定方位射孔技术研究及应用

梁拥华

摘 要:目前,油田钻通油气层后大部分采用下套管射孔完井进行油气开采,其目的是射穿套管、水泥层和地层内一定的深度,建立井筒与目的层之间的通道,进行试油或求产。射孔作为石油勘探开发中的重要环节,不仅关系到油气井的产能,而且还会对后续增产改造措施的效果产生重大影响。常规射孔孔眼的方向是随机的,因此无法满足一些特殊情况对射孔施工的要求,而定方位射孔技术是一种可以进行井下有方向性射孔的新型射孔工艺技术,其利用油管输送射孔管柱的方式,在起爆器与深度短接之间接入一定方位短接,通过测量定方位短接上方位键的方位来确定射孔弹穿孔的方位。定方位射孔技术应用于需压裂完井的井时,通过实现最大主应力方向的射孔,可有效降低地层破裂压力和地面施工压力,提高压裂效果。对于施工井附近存在断层需避开、地层存在天然裂缝希望与射孔孔眼沟通等特殊情况时,该技术均可成为有效的辅助手段。

关键词:射孔技术定方位短接方位键主应力压裂

中图分类号:TE2 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)06(b)-0011-02

射孔完井是油田开发过程中的一个重要环节,射孔效果的好坏关系到油气井的产能,还会对水力压裂等后续增产改造措施的效果产生重大影响。随着油田勘探开发工作的不断深入,勘探开发地层的条件越来越差,井况也更加复杂,对射孔完井技术也提出了更高的要求。现代射孔完井技术不仅要准确打开油气层,还要保护油气层,最终要解放油气层,而且还要降低施工成本,简化施工工艺。

1 直井定方位射孔工艺技术研究

定方位射孔技术是一项新的射孔工艺技术,在许多国家的各大油气田广泛采用该项技术,取得了显著的应用效果。本章介绍的直井定方位射孔技术是在将陀螺测斜技术与射孔技术进行有机结合并且改进常规的油管输送式射孔管柱的基础上,开发出的一种可以进行井下定方向性射孔的新型射孔工艺技术。

1.1 定方位射孔

定方位射孔是近年发展起来的一种新型的油管传输射孔技术,是对常规射孔工艺的完善和补充,该技术可以解决裂缝性油气层常规射孔孔眼有效率低和壓裂弯曲摩阻大的问题。定方位射孔技术可以根据需要控制孔眼的朝向,使射孔弹只沿着确定方位发射,在提高水力压裂效果方面具有良好作用。定方位射孔的技术关键是定方位,在确定地应力方向之后,依靠井下方位测量仪、枪身定位短节和专用连接头以及地面监测系统,通过调节管柱,使射孔方位与地层最大主应力方向保持一致,射孔后可减小压裂弯曲摩阻,降低启动压力。定方位射孔一般可分为:电缆射孔和油管输送式射孔。本论文重点叙述了油管输送定方位射孔的工艺原理及其施工状况。

1.2 直井定方位射孔技术原理及工艺流程

1.2.1 基本原理

直井定方位射孔是在常规的油管输送式射孔管柱的基础上,在起爆器与深度短接之间接入一定方位短接,该定方位短接有一与射孔弹穿孔方位一致的定位键作为方位的标志。将管柱下入井内,达到预定深度后,用电缆携带自然伽马和磁性定位仪下入油管中射孔枪的顶部,通过定位短接磁性测量及地层放射性测量确定目前管柱所对应的射孔深度,并与设计要求射孔深度进行比较,调整管柱从而进行射孔深度定位。随后用电缆将带有导向装置的定方位仪下入油管中进行方位测量。测量方位时定方位仪的导向装置与管柱定方位短接的定位键吻合,彼此相对固定,测量定位键的方位,该方位也是射孔弹穿孔的方位。定方位仪中水平安装的一只重力加速度传感器感受仪器的倾斜度,将信号经电压-频率转换后,以脉冲形式传输到地面,经计算机系统加工处理后,实时得到射孔枪的相对方位。若测量的方位与目的方位不一致,则需转动管柱调整方位,直到测量方位与目的方位的误差在误差允许范围内,然后起出方位仪,最后进行射孔点火。

1.3 定方位射孔系统研究

1.3.1 井下仪器系统

(1)动力调谐式陀螺测斜仪

动力调谐式陀螺测斜仪是一种非液浮的弹性支撑的精密二自由度陀螺仪、它是由结构新颖的挠性接头支撑代替常规的滚珠轴承或液浮支撑而构成的自由转子陀螺,它利用接头平衡环振荡产生的动力效应来消除接头细颈对陀螺转子的弹性约束,从而达到动力调谐。

为了有效的磁屏蔽,仪表外壳用软磁材料制造并用电子束进行连接密封,陀螺仪体内充以0．1压力的氦气,使陀螺具有一定的性能精度指示。动调挠性陀螺的特点是结构简单、体积小、重量轻、制造容易、精度高、可靠性好。是惯性导航与制导以及其惯性定位系统中被广泛应用的一种惯性器件。陀螺测斜仪由减震器、惯性体、陀螺电路舱、电源舱、微机舱、磁定位器、马龙头等几个部分组成.

