射孔为压裂酸化服务是射孔技术发展的必由之路

2015-02-22袁吉诚

测井技术 2015年2期

袁吉诚

(中国石油川庆钻探工程公司测井公司, 重庆 400021)

0 引言

中国低渗透油气田数量很多,非常规油气资源开发力度逐步加大,新增产能主要来自于这类储藏。低渗透油气藏渗透率低,渗流阻力大,连通性差,不经过压裂酸化改造很难满足工业开采要求。在此背景下,以体积改造为中心的各种压裂酸化技术特别是水平井压裂技术快速发展,射孔已不再是提高产能的最终手段,而是压裂酸化前的一个预处理过程。

在新的油气开发形势下,射孔也在积极配合压裂作业,已经开展的新型射孔技术研究如水平井泵送桥塞多簇射孔分段压裂技术(泵送射孔技术),以实现水平井多段体积改造的目的;定面射孔技术控制水力压裂裂缝走向沿着井筒径向扩展,以达到最佳的储层改造效果;双向定向射孔技术使两排射孔方向与储层最大主应力方位成一定夹角,压裂后使裂缝转向以实现多裂缝从而增加产能等[1]。

与快速发展的压裂酸化技术相比,射孔技术发展相对滞后。为加快射孔技术发展的步伐,本文提出首先要从思想上树立射孔为压裂酸化服务的观念,阐述射孔技术如何发展并提出相应的建议,提出了一些在射孔新技术研发中应注意的问题,以期能对相关的射孔新技术研发工作有所帮助。

1 射孔为压裂酸化服务是中国油气开发的必然结果

以往人们常把射孔比作石油开采的“临门一脚”,如今这句话已经过时,因为油气开发的对象发生了变化。现在的开发对象是中低渗透油气储层和非常规油气资源,产能已达油气总量的75%[2],这个百分比还在逐年增加,其新增产能主要来自低渗透油气藏和非常规油气藏,如鄂尔多斯盆地的低渗透砂岩和致密砂岩、四川盆地的碳酸盐岩和碎屑岩、重庆涪陵区块的页岩等,油气增产、稳产将更多地依靠低渗透油气和页岩气的开采。低渗透油气藏渗流能力低,射孔后必须实施压裂酸化改造形成并支撑裂缝才能达到工业产能,射孔后经压裂酸化井所占比例也不断增加,例如中国油气当量最大的长庆油田,油气层普遍具有物性差、低压、低产的特点,射孔后几乎都要经压裂酸化改造后才能投产;大庆外围、吉林两大油田、四川大气田射孔后也基本上也要经压裂酸化改造。射孔已不是油气开采的结果,而是完井的1个预处理过程或1个环节,甚至有时连过程和环节都算不上,因为喷砂射孔-压裂、裸眼井压裂等不用射孔。综上,压裂酸化是提高产能的最终手段,成为提高低渗透油气田产量和可采储量的技术关键,受到各国的高度重视,出现了很多低渗透油田压裂改造的新技术,特别是形成了以体积改造为中心的多种水平井压裂技术,如限流压裂、滑套分段压裂、水力喷射分段压裂、段内多裂缝压裂、连续油管拖动压裂、固井滑套压裂技术等[3-4]。

面对压裂酸化技术不断进步和创新的新局面,射孔技术研发人员应多关注压裂酸化技术,更好地为压裂酸化创造条件,共同为油气增产这个大前提服务。

2 射孔如何为压裂酸化服务

2.1 提升现有为压裂酸化服务的射孔产品性能和射孔技术水平

2.1.1 提高深穿透射孔弹的综合性能

(1) 提高射孔穿深是始终追求的目标。提高射孔弹的穿深性能有利于穿透低渗透储层污染带、降低地层破裂压力、增加沟通和延伸地层裂缝的概率,以提高压裂酸化效果。对于需要穿透隔夹层采油的一些储层,深穿透射孔更具有特别重要意义。目前中国在射孔深穿透性能方面已取得了突出成绩,射孔弹的API检测数据已达1.54 m,与国外1.76 m的记录相比,差距在缩小。

(2) 提高射孔穿深的同时要兼顾孔径。目前研发多把焦点仅集中在射孔弹的穿深是不全面的,既要注重射孔弹的穿深,还应兼顾孔径,不能用牺牲孔径提高穿深。根据模拟试验结果,射孔孔径过小会增大孔眼摩阻,造成施工压力高,施工难度增大。经对普光水平井的射孔优化研究,常规酸化时合适的孔径应大于10 mm[5]。

