射孔参数组合在废弃石油井改造为地热井中的应用

赵苏民，赵 侃，朱家玲，张 伟

(1.天津地热勘查开发设计院，天津3002502.天津大学，天津300192)

射孔完井是目前国内外石油井使用最广泛的一种完井方法[1]。近几年，随着废弃石油井改造为地热井，以及直接采用射孔成井技术的地热井，也广泛地采用了射孔完井技术。射孔是沟通产层和井筒的唯一通道，但由于地热储层不同于石油储层，如颗粒大小，分选程度，储层密实度均有较大差异，而且不同井别的成井工艺及开采方式和开采量也有很大差别，因此，照搬石油井射孔工艺应用到地热井中，会造成地热井出水量减小，连续出砂，给地热资源开发利用带来不必要的麻烦。通过多年的地热井射孔技术探索及实践运行，本文针对射孔的主要参数(孔密、孔径、相位、射深)组合出发，来减少射孔后出砂，增大出水量，提高了地热勘查开发效果，为射孔工艺技术的发展及优化奠定基础。

射孔工艺技术经历了数次改进和提高，正在走向全方位设计、射孔参数高效优化，个性化技术凸显、整体提高储层开发效果的新技术阶段[2]。但不同的射孔参数(特别是孔密、孔深、孔径、钻井伤害和压实伤害参数)组合，对油藏、气藏和热储层的影响都是不一样的。如果采用合理的射孔工艺和正确的射孔技术，并高质量地完成射孔作业，就可以使射孔对储层的伤害降到最小，井底完善程度高，从而获得预期的产能。

1 不同射孔参数(组合)对井产能的影响

1.1 孔径

射孔孔径通常在5～31 mm，孔径的选择与完井工艺有重要的关系。防砂完井要求孔径大，砾石充填的容量大，孔道的流动面积大，减少地热水流动的阻力和速度，有利于提高出水量和减少出砂。在其他条件相同的情况下，对常规完井和增产完井，射孔孔径越大，生产的产能越大。除射孔弹的结构类型和所装药量决定影响孔径外，影响射孔口径的因素是射孔枪与套管之间的间隙，当射孔枪处于套管的中心位置引爆射孔时，射孔的孔径最大;而当射孔枪靠近套管一边的位置引爆射孔时，孔径最小;当射孔枪处于套管中心和靠边之间的位置引爆射孔时，孔径则介于两者之间;当射孔枪与套管之间的间隙大于射孔枪直径的30%时，射孔穿深也将大为降低。因此，射孔枪处于井筒中心位置射孔效果最好。

1.2 孔密和相位

在完井作业中，不同射孔孔密和相位组合的完井质量、效果有一定差异。大孔径和高孔密防砂效果较好;高孔密和深穿透符合常规完井要求;高孔密和低相位射孔完井技术则增产效果好。孔密和相位对完井产能的影响是随着孔密的增大和相位的减小，完井产能增高。研究表明:当射孔密度为13孔/m、相位为90°和射孔穿透深度达152 mm时，在无钻井液污染和射孔污染的理想条件下，完井产能可达到裸眼完井的效果，见图1。

图1 射孔穿深、孔密与相位对产能影响图

一般将孔密超过20孔/m的射孔称为高密度射孔，采用高密度射孔可以极大地弥补孔深不足造成的储层生产能力下降的问题。高孔密射孔决不是射孔弹数量的简单叠加，从射孔弹爆轰的角度讲，它解决了射孔弹爆炸时的弹间干扰问题，是射孔技术进步的具体体现。

采用高孔密射孔的意义主要体现在以下几方面:

(1)由于提高孔眼深度意谓着需要增加射孔弹的装药量，而装药量的增加又需要增加射孔枪的尺寸。显然，因受到实际井眼尺寸的限制，装药量的增加是十分有限。因此，在有限的井眼尺寸条件下，高孔密射孔是提高射孔流动效率、确保射孔质量的一项有效手段。

