低孔低渗油气藏多分支水平井裸眼射孔工艺技术研究与应用——以东海平湖油气田BB5井为例

李三喜 田继宏 闫 波 王奉赟 胡秉磊 孔 超

（1.中海石油（中国）有限公司上海分公司；2.中海油能源发展股份有限公司监督监理技术公司； 3.中海油田服务股份有限公司）

低孔、低渗、低丰度是制约海上油气田开发的重要因素。随着油气勘探技术的进步和油气资源的不断开发利用，低孔低渗砂岩油气藏正成为世界油气储量增长和能源供应的一支新生力量。然而，低孔低渗油气藏的主要特点是储层物性差、产能低或产能递减快，利用常规的开采技术无法获得较好的经济效益，必须利用先进的储层改造技术才能最大限度地进行开发，从而达到经济效益最大化。加砂压裂是目前国内低孔低渗储层改造的主要技术措施［1-2］。

低孔低渗一直是制约东海产能发展的重大难题［3］。由于低孔低渗油气田的储层致密，具有小孔隙、细喉道、低渗透、高毛管压力等特点，因此在钻井、完井、固井、修井及增产措施过程中极易受到伤害，进而影响油气井的生产。另外，常规的压裂改造储层措施实施过程中，压裂液或多或少都会对地层产生伤害，而且海上压裂施工难度大、费用高。因此，笔者借鉴国内外先进的低孔低渗油气田开发经验，遵循先行先试的原则，通过引进、吸收、再创新，形成了一套适合东海海域低孔低渗油气田开发特点的射孔增产工艺。以东海平湖油气田BB5井为例，本文重点分析研究了低孔低渗油气藏多分支水平井裸眼射孔工艺技术，对提高该区域低孔低渗油气藏采收率、实现增产增效具有现实意义。

1 射孔工艺研究

1.1 射孔井概况

东海平湖油气田B5井（后更名为BB5井）于1999年投产，经过10余年的生产已失去自喷能力，经评价分析决定对该井加深钻井、封堵原产层、开发低孔低渗的FHT构造P11层。P11层预测为异常高压层位，压力系数约为1.3，BB5井加深共钻有3个水平分支，均采用φ152.4 mm裸眼完井，斜深分别为4 682（分支1）、4 540（分支2）、4 405 m（主井眼）。为了最大限度地提高产能，拟对该井的3个裸眼分支井段实施射孔作业，以实现产能最大化。

1.2 组合射孔工艺技术方案确定

外置式复合射孔技术是将外置式复合火药筒套在常规射孔枪外部的、集射孔完井与高能气体压裂于一体的高效完井技术［4］，多级脉冲复合射孔技术是一项集射孔完井与高能气体压裂于一体的高效完井技术［5］，二者都是通过一趟射孔管柱即可实现射孔、复合火药燃烧及压裂弹产生的压力对射孔孔道和地层第二次压裂，从而达到改善近井带的渗透性、破除近井污染带、增加渗流面积的目的。外置式复合射孔和多级脉冲复合射孔压力峰值可控、加载快，在孔眼周围易形成网状裂纹，可较好地提高油气产量，特别适用于低孔、低渗地层的改造，与普通TCP射孔工艺相比有明显的优势。

通过对以上2种射孔技术参数的分析和对比发现，外置式复合射孔在枪外装载的复合药量大，对射孔全井段压裂效果比较好，而多级脉冲复合射孔所用射孔枪外径大，穿孔深度更深，孔径也更大，有利于复合药盒产生的压力脉冲和压裂弹产生的高温高压气体对产层的压裂。因此，为了最大限度地提高产能，经反复优化分析，决定在井眼狗腿度相对较大、钻遇地层物性相对较差的水平分支1、分支2裸眼井段采用装药量相对较小、安全系数相对较高的外置式复合射孔工艺技术，在轨迹相对平滑、钻遇地层物性相对较好的主井眼采用装药量相对较大、微压裂效果相对较好的多级脉冲复合射孔工艺技术，以实现产能最大化。外置式复合射孔火药筒套的安装结构和多级脉冲复合射孔火药分装结构如图1、2所示。

1.3 射孔参数设计

（1）采用射孔枪型为114双盲孔复合射孔枪，装弹方式为13孔／m，90°相位布弹；

（2）枪上的泄压采用中海油枪厂加工的双盲孔泄压方式（耐外压90 MPa）；

（3）射孔弹采用耐温160℃／48 h，射孔弹穿深1 030 mm；

（4）第一射孔段每米射孔枪内装13个前置药盒，每个药盒装火药13 g（共169 g），每米放11个旁置药盒，每个药盒药量30 g（共330 g），后部下挂2个76×500的压裂弹（4 kg／个）；