(3) 等孔径技术值得关注。射孔枪在井下有时不能居中发射,造成靠近套管的一边入口孔径大,远离套管的一边由于射流拉长孔径小,使得压裂液大多从摩阻小的大孔进入地层,减少了孔眼的有效流通面积,降低了压裂效果。哈里伯顿公司研发了等孔径技术,可将这种偏心效应的影响降到10%以下。

(4) 进一步提高自清洁射孔弹性能。射孔弹高速射流在穿透地层的同时产生冲击载荷也作用在孔眼附近形成压实带,压实带带来的伤害程度远比人们的想象要大。伤害试验结果表明,砂岩压实带的平均厚度可达3～4 mm,渗透率降幅最高达90%[6],不仅地层难以压开,而且严重影响油气井产能。

某油田施工案例:射孔后压不开地层,采用复合射孔后依然压不开,最后采用喷砂射孔轻易压开地层,出油效果也满意。经分析认为,喷砂射孔前地面物模靶的喷砂穿深虽然小于350 mm,但喷砂射孔使用的是磨料射流,对地层采取的是切割射孔,不会产生影响地层渗透率的压实带,既有利于降低破裂压力,也增加了地层流体向井筒的渗流速度和液量。

中国自清洁射孔弹技术已比较成熟,如中国石油川庆钻探工程公司测井公司的自清洁射孔弹,与常规射孔弹产品相比其射孔孔径增加20%～30%,孔道体积增加200%～230%,且孔道干净,无岩屑、金属粉末等固相阻塞物。环境扫描电镜对射孔孔道附近微观结构分析表明,射孔孔道周边的微裂缝较为发育,呈现岩石单颗粒断裂性破坏,是改善压实伤害的有效、方便手段,应加大推广力度。自清洁射孔弹在应力条件下的射孔穿深与普通射孔弹相当,国外同类产品的射孔穿深能提高44%,希望能再进一步提高射孔穿深指标。

2.1.2 提高常规射孔工艺与压裂酸化联作水平

射孔与压裂酸化联作不仅使二者联系更加紧密,而且是改善压裂效果和提高工效的有力手段。

(1) 用射孔-压裂酸化-测试联作代替常规射孔-测试联作。低渗透油气藏通常要经压裂酸化后才能得到储层真实产能,射孔后的测试意义不大。对于多薄层储藏,争取开展2层射孔-压裂酸化-测试联作,以提高施工效率。

(2) 双向定向射孔与压裂联作。双向定向射孔使2排射孔方向与储层最大主应力方位成一定夹角,压裂后使裂缝转向实现多裂缝从而增加产能。

(3) 斜井定向射孔与压裂联作。定向射孔是成熟工艺,但一般是2次管柱作业。随着斜井、丛式井数量的增多,应更加注重提高套管斜井压裂效果的联作技术,其方法是在射孔管柱到位并完成定向后进行定向射孔,射孔后立即进行加砂压裂改造[7]。

2.1.3 提高复合射孔和爆燃压裂有效性和安全性

气体压裂是压裂酸化的另一种表现形式,也是水力压裂的一种补充。随着低渗透油气田增加,复合射孔和爆燃压裂在低渗透油气田(含水平井)的应用以及在油气田后期挖潜改造方面应用逐渐增多,这2项技术在以下4个方面应该得到加强和提高。

(1) 采用多种燃速火药进行复合射孔的方法值得推广。中国石油大学(华东)采用高、低两级燃速火药将其串联使用,利用高燃速火药爆燃压开地层,随后低燃速火药长时间低速燃烧,既降低了地层破裂压力,又提高了压裂效果[8]。西安通源石油科技股份有限公司的三级装药复合射孔在多个油田已成功应用。应进一步加强裂缝起裂、裂缝延伸、火药爆燃后裂缝持续延伸、裂缝终止全过程基础研究。

(2) 作为压裂预处理措施的复合射孔火药应有所改进。低渗透储层在聚能射孔弹的压实作用下容易造成地层难以压开,采用内置式复合射孔作为水力压裂的预处理措施已经成为认可的降低破裂压力措施,辽河油田在这方面取得了较好的压裂效果[9]。

对于高破裂压力地层进行降低破裂压力作业,不应采用一成不变的复合药,应研究专用降低破裂压力火药,如上述(1)所述的高燃速火药,并对药量进行优化以便发挥更好的破压效果。

(3) 提高爆燃压裂效果和安全性的新方法。为追求更好的压裂效果,甲方往往要求增加爆燃压裂药量,但这样无疑会增加安全风险。建议采用逐级点火爆燃的方法,再增加火药有效作用时间,从而在提高压裂效果的同时降低安全风险。需要解决的技术关键在于装于两级火药之间的毫秒级可调延时点火装置、后级火药的防殉爆措施、后级火药的点火系统保护等。

