 MPa,而实际施工监测结果只达到156 MPa[13]。为进一步提高设计和预测的准确性,国内外研究人员不断探索、完善复合射孔压裂效果评价研究方法,希望更好地为指导优化设计和现场施工服务。本文总结了复合射孔压裂效果评价方法研究进展。

1 油田现场对复合射孔压裂效果的要求

复合射孔技术作业的目的是利用压裂火药产生的高压气体对聚能射孔后的孔道壁进行冲击、破坏,改善射孔孔道周围的导流能力,提高油气井产能。实际施工中,达到上述目标的前提是压裂火药产生气体的作用压力必须要高于孔道壁形成裂缝的临界压力[16]。由于各种因素的影响,部分施工井中的复合射孔并未达到预期的效果,但后续施工作业显示复合射孔能起到降低水力压裂中起裂压力的作用。对复合射孔压裂效果的要求是改善射孔孔道周围的导流能力,提高产液量,很少见到只用于降低水力压裂过程中的起裂压力的实例。

2 压裂效果评价研究现状

为了掌握、验证复合射孔器产品的压裂效果,需要建立复合射孔器作功能力(p-t曲线)与产量之间的关系。井下液柱、储层等差异较大,很难通过简单的产量对比分析评价压裂效果。研究人员通过实验室模拟研究、理论研究和现场井下产量监测、验证等3种方式进行研究。

2.1 地面混凝土靶射孔试验

按标准[17-18]要求制作混凝土靶(规格一般为Φ5 m×1.1 m或Φ6 m×1.1 m),试验时将装配好的1 m复合射孔器放入封闭下端的套管内,居中放置,注满清水(模拟射孔液),封闭套管上端后进行射孔试验。部分生产厂将1 m复合射孔器放在混凝土靶的套管(封闭下端)中,在套管上部露出混凝土部分安装压力传感器,封闭套管上部,测试套管内动态压力变化过程。也可用双层套管代替混凝土靶,双层套管中间浇注混凝土并封固,套管侧面非射孔方向安装压力传感器(见图1),测试套管内动态压力变化过程[19],以评价复合射孔器的能力。

图1 测试装置结构示意图

利用在混凝土靶上产生的裂缝长度、裂缝宽度、裂缝数量及压力变化规律或双层套管靶内的压力变化规律描述复合射孔器的作用效果存在以下缺陷:①混凝土靶边界无束缚,裂缝一旦形成,气体大量泄漏;双层套管靶射穿后气体也是直接泄漏,均与井下实际情况差别大;②很难对比2种复合射孔器性能的优劣;③制作大直径混凝土靶浪费大量材料,且废靶处理困难。

2.2 室内混凝土、砂岩靶模拟压裂试验

李文魁等[5]采用不同标号的水泥、压裂砂和水为原料,按不同比例制作模拟岩心。试验时将模拟岩心置于加载装置中,模拟岩心中央按几何模拟准则,开有钻孔孔眼,放入小型压裂弹。压裂过程由测压系统监控,该测压系统装有压电晶体传感器,系统最高采样频率可达100 kHz,测压范围0～60 MPa。试验表明,在不同围压及加载速率下,高能气体压裂可产生2～5条径向裂缝。Wieland C W等[6]在762 mm×762 mm×914 mm的砂岩岩块中心钻直径50 mm长914 mm的通孔,垂直于通孔钻6个小孔安装压力传感器,在通孔中安装火药,封闭两端(见图2),在岩块周围加载应力,模拟地层束缚压力,点燃火药,监测压裂过程,并研究压裂效果。

图2 测试靶结构示意图

上述模拟试验原理基本相同,Wieland C W等在试验材料的选取和模拟上更接近井下储层实际条件,均属于高能气体压裂效果评价研究。试验过程中不射孔,直接测试压裂火药产生的高能气体的压裂效果,模拟的是下挂式复合射孔器压裂效果。与中国常用的内置式复合射孔器的先射孔、瞬间再压裂的作用过程差别较大,因为内置式复合射孔器产生的火药峰值压力上升较快,持续时间较短,压力加载速率、持续时间影响裂缝的形成和发展[3]。

2.3 室内模拟射孔、压裂试验

采用混凝土、砂岩A、砂岩B和压裂砂加清水等不同材料在钢壳内制成钢壳模拟靶,钢壳模拟靶在地层中的应力束缚避免射孔过程中缝隙的形成(见图3),以获得高压气体产生的裂缝[12]。利用复合射孔器单元射孔测试环空压力变化规律,并利用工业CT径向扫描砂岩,观察砂岩上的裂缝形态,研究p—t曲线与靶材料、裂缝间的关系。

图3 复合射孔器单元试验装置

利用p—t曲线反映复合射孔压裂效果的优点是更接近井下实际情况,缺点是钢壳的束缚与地下应力束缚差别较大,且p—t曲线与裂缝均不能反映用户需要的最终效果——产量。该方法是室内评价复合射孔器压裂能力的最佳方法。

