定方位定射角射孔技术在薄层储层开发中的应用

魏晓龙, 田小存, 王静, 尹亿强, 高强, 王进虎

(1.中石化胜利石油工程有限公司测井公司, 山东 东营 257200;2.中石化胜利石油管理局河口采油厂, 山东 东营 257200)

0　引　言

目前,国内外虽已有直井、斜井的油管输送和电缆输送等多种定方位方法,但多数储层展布与井筒并不垂直,导致常规定方位射孔工艺效率较低,直接影响油井产能[1]。分析原因,在于目前已有的定方位射孔技术,只解决了在地层展布面与井筒建立的三维空间内仅能对射孔方向进行二维控制[2],其射孔弹的射流方向均与枪垂直,定方位射孔并未真正对准地层主应力方向,而是射向了主应力在水平面上的投影方向,尤其在薄层储层中射孔,由于射孔孔眼在地层中的有效穿深不足,导致井轴周围不同方向上油、气层的渗透性不同,这就是定方位射孔增产效果不够明显的主要原因。胜利油田油藏类型丰富,大部分油区开发多套层系,其中薄层储层岩性细、含胶结物多、夹层多,且很多属于低孔隙度、低渗透率、低产油气层,并在多数油区广泛发育。鉴于此,在该区域开展定方位定射角射孔技术的应用研究具有迫切的必要性和重要的生产实践意义。该技术的应用不仅实现了由于地层展布面与井筒轴向不垂直导致单纯依靠原有的射孔技术不能准确控制射孔方向的问题,而且解决了在对薄层、断层等复杂地质条件下的射孔施工中,通过控制射孔角度确保对射孔方向的三维控制,以实现射孔弹射流对准主应力方向,有效改善射孔效果[4]。

1　定方位定射角射孔技术

根据弹性力学理论及岩石破裂准则,射孔弹射向地层主应力方向的穿深将比其他方向大得多,而且沿主应力方向射孔,射流更容易破碎地层的岩体,改善孔眼周围渗透性,提高射孔效率、增加油气产量。涉及到主应力方向、地层倾角等数据,可由测井解释资料获得[5]。

定方位定射角射孔技术采用特制可调射孔弹角度的装弹结构,以实现射孔弹射流对准主应力方向射出,弹架结构在直井和斜井定方位射孔器中均可使用。图1为常规射孔和定射角射孔对比图。从图1中可以看出,定射角使得射孔弹射流以角度c射向枪体、套管和地层,而角度c的互补角即为着靶角度。很显然,该角度将会影响射孔弹有效穿深,同时,随着射角的变化,射孔效果也将大大改善。

图1　常规射孔与定射角射孔对比图

1.1　配套工具的设计

研究定方位定射角射孔技术的配套工具,主要包括定方位定射角射孔器、调角弹架结构、定射角弹架、枪体结构设计以及偏重枪设计等方面。

按主角大小调好枪内每发射孔弹射角,便可使得射孔弹射流真正对准主应力方向射出,而调角弹架结构装配在直井或斜井定方位射孔器中,就构成了定方位定射角射孔器。定方位定射角射孔器的关键是调角弹架结构。弹架管采用无缝钢管激光切割制成,在弹的射孔方向开有大方口,弹尾方向开有小方口,弹的转动结构由尼龙弹套和补心组成,能使射孔弹在0°～40°间纵向转动,借助于调角专用工具可将弹旋转至射角度数,而后紧固2个顶丝便完成了调定射角操作。图2为装弹后的调角弹架示意图。

图2　装弹后的调角弹架示意图

对于已知射孔角度的井,采用固定射角设计,在弹的射孔方向开有斜向的孔,使射孔弹朝着固定角度的方向射孔,弹架可根据每口井要求角度定制加工。由于定方位定射角射孔是相差180°的2个方向,故该枪体设计结构与普通射孔枪体不同之处是盲孔为长圆形,且从弹的中心向调角方向延伸,可以保证射孔弹的射流在调角范围内且不会射到盲孔以外。不同方位射孔,长圆孔延伸的方向也不同。

为使定方位定射角管柱在斜井下精准定方位,还在射孔管柱首尾两端安装了偏重枪,依据重力自动定向原理,可通过定方位键调整好射孔枪连接位置,确保射孔器下到目的层后,射孔弹射流指向射孔位置,达到精准定位射孔目的。

1.2　技术指标与结构特征

适用枪型89、102、114、127枪;调角范围0°～40°,调角精度±2°;孔密14孔/m(102定射角枪孔密);抗压强度70 MPa;耐温160 ℃。

斜井中应用定方位定射角射孔技术则较直井而言,有着更为突出的优点:①旋转接头轴向载荷力大、径向转动灵活;②外键定向结构定向准确、操作简便;③接头上装配有轴承,能使枪柱径向转动、起下时与套管间的摩擦均为滚动摩擦;④用偏重枪连接在枪串上、下端和夹层部位构成大的偏重力,依据重力自动定向原理在斜井里定向,井斜为20°时定方位精度可达±8°。井的斜度越大定方位精度越高,在水平井里也同样能进行定方位定射角射孔,且不受井深的限制。

