唐凯, 陈建波, 陈华彬, 任国辉, 郭晓燕

(中国石油川庆钻探工程有限公司测井公司, 重庆 400021)

0 引 言

水力压裂技术是目前页岩气、致密油气等非常规油气藏压裂完井的主要工艺技术,在水平段小于2 000 m的水平井套管射孔完井中97%以上采用分簇射孔结合水力压裂完井工艺。该技术具有改造效果好、增产显著等优势,所形成的压裂裂缝网络与常规压裂形成的单一对称裂缝网络具有实质性的差异[1]。然而,微地震监测研究发现,水力压裂的改造效果在很大程度上取决于水平井方向与压裂裂缝方向的关系。当水平井方向与压裂裂缝方向平行时,改造效果较差;当水平井方向与压裂裂缝方向成一定夹角时,改造效果一般;当水平井方向与压裂裂缝方向垂直时,改造效果最好。

针对这一情况,国内外的学者就如何控制裂缝走向、提高缝网系统的完善程度开展了相关的探索性研究。如斯伦贝谢公司的Andy Martin等[2]探索了油井方向、压裂平面与射孔相位之间的内在联系,提出了一些开创性的建议,如Transverse Fracture(横向平面压裂)。其实质是调整深穿透和大孔径射孔弹的射流方向在垂直于套管轴向同一横截面的内壁圆周上形成多个射孔孔眼,改变井筒内同一横截面的地应力分布,最终使压裂裂缝方向垂直于水平井方向,达到最佳改造效果。斯伦贝谢公司非常规油气技术中心的Iran Walton[3]研究了Longitudinal Fracture(传统纵向压裂)和Transverse Fracture(横向平面压裂)之间的优缺点,在射孔与压裂试验室进行了大量试验研究,在比较传统射孔方式的基础上提出了新的定面射孔技术。

本文在综合国内外研究的基础上开展了定面射孔器的探索性研究,引入了数值模拟仿真软件进行辅助设计和分析,进行了大量室内试验,取得了大量的试验基础数据,形成一套定面射孔器及工艺技术,在四川盆地某致密气井中成功进行了现场应用。

1 定面射孔器及工艺技术

1.1 定面射孔器设计

定面射孔技术的关键是实现套管同一横截面多个孔眼定面功能,这一特殊功能的实现依靠的是合理的结构设计(见图1)。定面射孔器结构设计需要兼顾流体泄流面积、射孔角度、孔道深度、孔道孔径、射孔枪工作压力等,还需要考虑弹间干扰等后续要求。设计方案采用弹托结构、悬臂结构设计均能够实现定面射孔最优化。射孔枪和射孔弹是定面射孔器的核心部件。射孔枪的设计需要考虑3个方面的因素:材料选择、结构设计和射孔冲击对射孔枪本体的影响。于此,选用高强度35CrMo管材作为定面射孔枪的基础材料,并开展结构设计、数值分析和强度校核,重点分析射流方向调整之后射孔枪盲孔中心距的减小对整个射孔枪抗压强度的影响,以使其整体性能达到定面射孔的需求。

图1 定面射孔原理示意图

图2是定面射孔枪CAE分析结果。由图2可见,其Von Mises等效应力的最大值为1 002 MPa,射孔枪外表面本体Von Mises等效应力在304.6～404.2 MPa,射孔枪内表面本体Von Mises等效应力在503.8～603.5 MPa,小于材料的屈服强度,满足强度要求。盲孔处为应力集中区,也是整个射孔枪的危险区域,其盲孔中心Von Mises等效应力在802.7～1 002 MPa。根据CAE分析结果,优化了盲孔结构及深度,使整个定面射孔枪的设计更加可靠和合理。

图2 定面射孔枪应力云图

射孔弹是制约定面射孔器的关键因素之一。在定面射孔器的整体结构中,每组由3发射孔弹组成。调研资料显示,国外定面射孔器既有采用大孔径射孔弹,也有采用深穿透射孔弹的。针对四川某构造破裂压力高、污染严重的致密气藏,通过室内试验发现,大孔径射孔弹或普通射孔弹在斜向穿孔过程中能量损耗较大,不容易穿透地层污染带,斜向穿深浅便成了制约大孔径射孔弹在定面射孔器中应用的主要因素。在此,采用合理的射孔弹内腔结构、炸药配方、药型罩结构与配方、制备工艺等关键技术,研制了一种新型定面射孔弹,其穿深性能指标比大孔径射孔弹提高300%,比普通射孔弹提高约150%。

1.2 定面射孔数值模拟分析

定面射孔器射孔完成后在同一横截面上形成类似扇形平面,为实现横向平面压裂创造了条件;为准确研究定面射孔孔眼带来的应力集中分布,建立仿真环形砂岩靶三维模型,模拟低压力下的应力场状态。

如图3所示,模型直径3 000 mm,中心孔直径177.8 mm,中等硬度砂岩,砂岩密度2.66 g/cm3,泊松比0.17,弹性模量2.7×104MPa,端面及外围约束,内压20 MPa。为简化计算,取一组平面3个射孔孔眼和半幅模型。