陀螺测斜仪的核心部件就是惯性测量组,它包括一个双轴动力调谐陀螺,一个WZ(温度)传感器和三个石英加速度计,它们在设计上采用捷联式机械编排,因此必须设计具有精密定位基准的惯性体,陀螺和加速度计通过定位面直接安装在惯性体上,组成惯性测量组件,该组件通过一对轴承被支撑在外壳上。惯性体组件由对转控制机构在测量点上的0°和180°上定位。惯性体组件的旋转轴与井下探管轴重和,通过探管扶正器又可认为与井筒轴线平行。动力调谐陀螺和加速度计都工作在力反馈状态,陀螺测量地球自转角速率分量,加速度计测量重力加速度分量。所测信号经采集编码通过单芯电缆送至地面仪器,经计算机解算可得出井筒的倾斜角、方位角和工具面角等参数。

1.3.2 地面测量系统设计

地面测量系统由主机和测控接口箱组成。地面测控接口箱通过单芯射孔电缆向井下的陀螺测斜仪供直流电源,启动井下仪工作。操作人员在笔记本电脑菜单操作,通过测控接口箱向下发出测控命令并接收井下仪上传的测量数据,经过计算实时显示测量结果,并建立存盘文件。测控接口箱由220V,50Hz交流电源供电;采用曼彻斯特码进行解码;井下仪供电:恒压／恒流直流电源一组,0～200V／450mA;纹波小于100mV;输出方式:极性可选,电压、电流连续可调,短路保护。其组成见图1。

1.4 现场应用

采用定方位射孔工艺技术共计完成了15井次的推广应用,一次成功率达到100%。14井次定方位射孔的定位精度为-3.83°～+6.93°,平均误差±1.62°,达到了设计要求(±10°)的精度。

樊170井采用了定方位射孔工艺技术,樊143井和樊167井采用普通油管输送工艺技术。三口井的压裂施工参数如表1所示.

试验分析:樊143井和樊167井采用传统工艺进行射孔,产生的射孔孔眼方向随机分布,无效孔眼的存在使压裂时产生扭曲效应,导致压裂施工时破裂压力、施工压力以及停泵压力远远大于采用定方位射孔的樊170井。

采用定方位射孔工艺技术,射孔方向与地层最大主应力方向一致,将压裂能量集中于有效射孔孔眼,使压裂裂缝沿射孔孔眼方向顺畅延伸,从而达到了提高压裂效果的目的。

樊170井,樊143井和樊167井处于同一区块,采用定方位射孔工艺的樊170井与其它两口常规射孔井相比,压裂施工的三种压力均较大幅度下降,压裂前三口井的产量基本相同,但樊170井压裂后的产能比樊143井和樊167井提高了7倍以上。樊170井定方位射孔的成功应用,说明了针对需要进行压裂改造的储层,定方位射孔技术能够达到很好的射孔效果。

总之,“直井定方位射孔工艺技术”的开发成功,改进了射孔管柱、陀螺方位仪的连接方式及性能,完善了直井中实施油管输送射孔技术。通过应用效果分析,采用定方位射孔技术,在一定程度上提高了油井的采油强度,注水井的注入强度,并在水力压裂时,降低了地面施工压力,提高了水力压裂的效果。但当井斜超过一定程度时,由于无法旋转管柱调整方向,导致定方位失效,故此技术只适用于直井或小斜度井。

2 基本结论

通过本文对定方位射孔工艺技术研究,可以得到以下基本结论:

(1)应用惯性导航理论,将动调式挠性陀螺应用于射孔方位确定,方位测量准确;

(2)设计的导向装置,使定位键可靠进入导向槽,同时为了防护井下定方位仪器受较强的冲击,该装置还具有一定的缓冲作用。

(3)设计的定方位射孔器射孔枪身的两端,在与盲孔方向一致处,加工两个定位槽,与枪身连接器配合使用。

(4)枪身连接器的两端加工定位螺丝孔,与射孔枪身配合,使上下两柱枪保持射孔方向一致。

(5)油管输送定方位射孔工艺技术适用于直井定方位射孔施工。经现场20井的应用证明,该技术能够降低水力压裂启动压力,提高采油强度,具有广阔的推广应用前景。

参考文献

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[2] 戴江,姜晓燕.射孔优化设计软件应用[J].测井技术,2003.

[3] 胡广军,彭原平,周绪国.垂直井定向射孔技术.新疆石油科技,2007.