鉴于储层的特异性以及实际操作困难,要做好压裂效果评价方法研究,首先应做的是对火药(包括内置的、外套的、高温的、多级的等)进行p—t测试评价。石油工业油气田射孔器材质量监督检验中心每年按标准要求[20]可对中国主要产品进行检验和评价。表1为p—t测试的评价指标。

表1 复合射孔器p—t参数表

2.4 数值模拟研究

国内外大量学者利用各种数学物理模型模拟研究复合射孔压裂过程、裂缝的形成和延伸[8-11]甚至是产量预测。利用数值模拟方法研究复合射孔器在井筒中的作功过程,并以p—t曲线形式描述,用于复合射孔优化设计;将理论计算获得的p—t曲线与实测曲线相比较,可验证数值模拟计算的准确程度,也可用于评价复合射孔器在井下的作用效果。

因各种条件的限制,很难直接建立复合射孔器作功能力与效果间的关系,有研究人员希望通过数值模拟研究找出、建立复合射孔器作功能力—裂缝—产量间的关系。优点可为施工提供依据;缺点是参数获取困难,且裂缝长度等无法通过试验验证,如果通过间接验证,则很难得到准确结果。*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

2.5 井下效果监测技术

复合射孔施工前进行优化设计,施工作业时将复合射孔器与高速压力记录(p—t)仪[13,21]连接(见图4),记录聚能射孔过程和高压气体作用过程中的压力随时间变化的曲线,监测产能。分析复合射孔器设计参数、p—t曲线、产能间的关系,以评价复合射孔效果。现场常用的方法是预测与实测p—t曲线对比、预测与实测产能对比。该方法是最直接的压裂效果评价方法,建立产品—效果间的关系。优点是反映井下实际情况;缺点是受井筒、储层中的众多因素影响,目前尚不能建立密切的相关关系。

图4 施工管柱示意图

3 压裂效果评价研究展望

复合射孔器压裂效果评价研究的最终目的是建立产品、作功能力和作用效果间的函数关系,在掌握产品性能、作用效果的基础上,为优化设计、施工服务,以期待获得更好的增产效果。未来技术的发展将倾向于室内模拟与井下情况的一致性、数值模拟过程的科学性和参数的准确性以及室内试验、数值模拟和井下验证的结合程度。

3.1 室内模拟研究

室内模拟试验可直观、相对准确地得到复合射孔压裂效果,也可将复合射孔分成聚能射孔、压裂进行测试,以确定各阶段的作用结果。如利用砂岩模拟地层,利用钢壳甚至带围压的橡胶套模拟砂岩周围地层的束缚进行聚能射孔、流动测试,研究聚能射孔损害程度;利用没有聚能罩的聚能射孔弹与压裂火药组成的复合射孔器单元对已形成的射孔孔道进行压裂(因没有聚能罩,所以聚能射孔弹不形成金属射流,不会对已形成的射孔孔道进行作用,只引(燃)爆压裂火药,由产生的高压气体对射孔孔道进行作用);进行流动测试,研究压裂对射孔孔道的作用;最后,利用工业CT等观察裂缝,研究复合射孔压裂效果。

目前尚不能为复合射孔器单元加井筒压力、靶体加孔隙压力,也不能用带围压的橡胶套模拟砂岩周围地层的束缚压力,试验所用砂岩也与实际储层有一定的差别。研制能够给靶提供孔隙压力、加载束缚压力的试验装置和寻找或制作合适的砂岩等都是下一步的研究方向。

3.2 数值模拟研究

数值模拟研究以室内试验为依据,在不断完善的室内模拟试验的基础上进一步研究、完善数值模拟的方法、模型。如复合射孔过程的分段模拟分析,包括射孔孔道的形成、压裂裂缝的形成及扩展、渗流过程的计算等。在单项模拟计算的基础上,将实验室难以模拟的过程、边界条件等进行加载,以得到更接近实际情况的结果;模拟复合射孔器在井筒中的作用过程、计算的p—t曲线、裂缝长度和数量以及产量。建立更准确的复合射孔器作功能力(p—t曲线)和产量间的函数关系,更好地为现场施工作业服务是下一步的研究方向。

3.3 数据模拟与试验、监测相结合

室内模拟试验、数值模拟计算与井下效果监测3种方法各有优缺点。室内模拟试验方便,但模拟条件与井下条件尚有差别,存在无法确定室内测试结果与实际压力一致的问题;井下动态测试由于高速压力记录仪所安装的位置与射孔孔眼的位置有一定距离(传感器一般安装在复合射孔器下方30 cm左右),需要解决结果与实际压力有一定误差的问题;数值模拟试验因其模型与实际的差别、部分参数不够准确,需要解决模拟的准确性问题。完善研究方法,将室内试验研究、数值模拟研究与井下效果验证相结合是理想的研究方式,也是发展的必然方向。

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