图3 定面射孔数值模拟分析

模拟结果显示,同一扇形平面上的多个射孔孔眼造成了应力集中带,在一定的内压力下,很容易造成岩石破裂和失效,为后期储层压裂及深度改造创造了良好的条件,同时也会在一定程度上降低地层的破裂压力。

1.3 定面射孔参数优化分析

定面射孔参数优化及室内试验是研制定面射孔器必不可少的一部分,也是决定定面射孔器整体性能的关键性试验。为此,开展了相关的参数优化试验及分析,包括枪型、倾角、相位、组数、组间距、导爆索绕向方式等,对这些参数开展了大量的室内试验工作。射孔弹水平倾角直接关系到定面射孔功能的成败,同时也需综合考虑射孔穿深、套管内径等因素,通过选取4种角度进行试验找到了定面射孔器最佳水平倾角。射孔枪每米最大组数直接关系到射孔器穿透性能、射孔枪膨胀、弹间干扰等关键问题,通过试验找到了定面射孔器最佳组数方案。试验采用了多种不同的组数进行对比测试,找出了最佳的最大组数。经过优化后的射孔参数,开发出来的定面射孔器性能均满足行业标准要求。

为了对定面射孔器整体性能进行测试,进行了1.3 m标准环形混凝土靶的测试,模拟套管采用127 mm套管,内径105 mm。试验结果表明,定面射孔器达到了预期目标,实现了在套管同一横截面上形成多个射孔孔眼的目的(见图4)。

图4 套管定面功能性试验

2 定面射孔技术在致密气井的应用

××101-94-×1井、××101-94-×2井是四川盆地某构造上的开发井组,射孔目的层位为致密砂岩气藏。为进行施工效果对比,在这2口井的同一层位上交替进行定面射孔和常规60 °螺旋射孔作业和压裂施工。施工完成后,采用MIT24多臂井径仪进行成像测井与解释分析。

图5是定面射孔完成后,采用MIT24多臂井径仪对同一井段进行成像测井与解释分析的成果,从曲线及三维成像图可以明显看出,在垂直于套管轴向的同一横截面上形成了多个射孔孔眼,完全达到了定面射孔的工艺技术要求。同时,在后期对射孔段进行了分段压裂,表1是定面射孔和常规射孔压裂的一些关键数据对比。

图5 定面射孔多臂井径成像测井与解释成果

总摩擦阻力系数近井筒摩擦阻力系数射孔摩擦阻力/MPa近井筒摩擦阻力/MPa定面射孔52.66117.513.814.36常规射孔209.74316.364.5414.98

从表1可见,采用定面射孔后,射孔孔眼摩擦阻力的改善程度不明显,但近井筒摩擦阻力得到大幅度改善。结合后期的压裂资料及微地震监测资料发现,定面射孔后有利于压裂裂缝在地层中的扩展和生成,其对储层的改善程度明显优于常规射孔技术。

图6是定面射孔与常规射孔后加砂压裂施工对比曲线。图6(a)为定面射孔后的加砂压裂施工曲线,施工排量达9.7 m3/min,施工压力达54.8 MPa;图6(b)为常规射孔后的加砂压裂施工曲线,施工排量达9.42 m3/min, 施工压力达58.48 MPa。对比分析可以发现定面射孔技术可以在一定程度上降低地层的破裂压力。

图6 定面射孔与常规射孔后加砂压裂施工曲线

3 结 论

(1) 大量室内试验以及在四川盆地致密气井中的应用表明,定面射孔技术与常规射孔技术相比,降低了近井筒摩擦阻力和地层破裂压力,有利于水力压裂裂缝在地层中的扩展和生成,达到了对储层进行深度改造的需求。

(2) 通过计算机辅助设计及分析技术,研究了定面射孔器及其工艺技术。通过合理调整射流方向,达到了射孔孔眼在垂直于套管同一轴向平面的设计目标。

(3) 进行了定面射孔参数优化及室内试验,获取了最佳的射孔弹水平倾斜角度、射孔组数、弹间距、最佳相位等关键参数。

(4) 通过在致密气井中的现场试验发现,定面射孔技术降低了近井筒摩擦阻力和地层破裂压力,为储层的后续改造创造了有利条件。

(5) 定面射孔与压裂的内在联系、裂缝形成将是定面射孔技术的发展方向和研究热点。微地震监测技术、射孔压裂试验等手段的应用将加快定面射孔技术的提高与完善。

参考文献:

[1] Fisher M K, heinze J R, Harris C D, et al. Optimzing Horizontal Completion Techniques in the Barnett Shale Using Microseismic Fracture Mapping [C]∥ The SPE Annual Technical Conference and Exhibition, 2004.

[2] Andy Martin, Larry Behrmann. Perforating Requirements for Fracture Stimulation [C]∥ 2012 International Perforating Symposium, 2012.

[3] Lan Walton. Optimal Perforating Design for Hydraulic Fracturing and Wellbore Connectivity in Gas Shales [C]∥ 2009 International Perforating Symposium, 2009.