定方位射孔对压裂和防砂的影响分析

毕胜宇，柳贡慧，李军

（1.中国石油大学，北京昌平102249；2.中海油田服务股份有限公司，河北燕郊065203）

定方位射孔对压裂和防砂的影响分析

毕胜宇1，2，柳贡慧1，李军1

（1.中国石油大学，北京昌平102249；2.中海油田服务股份有限公司，河北燕郊065203）

分析定方位射孔地层适应性，采用岩石力学理论和分析方法分析定方位射孔在降低起裂压力和提高出砂临界压差方面的效果。建立了破裂压力计算模型和出砂临界压差计算模型，给出了具体计算方法。针对海上某油田的实际情况进行了计算，与常规射孔进行对比，论证了定方位射孔降低起裂压力和提高出砂临界压差的效果。认为在起裂压力高的储层或者易出砂的储层均可以采用定方位射孔技术。该研究为油田后续作业与增产提供一条可行的途径。

定方位射孔；破裂压力；出砂临界压差；计算模型；常规射孔；防砂

0 引 言

越来越多的“三高二低”，即含水率高、采出程度高、采油速度高、储采比低、采收率低的油田投入开发。常规射孔工艺已经不能满足这类油田开发过程中完井的需要，为此技术人员开发了一系列针对低孔隙度低渗透率油田开发需要的射孔新技术，其中包括定方位射孔。定方位射孔是在常规油管输送式射孔管柱的基础上，在起爆器和深度短节之间加入1个定方位短节，以便在射孔作业前可以根据井下仪器和测井数据确定射孔方位，沿最大水平主应力方向实施射孔。

常规的射孔方式为螺旋布孔模式，其主要缺点是射孔方位的随机性。定方位射孔可以在射孔前调整射孔角度，使其对准最有利的射孔方位，达到降低破裂压力和抑制出砂的效果，有利于油气井的开采工作。因此，对定方位射孔进行理论研究是非常有必要的。

1 地层适应性分析

1.1 裂缝性油藏

裂缝性油藏的岩石类型主要是变质岩、碳酸盐、火成岩等。油气的储存空间是孔隙、裂缝。定方位射孔可以提供2排方位一致的射孔孔眼，这些孔眼容易互相连通，形成更大规模的垂直裂缝，使该裂缝与天然的宏观裂缝相垂直并连通，可以最大限度地提高产能。

1.2 易出砂油藏

地层的出砂是有方向性的。以最大主应力方向为轴的正向θ角和反向θ角内的方向是不易出砂的方向（θ在10°左右），超出这个范围就容易出砂。因常规射孔孔眼的方向是随机的，易射向容易出砂的方位。

1.3 起裂压力较高油藏

进入油气田开采后期，在压裂开采过程中易出现起裂压力高、生产周期短等现象，有的储层甚至会出现起裂压力过高而无法实施压裂改造。井下井壁上的最小启动压力的方向就是最大主应力的方向，因此如果把射孔的能量集中在最大主应力方位上进行射孔作业，此时最易压裂开地层。

1.4 实施压裂改造油藏

裂缝的延伸方向是在与最大水平主应力方向夹角10°的范围内，如果在其他方向利用射孔进行造缝，这种裂缝向前延伸一段距离后会发生转向，最后沿着最大水平主应力方位延伸。沿最大主应力方位的射孔孔眼是压裂改造过程中的最佳造缝孔眼。

2 定方位射孔力学模型及计算

2.1 井下应力分布关系

总结前人研究的理论公式，建立数学模型。研究裸眼井与射孔井的应力分布情况，并分别计算定方位射孔和常规射孔起裂压力与出砂临界压差。假设：① 地层均匀各向同性；② 地层是线弹性多孔材料；③ 井壁围岩处于平面应变状态；④ 不考虑射孔孔道内液体的压力损失。

井壁围岩处于平面应变状态，地层深部主要受到三向主应力的影响，上覆地层应力、水平最大主应力、水平最小主应力。井壁围岩所受的应力状态分布可用垂直应力σz、径向应力σr、周向应力σθ、剪切应力来表示τθz，其中包括液柱压力引起的应力pi；最大水平地层应力引起的应力σH、最小水平地层应力引起的应力σh、上覆地层压力引起的应力、钻井液渗流效应引起的应力σv［1］。井壁上的周向应力可以由以上部分应力叠加得到

2.2 破裂压力计算模型的建立

根据式（1）对于垂直井壁的应力分布，当r＝R时，且井壁有渗透时，最小的周向应力为最大水平主应力方向，即

岩石存在2个有效应力：本体有效应力和结构有效应力。本体有效应力决定岩石的本体变形，结构有效应力决定岩石的结构变形（包括岩石的破坏和断裂）。结构有效应力的公式为［2］