(2)在渗透率各向异性及含有页岩夹层的储层中，孔密的增加对生产能力的提高十分有利，其影响甚至超过射孔穿深。影响程度如下图2所示。

(3)对于裂缝型(尤其是水平裂缝)储层，提高射孔孔密有利于增加射孔孔道与储层内裂缝联通的机率，缩小孔眼与裂缝间的平均距离。

由此可见，高孔密是各种完井方法都要求的重要条件。

射孔相位的选择不仅对完井工艺方法和产能有影响，而且对套管射孔后的强度也有影响。射孔相位为135°或45°时套管强度保持在较高的比值范围内，达原套管强度的80%以上，这对地热井的生产寿命有重要影响。

选择适当的相位角可以提高射孔完井的产能，在均质地层，90°相位角最佳，在非均质严重地层，120°相位最佳，在疏松砂岩60°相位最佳，同时60°相位也是维持套管强度的最佳相位。

1.3 射孔穿透深度

射孔穿透深度是射孔孔道的长度，穿透深度一般在146～813 mm的范围内。不同完井工艺方法和地层物性对射孔穿透深度的要求不同。常规完井和严重污染的地层要求深穿透，高渗透地层、裂缝性地层和钻井液污染程度大的地层，也要求深穿透射孔，使井筒与高渗透地层、裂缝性地层之间建立畅通的流动通道，减小阻力，提高产能。

射孔穿深与产能的关系见图2。

图2 射孔穿深与产能关系图

具体实施方式:

不同地层物性类型和完井工艺方式对射孔的孔径、孔密、相位和孔深的要求不同。根据实际地层物性和完井工艺要求，优选出合理的孔径、孔密、相位和孔深等参数组合。如表1所示，疏松砂层的防砂完井，射孔参数的选择一般首先考虑孔径，其次是孔密，再者是相位，最后是孔深。

1.4 孔深与孔密

孔深与孔密的组合对储层产能也有一定影响。如图3所示，油井产能比随着孔深、孔密的增加而增加，但提高幅度逐渐减小，即靠增加孔深、孔密提高产能有一个限度。从经济角度讲，孔深在达到800 mm以前，孔密在达到24孔/m以前，增加孔深、孔密的效果比较明显。目前我国射孔弹混凝土靶穿深最大在1080 mm左右(折算贝雷靶穿深大约750 mm)，但对于中低渗透储层，射孔弹砂岩穿透深在500 mm左右，孔密也多在16～20孔/m，发展深穿孔射孔弹和高孔密射孔工艺，仍有很大的潜力，特别是不同枪型的深穿透和高孔密射孔枪系列化和国外差距还很大。当然，在实践中应综合考虑成本、对套管破坏、工艺和井下情况等约束性条件，科学地选择孔深和孔密。

研究表明，在各项异性不严重时(0.5≤Kr/Kb≤1.0)，若无法穿透伤害区，则孔深比孔密更重要，此时宜采用深穿透、中孔密(16孔/m左右)。若地层伤害区浅可以保证穿透，则孔密比孔深更重要，此时应采用高孔密(22孔/m以上)。

2 废弃石油井改造为地热井

2.1 改造的意义

据不完全统计，大庆油田现有8万多口石油井，胜利油田现有6万多口石油井，辽河油田现有9千多口石油井，全国现有石油井164076口。因地质报废或因油气采量逐年下降且不具备利用价值的石油井统称为废弃石油井，全国废弃石油井有52500口，约占32%。这些废弃石油井多无人管理遭到伤害，或因周边市政工程建设施工而永久覆盖在建筑物下，造成国有资产的浪费。

有条件地将废弃石油井转化为地热井有以下优势:

(1)地质条件具备，由于报废石油井上部热储层资料已经全部掌握，选择适宜储层打开即可开发地热资源。该项工程即节省钻探费用，使报废石油井变废为宝，又降低地质勘查风险，避免了凿“干眼”井的情况出现。

(2)工程条件具备，扩孔、起拨套管和射孔是废弃石油井改造的主要工程，技术比较成熟。

(3)经济效益好，和新开凿地热井相比，省去了钻井费、管材费，还节省较多的修路费、占地费，有些井的通电问题也已解决，这些费用通常占到施工总费用的相当大一部分。据估算，一般改造一口废弃石油井的费用只占到新打一口地热井费用的l/3～1/2左右。

