等孔径射孔器穿孔性能评价方法探讨

李东传,金成福,孙成艳,张伟

(1.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;2.中国石油大庆油田有限责任公司第五采油厂, 黑龙江 大庆 163513)

0 引 言

等孔径射孔技术以其在非常规油气的开发中较好的压裂效果而得到广泛应用。在套管上产生基本一致的穿孔孔径的方法主要有2种:①通过优化设计聚能射孔弹结构,降低射孔器、套管之间的间隙对射流在套管上扩孔的影响,以在套管上获得基本一致的孔径[1-5];②利用扶正装置保持射孔器居中,避免间隙不均对射流在套管上扩孔的影响,以获得均一的孔径[6]。这2种方法存在本质不同,利用扶正装置保持聚能射孔器居中只是一种施工方法,应归类于工艺;利用等孔径射孔弹组装的射孔器在套管上产生相对均一孔径,是一种全新的产品。因此,将等孔径射孔器定义为由特殊设计的射孔弹组装形成的、在偏靠条件下能在套管上形成基本一致孔径的射孔器。

国内外对孔径对压裂效果的影响、等孔径产品检验及评价方面进行了大量的研究。在孔径对压裂效果的影响研究方面,姜民政等[7]通过压裂液在射孔孔眼处损失规律研究后认为,相同压裂条件下,泵入排量、有效孔眼数及射孔直径是射孔孔眼局部位置处压力损失的主要影响因素,排量越大、有效孔眼数越少及射孔孔眼直径越小,孔眼位置处压力损失越大[8-10]。谢荣华等[11]认为,水平井由于射孔枪偏心、套管偏置及水泥环上下不均导致不同方向射孔不均匀时,当向上的射孔穿深小于3倍井筒半径时,就会出现压不开的现象;对于水平井同一段压裂井段,假设上下孔眼位置的岩石物性相同,对于已压开的裂缝,裂缝延伸端部的压力相同,则从井筒到上下孔眼裂缝端部的压力损失相同,可推导出了流经水平井上下孔眼的流量关系。以上研究均没有给出对孔径均一性的具体或一般性要求。在产品性能检测评价方面,使用参数有孔径差异度[6]、相对标准偏差[2,5]、变异系数(Coeffcient of Variation)和相对波动范围(Range)[12]、相对偏差[13]等。但孔径一致性评价方法和指标没有得到生产商和油田用户的广泛认同(受生产商、用户的描述侧重点、使用习惯不同等因素影响),且没有关于等孔径射孔器穿孔深度、穿孔孔径等与聚能射孔器具有共同特点的一般性能的评价描述。

目前,中国使用GB/T 20489—2006[14]标准评价聚能射孔器材的性能,未涉及等孔径射孔器的评价。本文利用地面条件下混凝土靶射孔试验[15]模拟等孔径射孔器在井下套管中位置检测其穿孔性能,在分析等孔径射孔器的穿孔深度、穿孔孔径及孔径一致性特点、整体水平及接受程度的基础上,探讨了评价方法、评价指标,希望能形成共识。

1 相关评价方法、评价指标

部分生产厂家、服务公司给出了自己的等孔径射孔弹的评价方法、产品性能指标等,并在2016年油气井射孔技术交流会(重庆)进行了探讨。主要评价参数、指标如下。

(1)孔径差异度。描述穿孔孔径间的波动程度,该指标给出孔径分布范围占平均值的比例[见式(1)]。给出的外径89 mm、15孔/m、120°相位射孔器居中放置在套管中的孔径差异度、穿深差异度分别为8.9%、15.3%[6]。

(2)相对偏差、相对标准偏差。相对偏差[见式(2)]与孔径差异度类似,是孔径差异度的2倍。相对标准偏差描述穿孔孔径间的波动程度,该指标给出孔径标准差(描述出数据的分布状态)占平均值的比例[见式(3)]。给出外径89、102 mm和127 mm等孔径射孔器偏靠放置在外径140 mm和178 mm套管中的孔径相对标准偏差分别为3.98%、4.19%和3.01%[2,5]。

(3)相对标准偏差、最大孔径差异度。相对标准偏差、最大孔径差异度描述穿孔孔径间的波动程度[见式(4)],给出的86 mm等孔径射孔器偏靠放置在140 mm套管中的孔径相对标准偏差、最大孔径差异度分别为5.9%、18.3%[12]。

(4)相对偏差、相位孔径比。将相对偏差与计数抽样检验方案配合使用,以评价指标和判定数限定波动幅度和范围。相位孔径比描述不同相位间的孔径最大孔径差异情况[见式(5)],指标为1.1[13]。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

由于以上参数、指标多数反映的是某一厂家的产品,仅能作为确定评价参数、指标的参考。

2 井下施工对孔径均一程度的要求

水平井射孔施工中,选用等孔径射孔器的目的是在井筒与储层间建立通道的基础上,获得均一的孔径,以便在后续的压裂中尽量减少孔径对进液量的影响,为压裂形成基本一致的裂缝规模创造条件。因此,等孔径射孔器应具有提供较均一的孔径能力的同时还要具备常规聚能射孔器穿孔能力。目前,中国压裂施工设计中没有针对孔眼均匀性的规定,一般认为压裂裂缝非均质延伸控制在20%范围内均可接受。