式中，φc为岩石触点孔隙度，%。

式（2）、式（3）联立可得井壁上最小周向结构有效应力

当最小周向结构有效应力达到岩石的拉伸应力强度St时，岩石即产生裂缝，此时

裸眼条件下岩石的起裂压力

对于射孔完井情况有些类似。用σz和σθ代替σH和σh，可得射孔完井条件下的起裂压力为

将σθ和σz带入式（7）并简化推导得到射孔完井条件下井壁出现破裂所需要的压力

2.3 出砂临界压差计算模型的建立

对于射孔完井条件下，为简化计算，取θ′＝0°，并假设井壁没有渗透，令Δp＝pp－pi（生产压差），并把σr，σθ和σz带入式（1），化简得到

其中，

解方程可以得到Δp的计算式

式中，A，B，C是有关射孔方位角的表达式。根据射孔方位与出砂临界压差之间的关系可计算得到Δp。

2.4 破裂压力与出砂临界压差的计算方法

利用测井数据可以计算出井下岩石的基本参数，这些参数主要包括：弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角以及岩石的抗拉强度等。通过以上参数计算最大最小水平主应力［4］。

利用式（6）至式（8）计算出测井数据中每个测量点的破裂压力pf，min，即沿最大水平主应力方位射孔，同时计算出每个测量点沿最小水平主应力的破裂压力pf，max。定方位射孔采用180°平面格式布孔，常规射孔采用90°相位螺旋格式布孔（见图2）。

为简单计算，破裂压力取射孔段的平均破裂压力，其中5个射孔孔道是沿最大水平主应力，5个沿最小水平主应力，即

定方位射孔的破裂压力同样取平均值，10个射孔孔道均沿最大水平主应力，即

定方位射孔和常规射孔出砂临界压差的计算方法类似。

图2 常规射孔与定方位射孔计算对比图

3 实例计算

3.1 起裂压力实例计算

为了研究定方位射孔对井下起裂压力的影响规律，选取某海上油田2 400～2 450m的常规密度测井数据，利用所建的模型，分别计算了定方位射孔和常规射孔的井下起裂压力，其中定方位射孔采用的是180°平面布孔格式，射孔方位沿最大水平主应力方位，常规射孔采用的是90°相位螺旋布孔格式。计算结果见图3、图4。

从图3、图4可见，沿井深地层的起裂压力有较大的不同，定方位射孔降低井底的起裂压力效果明显，其中在2 403m左右声波传播速度较快，声波时差较小，此处的岩石岩性为泥页岩地层，采用定方位射孔降低起裂压力最为明显，降低了34MPa；而在2 422m附近声波时差较大，此处岩石岩性为石灰岩，定方位射孔对降低井底起裂压力也有较大影响，降低了6MPa。

3.2 出砂临界压差实例计算

采用某海上油田的密度测井数据，分别对定方位射孔和常规射孔的出砂临界压差进行了计算，计算结果见图5、图6。

图5 定方位射孔与常规射孔出砂临界压差对比

图6 定方位射孔对临界压差提高程度

从图5、图6可见，沿井深各点的出砂临界压差各不相同，有些地方差别较大，但定方位射孔的出砂临界压差总是大于常规射孔的出砂临界压差，其中在井深2 423m处声波时差较大，其岩石岩性较强，此处为石灰岩，其出砂临界压差较大，不易出砂，但通过图4可见，在此处如果采用定方位射孔，提高的出砂临界压差比其他井段提高的效果明显，提高了0.74MPa，其余井段提高了0.51MPa左右。定方位提高出砂临界压差效果比较明显［5］。

4 结 论

（1）在射孔作业过程中，定方位射孔比常规射孔的降低起裂压力效果明显；在某些井下地层难以起裂的井段，可采用定方位射孔，达到起裂地层的效果。

（2）定方位射孔同样可以提高井下出砂临界压差，使其更不易出砂，提高效果较为明显，为利用加大生产压差提高油气井产提供了有效的途径。

［1］ 陈勉，金衍，张广清.石油工程岩石力学［M］.北京：科学出版社，2008.

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［3］ 江朝，姜伟，刘书杰，等.考虑射孔方位的出砂预测模型［J］.断块油气田，2010，17（1）：98－101.

［4］ 刘翔.垂直射孔井地应力及破裂压力研究［J］.钻采工艺，2008，31（2）：36－38.

［5］ 田红，邓金根，王治中，等.定向射孔技术在适度出砂管理中的应用［J］.钻采工艺，2005，28（5）：35－37.

On Influence of Oriented Perforation on Fracturing and Sand Prevention

BI Shengyu1，2，LIU Gonghui1，LI Jun1
（1.China University of Petroleum，Beijing 102249，China；2.China Oilfield Services LTD.，Yanjiao，Hebei 065203，China）

On the basis of analysing the oriented perforation formation feasibility，the rock mechanics theory and analysis method are used to analyze the effectiveness of oriented perforation to reduce the fracturing pressure and rise the sanding critical differential pressure.Established are the computation models for fracturing pressure and sanding critical differential pressure，and the detailed calculation methods are given.Practical application in an offshore oilfield demonstrates a better effectiveness of oriented perforation in reducing the fracturing pressure and rising the sanding critical differential pressure，the result of which is compared with the regular perforation.The oriented perforation technology can be used in the reservoir with high fracturing pressure and easily sanding.Our study supplies a feasible route for later oilfield perforation operation and optimum production increments.

oriented perforation，fracturing pressure，sanding critical differential pressure，computation model，conventional perforating，sand prevention

TE243 文献标识码：A

2011－08－25 本文编辑 王小宁）

中国石油天然气股份有限公司重大专项“塔里木复杂条件下测井采集与评价技术攻关”，项目编号2010－2110

肖承文，男，1968年生，高级工程师，博士，中国石油天然气集团公司专家，从事测井理论方法与储层描述评价研究。