(4)社会效益好，再次发挥废弃油井的作用，提升宝贵的国有资产价值，部分解决后油田时代发展去向等严峻问题。

2.2 射孔参数组合

根据射孔成井理论及多年废弃石油井改造、地热施工射孔成井经验，总结出地热射孔成井常用的射孔器系列见表1，不同完井工艺方式和不同类型储层射孔参数组合的选择，见表2和表3。

表1 地热射孔成井常用射孔器[3]

表2 完井工艺方式对射孔参数的选择①

表3 储层类型对射孔参数的选择

2.3 废弃石油井改造步骤

以天津塘沽区某废弃石油井为例。该井深3301.5m，表层套管Ф339.7 mm底为204.5m，全程固井;技术套管Ф244.5 mm底为2248.61m，水泥上返至474m;Ф215.9 mm底为3301.5m，全程固井。改造步骤如下:

(1)通井换浆。采用Ф215.9 mm3A通至原人工井底，确定Ф244.5 mm套管实际深度，将井内泥浆用清水换出。

(2)制作人工井底。将钻头下至2 200m，向井内注入10m3水泥浆，水泥浆密度1.75g/cm3，采用R32.5普通硅酸盐水泥，候凝48小时后下钻探人工井底的深度。人工井底深度必须大于2 150m，如小于2 150m，应用钻头钻掉部分水泥塞以满足射孔要求。

(3)测井。进行磁性定位及声幅测井，以确定石油井的水泥胶结情况、水泥返高及检查每根套管下深。进行GR测井，明确含水层具体位置。

(4)割管。为了保证泵室管为Ф339.7 mm表层套管，需将0～180m的Ф244.5 mm套管割断并取出。采用Ф244.5 mm水力割刀对Ф244.5 mm套管在180m处割取。

(5)固井。Ф244.5 mm套管割出后进行水泥固井，将Ф 339.7 mm套管与Ф244.5 mm套管重叠部位进行封固。

(6)射孔。根据测井解释成果，采用有线射孔方式，将馆陶组底砾岩6层总厚95.1m射开，射孔方案见表4。

表4 某废弃石油井射孔方案

(7)探砂面冲砂。下入Ф127 mm钻杆探砂。如砂面小于2 150m，进行冲砂。

(8)下入过滤器。①过滤器直径为177.8 mm，壁厚为8.05 mm，钢级J55的石油套管，管体打 Ф12 mm孔，孔隙率12%～14%，外缠普通碳丝镀锌筛网，并进行塑喷防腐，筛网断面为梯形断面，缠丝间距0.7～1.0 mm，过滤器有效长度95.1m。沉淀管不少于10m。

过滤器有效部分要对准射孔井段部位，在过滤器底部、中部、上部加装Ф177.8 mm套管扶正器各一组，在过滤器顶部加装止水器2组。

(9)洗井、抽水。将Ф127 mm钻杆下入400m进行气举洗井，水清砂净后再下入深井泵进行抽水，并进行非稳定流抽水试验，延续时间不少于7000 min，测出该井的实际出水量、动水位、静水位及水温，达到要求后，完井[4]。

3 结语

国内废弃石油井改造为地热井始于上世纪90年代的大庆、辽河油田的基地建设中。现在我国废弃石油井超过一万口，做好废弃石油井改造是后油田时代的新能源革命。改造废弃石油井除选择改造层外，射孔成井的参数组合是一项关系到地热井产能的重要技术，一般地大孔径和高孔密防砂效果较好;高孔密和低相位射孔完井技术则增产效果好;储层伤害区较大时，孔深重要性大于孔密;储层伤害区较小时，则孔密比孔深更重要。

[1]赵恒，曾永清，段永刚.国内主要射孔技术介绍[J].天然气勘探与开发，30(2):70

[2]刘方玉，郑长建，蔡山.不断发展完善的射孔技术[J].大庆石油地质与开发，28(5):223－224

[3]陈家猛，魏光辉，张维山.高孔密射孔技术在大港油田的应用及效果分析[J].测井与射孔，2005(1):58 －59

[4]高亮，杨玉新.天津市塘沽区东沽宏苑小区石油废弃井地热开发报告[R]，天津地热勘查开发设计院.2009