对于水平井同一段压裂井段,假设上下孔眼位置的岩石物性相同,对于已压开的裂缝,裂缝延伸端部的压力相同,则从井筒到上下孔眼裂缝端部的压力损失相同,在上下部射孔孔眼数相同情况下,下部孔眼的进液量可达到上部孔眼的4倍,压裂裂缝规模也将近似相差4倍[11]。可以得出不同相位孔径比与压裂裂缝规模比(上部孔眼对应的压裂裂缝规模/下部孔眼对应的压裂裂缝规模)的关系成正关系。水平井压裂中的普通压裂宜从整体考虑,相位孔径比不大于1.1较合理;体积压裂宜以簇为单位考虑,即为用簇代替相位较合理。考虑到射孔段地层受形成环境变化的影响而导致的非均质性、射孔弹产品受制造工艺水平的限制存在一定的差异、射流运动过程中的井筒间隙等因素的影响,利用等孔径射孔器偏靠放置在套管中射孔也不可能形成完全一样的孔眼。因此,选择等孔径射孔器应遵循套管上的孔径总体上均匀一致,允许一定范围内的波动。

3 判定指标的确定

3.1 等孔径射孔器的评价

统计了按标准GB/T 20488—2006[14]中地面条件下混凝土靶射孔试验(试验时等孔径射孔器偏靠在套管内侧)结果和相关文献资料(见表1),等孔径射孔器的穿孔深度和穿孔孔径的评价值均能满足GB/T 20489—2006的要求。

表1 等孔径射孔器相关评价参数/指标统计

注:1-据论文数据计算得出,2-论文给出数据,3-数据量少无法计算,4-原数据。

*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

为了较合理地、全方位地描述等孔径射孔器孔径一致性,在分析孔径差异度、相对标准偏差、相对偏差、相位孔径比的同时,还考虑了相对偏差等的可行性。穿孔孔径均一性好的等孔径射孔器的孔径相对标准偏差≤6.0%、相对偏差分布范围±10%、孔径差异度≤10%,其对应的相位孔径比一般小于1.1。Chris Sokolove等[15]给出的等孔径射孔器的相对标准偏差为5.9%、最大孔径差异度为18.3%、相位孔径比为1.21,但其在现场应用中压裂时破裂压力降低10%、注入压力降低15%,效果较好。表明评价指标的确定不能仅仅以统计到的多数产品的水平来确定,还应考虑射孔器材制造整体水平和现场应用效果。

3.2 分析与探讨

理想的等孔径射孔器的射孔孔径应均一,但受制造技术等因素的制约无法实现。由于等孔径射孔器试验数据较少,统计分析了普通聚能射孔器+扶正器居中射孔试验结果,为等孔径射孔器评价指标中穿孔深度、穿孔孔径评价指标的确定提供参考。统计了2016年中国具有代表性的普通聚能孔器产品,以外径89 mm射孔器试验结果为例分析产品整体水平(见表2)。表2中的聚能射孔器满足GB/T 20489—2006对聚能射孔器的要求,不同厂家的控制水平不同,穿孔孔径波动幅度不同。

应用不同的参数从不同的侧面描述孔径的一致性。相位孔径比、相对标准偏差均可不同程度地反映组内个体的分布情况,如果确定为评价参数,能较好地反映整体水平,但也存在可能出现单个数据波动很大且无法确定极值数据的个体数量的现象。如以相位孔径比≤1.1、相对标准偏差≤6%为判定值,可能出现单个数据的相对偏差>10%的现象,如表2中E型产品相位孔径比1.01、相对标准偏差4.8%、孔径差异度10.0%,均较好,但有一个孔径相对偏差>10%的数据(13.1%)。(最大)孔径差异度、相对偏差分布范围描述的是组内的极值个体分布范围,可反映单个孔径波动幅度,如确定为评价参数则可能出现单个数据波动大而影响评价结果的现象。因此,若将反映组内个体的分布情况和个体极值分布情况结合使用,可以达到更合理选择孔径均一性的目的,综合考虑等孔径射孔器整体水平、数据分布情况和接受程度等影响因素,相对标准偏差、孔径差异度作为评价参数较合适,指标分别为6%、10%。

表2 外径89 mm聚能射孔器在外径139.7 mm套管中居中位置射孔试验结果分析

等孔径射孔器的穿深分布也存在波动现象,相对标准偏差为6.3%～9.0%、孔径差异度为10.6%～18.7%,主要是由于聚能射孔弹自身性能波动造成的,由制造水平造成的,短期内无法解决。

4 结论与建议

(1)等孔径射孔器的穿孔性能应满足GB/T 20489—2006对与其相应外径的聚能射孔器的要求。

(2)建议使用相对标准偏差、孔径差异度来评价等孔径射孔器的穿孔孔径一致程度,评价指标分别为6%、10%。

(3)利用扶正装置保持聚能射孔器在套管中居中射孔的方法也能形成等孔径效果,虽不属于等孔径射孔器的范畴,作为一种可选的工艺在适当的井况下也能发挥较好的效果,其效果的检验和评价也可参照等孔径射孔器实施。

(4)希望该研究能够引起有关人员的重视,以有助于进一步进行该方面的研究,进而促进中国射孔器材检测水平的提高。