1.3　储层适用条件

定方位定射角射孔技术适用于井筒与储层展布面不垂直的储层的射孔施工,尤其在以下情况下具有显著的优势:①厚度较薄的储层;②储层内隔夹层较多,层内纵向非均质性较强的储层;③储层含水,需控水开发的储层;④水淹层层内水淹程度差异较大,剩余油局部层段富集的储层;⑤低孔隙度、低渗透率等需压裂、酸化等定向改造的储层。

2　地面试验及现场应用

2.1　地面试验

将装配好的射孔弹进行地面打靶,以某型射孔弹打砂岩靶,根据设计的射孔旋角,选取弹架能够在定射角枪里旋转的角度,即选取0°、10°、20°、30°、40°作为试验的着靶角度,并按各角度情况下射孔弹在枪里形成的炸高和外间隙进行试验,其中典型试验结果见表1。从表1看出,随着射角的增大,炸高和外间隙也随之增大,在射孔弹的穿深上弥补了着角的影响,随着射角的增大,射孔弹穿深也随之提高,这是由于射孔弹装在一个特制的弹套内,旋转角度后,射孔弹在枪内的炸高随之提高,说明定射角弹架调角范围0°～40°满足设计要求。

表1　着靶角度地面试验数据表

2.2　现场应用

2.2.1应用设计

在同一区块选择了2口井进行试验应用。这2口井均为薄层储层,具有层多、层薄的特点,油层与井筒斜交,普通射孔已不能满足需求。为避免串层,提高产液比,需平行于油层进行定方位定射角射孔。其中DB26-×23井设计开发S2砂组的7个小层,共选定射孔层段7段,平均厚度1.86 m,最大厚度2.8 m,最小厚度1.2 m。DB24-×25井设计开发S2砂组的5个小层,共选定射孔层段7段,平均厚度1.82 m,最大厚度3.0 m,最小厚度0.8 m,油层数据见表2。根据井身结构、地质资料等条件确定射孔参数,DB26-×23井采用102枪/102深穿透弹,定方位为90/270°,定射角为20°;DB24-×25井采用102枪/102深穿透弹,定方位为90/270°,定射角为22°(见表3)。

2.2.2施工过程

下井前,据已知地应力方向或射孔方向,调整好定方位定射角射孔器内的射孔弹射孔方向。射孔管柱下井时,依据井斜与偏重枪的重力作用和旋转接头的自动旋转,使定方位定射角射孔枪内的射孔弹自动对准需要射孔的方向,校深完成后起爆。施工时定射角射孔管柱串如图3所示。旋转接头上有陀螺仪测向的定位键,采用投棒起爆方式起爆,整个器材可根据油井资料进行设计排布。根据施工设计要求顺利完成该2个井次的定方位定射角射孔施工。

表2　DB24-×25井油层数据表(定方位定射角射孔)

表3　S2射孔层位定方位定射角射孔器井下数据表

图3　射孔管柱串设计图

2.2.3应用分析

为加强对比便于应用效果分析,一并统计了同区块同层位,采用常规射孔投产2口井生产数据,该2口井同样采用的102枪/102深穿透弹,最大区别为未采用定方位定射角射孔技术,而是采用常规的射孔弹垂直于枪身射出的方式(见表4)。

上述各井地质上位于同一构造区块,该区块砂层展布稳定,储层岩性、物性变化较小,单井钻遇油层多,但单层厚度小,单层有效厚度1.91 m。

2口应用井及对比井的构造部位、油藏各项数据接近。试验井中,射孔枪型为102枪,射孔弹类型为102深穿透弹,射孔层位为S2。DB24-×25井射孔投产层数为5层,厚度9.1 m,单层最大厚度3 m,平均厚度1.82 m,射孔定方位设计90°/270°,定射角20°,试验投产后日产油10.6 t;DB26-×23井射孔投产层数为7层,厚度13 m,单层最大厚度2.8 m,平均厚度1.86 m,射孔定方位设计90°/270°,定射角22°,试验投产后日产油10.4 t。对比井中,DB24-×23井射孔投产层数为8层,厚度10.3 m,单层最大厚度2.1 m,平均厚度1.29 m,投产后日产油8.5 t;DB26-×21井射孔投产层数为2层,厚度7.5 m,单层最大厚度5.0 m,平均厚度3.75 m,投产后日产油7.3 t。生产数据见表4。

该对比试验中,定方位定射角射孔技术比常规射孔技术增加油井产量32.9%;并且定方位定射角射孔器在井斜20°左右的定向误差均小于5°。由此可以得出以下认识。

(1) 技术的成熟性。定方位定射角射孔技术已相对较为成熟,在相对较小井斜条件下能够将定向误差控制在较低范围内。

(2) 技术的高效性。就相同的应用区块、同时期、同层位储层来说,定方位定射角射孔技术在提高油井产量方面取得了较好的实践应用效果。

3　结　论

(1) 在薄层的开发中,定方位定射角射孔技术能使射孔弹真正对准油气层主应力方向,增加穿透深度,更好地沟通油气层到射孔孔眼的油流通道,达到增产的目的。

(2) 定方位定射角射孔技术对于油、水层相距很近的薄互油层射孔很有利,有助于射流方向顺着油层形成孔道,避免透射到邻近的出水层位。