（5）第二射孔段每米射孔枪内装13个前置药盒，每个药盒装火药13 g（共169 g），火药耐温160℃／48 h；每米放11个旁置药盒，每个药盒药量30 g（共330 g），第二射孔段后部下挂4个84×500的压裂弹（4 kg／个）。

1.4 模拟计算分析

按照密闭爆发器计算公式求解枪管内燃气压力［6］，即

式（1）中：RT0为火药力；ω为射孔器内火药用量；V为射孔弹爆炸后射孔枪管内的有效空间；α为火药余容。

从射孔孔眼射出的火药燃烧气体的质量流速m为［7］

式（2）中：p为枪管内燃气压力，Pa；S为射孔枪管上孔眼的总面积，m2；k为火药的燃气比热比；g为重力加速度，m／s2；RT0为火药力，J／kg。

在火药质量一定的情况下，通过射孔孔眼的气体质量流速主要取决于枪内压力和射孔孔眼的面积，压力越大，射孔孔眼的面积越大，气体质量流速就越大。当p＞p0时（p0为井筒内液柱压力），燃气向外流动；当p=p0时，燃气不再继续向外流动。

射孔枪内压力从最大值pmax到静压p0这一区间内的平均质量流速为

火药在整个燃烧过程中喷出的气体质量为

于是

式（3）～（5）中：¯m为火药燃气的平均质量流速；t为火药燃烧时间；ω′为内外压力平衡时射孔器内存留气体质量；其他符号意义同前。

根据BB5井2个分支和主井眼的不同井眼轨迹、产层特点和产量要求，严格控制复合火药点火后压力峰值在100 MPa以内，根据公式（1）～（5）对压力峰值进行模拟计算，结果见表1。

从表1模拟结果可以看出，采用外置式复合射孔和多级脉冲复合射孔的峰值压力均小于100 MPa，施工作业相对安全，而且2种射孔方式产生的微裂缝长度均在3 m左右，为普通TCP射孔的4倍左右（普通TCP射孔深度为700 mm［8］），从而大大改善了低孔低渗储层的渗流面积。

表1 平湖油气田BB5井射孔压力峰值模拟计算结果

2 技术难点与主要技术措施

（1）下钻期间实现循环压井

由于平湖油气田BB5井射孔位置处于水平裸眼段，斜深较深，水平段较长，而且必须选择井口正加压点火方式，下钻期间一旦发生井涌等井控危险，不能通过正循环压井；同时如果在钻杆内灌浆，可能导致流量控制不好而产生压力激动，使射孔枪提前点火，造成井下事故。为解决上述技术难点，本次射孔作业特别设计了侧壁单流阀（图3），既可以在下钻过程中自动灌浆（当环空和钻杆内压差达到0.69 MPa时，完井液将自动从环空流入钻杆内），又可以在下钻过程中实现反循环，而且如果在射孔枪下入过程中出现井涌等复杂情况，可随时通过该单流阀进行反循环压井，保证井筒的安全。

（2）避免钻井液沉淀造成点火失败

在平湖油气田BB5井射孔管柱下入过程中，由于水平裸眼段内充满钻井液，钻井液内含有的地层砂等固体颗粒很容易通过单流阀进入射孔管柱内，并形成沉淀而堆积在压力延时点火装置上部，从而造成加压点火时压力传不到点火装置，导致射孔点火失败。为了有效规避上述问题研制了防沉砂装置（图4），连接到压力延时点火装置上部，该装置既可以防止管柱内沉砂堆积堵塞加压孔道，又可以缓冲管柱下放过程中压力激动对点火装置的剪切销造成的压力冲击，从而保证射孔点火的可靠性。

图3 平湖油气田BB5井射孔作业所设计的侧壁单流阀

图4 平湖油气田BB5井射孔作业所设计的防沉砂装置

（3）射孔后实现大排量循环洗压井

平湖油气田BB5井射孔管柱只能采用正加压点火方式，无法实现正循环；尽管在管柱上增加了侧壁单流阀，但只能解决射孔管柱下入过程中小排量反循环压井的问题，不能解决射孔后大排量正循环或反循环洗井、压井的难题。为有效解决上述问题，又为射孔管柱专门设计制造了压力开孔装置，设定开孔压力高于延时点火压力6.90 MPa左右。如平湖BB5井分支1射孔位置垂深3 724 m，射孔液密度1.37 g／cm3，在设定压力延时点火压力为（15.17±1.52）MPa情况下，把压力开孔装置的开孔压力设定为（22.07±2.21）MPa，以保证射孔后进行大排量循环洗压井。