(4) 复合射孔和爆燃压裂软件需要完善和提高。美国StimGun复合射孔软件需要输入地层、井筒、射孔器、火药等100多个参数,计算出20多条预测曲线。中国软件研发进展缓慢,存在适应储层的范围小、预测的参数少、产能预测不够准确等不足,对内装多级火药、内外装药加下挂药等多级复合的软件设计更为欠缺。对于爆燃压裂,近年来爆燃压裂发展较快,但软件设计没有跟上,有时凭经验施工,导致卡井、损伤套管等工程事故偶有发生。为了做到合理、科学施工,应在复合射孔和爆燃压裂软件设计上投入更多力量。建议开展跨油田、跨专业合作。

2.2 射孔新技术改进和创新

2.2.1 开展射孔新工艺与压裂酸化联作研究

每一项射孔新工艺出现,都应考虑与压裂酸化联作,以利产能最大化。

(1) 三射流射孔技术与压裂酸化联作。大庆油田开展了三射流射孔技术研究,该技术是采用1组3个共面聚焦的射孔弹,上部和下部射孔弹先行发射,疏松地层后,位于中间位置的射孔弹延迟引爆,产生大于普通射孔穿深的孔道,从而改善近井地带导流能力,增加产能及稠油井开发效果[10]。鉴于目前中国以低渗透油气藏为主,建议该项技术能与压裂酸化联作,以扩大其使用范围。

(2) 复合射孔与驱砂联作。传统的方法是在火药或射孔弹的前舱加砂,但如此少的砂量即使挤入地层也不可能起到支撑裂缝的作用。目前的思路是在复合射孔管柱中携带较多砂量,复合射孔的同时将压裂砂驱赶到已射开地层中,完成对地层裂缝的有效支撑。

2.2.2 在吸收国外新技术的基础上进行改进创新

泵送射孔虽然已是国外页岩气开发的最成熟技术,但也有作业环节多、时间长、费用高等不足,国外也在页岩气开发中增加了裸眼+衬管+多级压裂等新工艺的比例,在泵送射孔技术的应用中进行了一些改进并形成了新的思路。

(1) 泵送射孔技术的改进。①泵送定向射孔技术。在泵送射孔中,如能实现定向发射使射孔方向与压裂裂缝的走向相一致,可降低破裂压力,增加储层有效泄流面积,达到增产的目的。中国石油川庆钻探工程公司测井公司和西安通源石油科技股份有限公司分别在电子选发和机械选发上完成了可定向泵送选发射孔器的开发。②定面射孔技术。定面射孔器内3发射孔弹为1簇,射孔方向形成扇面,有助于破碎岩石降低地层破裂压力,压裂时有助于裂缝向井筒径向扩展,且近井地带裂缝走向可控,避免段与段之间压裂裂缝的串通,提高了缝网系统的完善程度,从而提高产能。该项技术主要用于泵送射孔技术中,2013年起在吉林油田得到了很好的应用[11]。建议将该项技术应用到直井中,理论上直井更有利于裂缝向井筒径向扩展,应用中应注意针对不同储层特征进行定面结构如孔径、孔深、角度、方位等设计,并开展储层适应性、裂缝形成机理研究。

(2) 泵送射孔技术新思路。连续油管可用于输送桥塞和射孔器进行多级压力改造,较之泵送射孔工艺快速、安全。①连续油管输送喷砂射孔压裂。中国石油川庆钻探工程公司提出工艺管柱采用连续油管输送桥塞和喷射器,拖动管柱完成多簇喷砂射孔及射孔后的光套管压裂[12]。②连续油管输送选发射孔压裂。中国石油川庆钻探工程公司测井公司正在研究采用连续油管输送完成坐桥塞和分级电点火射孔,各级射孔器的点火电源可来自连续油管的内穿电缆或自带电源。

(3) 一种电缆输送射孔-桥塞封隔-套管压裂的直井分段压裂工艺。传统的电缆桥塞分段压裂技术是先电缆常规射孔,然后单段压裂,再下桥塞封堵,直到完成多层压裂。该工艺最大不足是压裂完成后须钻塞,不仅增加了作业程序和时间,而且会对产层造成2次污染。受到泵送射孔技术的启发,中国石油勘探开发研究院提出利用空心桥塞单向流动、配合可溶球自溶的优点实现直井分压后不钻塞投产工艺,该工艺不使用封隔器、滑套、水力锚等工具,采用电缆输送1次下井完成坐桥塞和射孔2项作业,然后投球、压裂即可。其优点是施工级数多,投产后管柱为全通径等,如将定面射孔技术结合到该项工艺中去,或能取得更好效果。

2.3 对射孔技术进一步发展的建议

2.3.1 开展以射孔效能检测为中心的基础研究

(1) 模拟地层环境的地面检测。有可模拟地层环境高温高压试验条件的单位,应进一步开展针对具体岩性、地层条件进行射孔枪、射孔弹、井筒和储层响应参数研究和测试,了解和掌握射孔系统在储层条件下的性能;开展射孔效能综合试验平台建设,研制和配备一批模拟地层环境的射孔效能专用试验装置、岩心分析设备和流动测试设备,完善评价方法;研究定面射孔和三射流射孔等新工艺对压裂后裂缝走向的影响机理,开展地层条件下射孔流动效能测试评价,了解射孔参数对后期增产改造效果的影响,进行射孔作业管柱安全评估等,确保射孔技术的先进性、可靠性、安全性。需要强调的是应根据钻井岩心资料尽快研究、制造可模拟地层条件的流动效率测试靶,以进行高温高压下射孔穿深检测和流动效率测试工作。

(2) 井下作业监测。①复合射孔、爆燃压裂井下射孔监测。鉴于已经取得的检测数据太少,应尽可能多用p—t仪监测复合射孔和爆燃压裂压力、温度变化趋势,特别应针对多级复合射孔作业进行监测,以便对射孔后的地质效果进行评价,进而改进火药设计并对软件进行完善和补充。②射孔爆炸载荷响应井下测试与分析。在超高温超高压射孔完井中常面临射孔管柱弯曲断裂、管柱遇卡、射孔后套管变形等一系列复杂工程情况。中国石油川庆钻探工程公司测井公司研发的超高温超高压井射孔动态特征测试分析系统可完成射孔瞬态数据采集和分析,进行射孔冲击载荷作用下射孔管柱、套管等动态响应等研究,建议推广应用,多发挥这套测试分析系统的作用。

在实验室模拟研究、井下监测、压裂后产能的综合分析基础上,应加强对射孔新产品、新工艺的效能评价,并对射孔作业过程进行有限元数学建模,开发和完善射孔优化设计系统,指导下一步的射孔施工。

2.3.2 加强射孔弹的井下穿深检测技术研究

当射孔后压不开地层时,甲方通常会对施工方射孔弹的穿深提出质疑,施工方仅能向甲方提供API检测数据,无法提供井下射孔穿深数据。不了解地层实际穿深,射孔优化设计就失去了重要依据。模拟地层超高温超高压(150 ℃,105 MPa)条件下的打靶测试表明,国内外超高温射孔弹的四川砂岩靶穿深一般不超过350 mm,在更高温度和压力条件下的井下射孔穿深应该更低。主要问题在于甚至无法判断射孔是否穿过了水泥环以及穿过水泥环的比例有多少。此外,一种射孔弹不可能适应各种岩性,只有充分掌握不同岩性的井下射孔穿深数据,才能设计出有针对性的射孔弹。从这个角度,有了地层穿深检测技术,就掌握了射孔弹研发的主动权。目前国外已经有了采用声波探测原理探测地层穿孔深度的仪器。

2.3.3 研究适应不同油气储层特点的降低破裂压力措施

目前已有的降低破裂压力措施很多,如超深穿透射孔、重复射孔、复合射孔、定向射孔、定面射孔、酸洗作业等,三射流技术能降低压实带的影响,也有可能降低破裂压力。但是,不同的低渗透储层有不同的特点,各油田要对特定储层进行起裂机理研究,并结合压裂施工曲线,找出一套适合储层特点的降低破裂压力方法。

2.3.4 多专业配合开展射孔效能评价工作

射孔不仅要服务于压裂酸化,还要与油田地质等多专业紧密配合,通过可模拟地层条件的测试靶试验,结合产能评价需求开展低渗透储层射孔效能评价工作,为射孔优化设计提供技术依据。在进行射孔效能评价工作中,需要地质部门提供详细的地质资料如岩性、泥质胶结情况、孔隙度、饱和度、渗透率等才有可能制造出符合地层地质条件的流动效率测试靶,进而进行高压下射孔弹流动效率检测甚至压裂、酸化后测试靶的流动效率检测;需要钻采工程部门提供地层压力、地层温度、弹性模量、泊松比、套管钢级、套管壁厚等参数以便确定施工方案和降低破裂压力措施;需要井下作业部门提供压裂施工曲线、裂缝长度、宽度等监测数据和最终产能数据,反过来评估射孔效能评价方法的合理性、准确性,探讨射孔对破压的影响规律,完善单井的射孔优化设计系统。