（4）有效解决射孔后裸眼井壁垮塌埋枪

由于平湖油气田BB5井2个分支和主井眼裸眼射孔井段长，而且不管是采用外置式复合射孔还是采用多级脉冲复合射孔，由于单位射孔段长度中火药和炸药的药量总和为普通射孔技术药量的3倍以上，所以射孔枪爆炸威力要远大于普通射孔技术，因此射孔后裸眼井段井壁垮塌容易造成射孔枪被掩埋，从而导致射孔管柱不能从井下起出的风险非常大。为此，根据目的层岩石物性，通过模拟计算，选择复合火药的压力峰值控制在100 MPa以内。同时，从管柱结构方面考虑，除管柱上配备震击器之外，还特别为本次作业设计了水平井段投球丢枪装置（图5），如果射孔后井壁垮塌造成管柱被埋，就在管柱内投球并泵送到位，通过管柱内加压就可使丢枪装置释放射孔枪，从而起出丢枪装置以上的管柱。此外，管柱上还设计有安全接头，在震击器和丢枪装置均失效的情况下采取倒开安全接头，起出上部射孔管柱，可确保作业万无一失。

图5 平湖油气田BB5井射孔作业所设计的投球丢枪装置

（5）准确判断射孔枪是否点火引爆

由于平湖油气田BB5井3次射孔深度均在4 500 m左右，地面判断井下射孔枪是否点火引爆较为困难，为此本次作业专门引进了地面监测装置，以适时监测井下射孔枪起爆所引起的波动，从而准确判断射孔枪是否点火引爆。

3 施工要点及效果

充分考虑作业的难度和风险，为提高管柱强度，射孔枪以上所有工具均加工成311×310扣型；同时考虑到水平井作业难度，确保射孔枪能够顺利到达预定射孔位置，采用倒装钻具，具体施工要点如下。

（1）装枪、下钻及射孔前准备工作

按照安全操作要求进行装枪作业，并将火药筒均匀地分布在射孔枪上。

入井所有工具和钻杆均用相应的通径规通径，确保管柱内无杂质和足够的内通径，确保在需要丢枪时释放球能够顺利到达丢手装置进行丢手操作；钻杆丝扣油涂于钻杆公扣端（少许），严禁涂于母扣端；控制下钻速度在2 min每柱，要求下钻平稳，严禁顿钻溜钻，避免管柱中有激动压力产生；连钻过程中要求盖好井口及钻杆口，严防井下落物。

射孔枪下钻到位后记录管柱上提／下放悬重，严禁探底；校正射孔深度，管柱上提状态停于射孔位置（配管使井口方余为1.5 m，便于点火后第一时间长距离上提管柱，降低埋枪风险）。固井泵对所有管线试压27.59 MPa合格，接顶驱后安装地面监测装置，关万能防喷器。

（2）加压点火

固井泵缓慢正打压至6.90 MPa，稳压1 min，判断单流阀密封良好之后继续迅速加压，当加压至13.79 MPa时开始计时（此时延时点火头可能已经启动）；继续加压到26.21 MPa时压力突降（开孔装置剪切销钉后开孔），迅速停泵泄压，立即卸掉顶驱，这时地面监测人员仔细观察传感器监测情况，射孔人员同时在井口抚摸钻具震动情况。

图6 平湖油气田BB5井加压点火过程检测信号

计时200 s后钻杆轻微震动，回放检测信号确认起爆成功（如图6、7所示），观察环空及钻杆内无压力显示后开万能防喷器，迅速起钻，过提90 kN拔出管柱，起钻至射孔段以上后正循环2周，保证井控安全（在确认起爆的第一时间起钻，起钻过提现象表明井壁确实有部分垮塌现象，但由于起钻及时避免了卡钻事故的发生）。

通过射孔工艺技术分析研究、管柱结构优化以及现场精心组织施工，平湖油气田BB5井3次裸眼射孔作业均实现了射孔枪“下得去、点得着、不断爆、起得出”，该井完井后进行气举诱喷，经过2.5 d的气举返排作业，产气2 500 m3／d，产油100 m3／d，射孔增产效果非常明显。

图7 平湖油气田BB5井射孔起爆信号放大图

4 结束语

以东海平湖油气田BB5井为例，通过对低孔低渗油气藏多分支水平井裸眼射孔工艺技术的深入研究及在该井完井作业中的成功应用，证明该技术适合东海低孔低渗油气藏特点，具有施工简便、作业时间短、风险低、效果好、见效快等特点。随着东海低孔低渗油气藏开发力度的不断加大，作业量不断上升，该项技术将会有广阔的应用前景。当然，我们也应清醒地认识到东海各区块地层条件存在差异性，一些相对较为疏松的地层区块应用该技术可能会存在井壁垮塌的风险，所以该技术还需针对各区块地层不同特点做进一步的研究与完善，以降低作业风险，实现效益最大化。

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