2.3.5 关注中远期研究项目

应加强对一些中远期研究项目的关注,如套管外爆燃压裂、层间爆炸增产技术等。层间爆炸是通过水力压裂将乳胶状爆燃药压入油层裂缝后引爆的技术,中国早在10多年前就已经提出开展该项技术研究的设想,限于当时的技术条件,项目一直没有找到突破口。2007年,中国兵器工业第204研究所对该项技术有了较为全面、具体的描述,包括液体火药的选择、井下精确投放、降滤失压裂、点火技术等[13]。近来,液体火药的研制、点火以及井内作业等已有突破,还应重点解决火药在层间的断爆问题。如果该项技术能够研发成功,必将对低渗透油气田改造发挥重要作用。

3 射孔为压裂服务中应注意的问题

3.1 端正态度

有2种态度都是要摈弃:一种是与己无关的态度,认为射孔技术人员只管上井开炮,压裂与己无关,对其不闻不问;一种是对射孔持悲观态度,认为随着压裂酸化地位的提高,射孔会越来越说不起话。

射孔虽然不再是完井的最终手段,但是关系到实现压裂酸化效果最大化的重要环节。射孔产品的性能、射孔工艺的选择都与压裂酸化的效果直接相关,而且利用火药的独特优势还可以解决常规压裂酸化不能解决的问题。

3.2 多学习压裂酸化方面的知识

不了解压裂酸化方面的知识谈不上为压裂酸化服好务。

(1) 学习和射孔直接相关的压裂知识,如泵送射孔后是怎样压裂的,压裂中出现砂堵是如何解决的;射孔-压裂-测试中采用什么样的井下工具、施工流程怎样等作为学习的突破口。

(2) 重点学习低渗透油藏压裂技术。低渗透油藏压裂技术涉及压裂地质研究、压裂液和支撑剂优选、压裂工艺优化设计、压裂工具准备、压裂施工设计以及压裂裂缝监测、压裂产能评估等方面的知识[14]。建议从学习(水平井)投球打滑套多级分段压裂技术开始,该技术应用最广,涉及的工具最具代表性,在此基础上逐步扩大压裂知识面。

(3) 采用多种方式学习和交流。建议多举办低渗透油藏压裂技术讲座,利用开会、施工的间隙与压裂人员进行交流,询问一些平时不解的问题,特别是了解压裂本身遇到的困难,以便启发解决问题的思路。

3.3 多思考如何发挥火药独特功能

火药是射孔的独门利器,在了解和熟悉压裂酸化工艺和工具的基础上,协助解决压裂酸化本身难以解决的问题。

(1) 协助解决固井滑套打开后难以压开地层的问题。随着非常规油气资源开发规模不断扩大,诞生了一种新型的压裂技术——固井滑套水平井多级压裂技术。固井滑套与套管一起下井之后注水泥固井,然后对其进行开关操作,再进行选择性压裂和封堵作业。它不仅减少了射孔作业,而且不需要封隔器和桥塞,成为国外大公司重点研发的技术。但是,在中国引进该技术施工中出现了破裂压力明显高于区块平均值的问题。那么,能否用火药助其一臂之力？

(2) 协助实现投球打滑套不限级功能。投球打滑套多级分段压裂技术的一个不足是节流问题。级数越多,管柱下部球座的孔径越小,节流越严重,直接制约了施工排量和压裂规模。川庆钻探工程有限公司井下作业公司发明了一种不限级数的投球滑套[15]。该滑套技术核心是利用火工品点火后推动活塞,打开压裂通道,同时活塞动作后能挤压生成筒生成球座,为投球关闭滑套做好准备。该设计配合其他装置使分段级数不受井筒内径限制,从而实现无限级改造。虽然该专利中使用的火工品是聚能射孔弹而不是火药,让人觉得有点“外行”,但是搞压裂工具的人能想到用火工品解决工具问题是多么难能可贵,值得深思。

(3) 套管外火药压裂运用。西安通源石油科技股份有限公司设计了一种能实现套管外火药压裂的开孔滑套,该滑套能在开孔后实现对地层的气体压裂,现已完成地面试验。

此外,多思考用火药技术解决一些工程问题,如火药开孔装置设计用于沟通油套便于反循环洗井清砂、管柱卡死时能否利用火药力帮助解卡等。