页岩气水平井分簇射孔配套技术分析及应用

王海东，陈锋，欧跃强

唐凯，任国辉，李奔驰

(中国石油集团川庆钻探工程有限公司测井公司，重庆 400021)



页岩气水平井分簇射孔配套技术分析及应用

王海东，陈锋，欧跃强

唐凯，任国辉，李奔驰

(中国石油集团川庆钻探工程有限公司测井公司，重庆 400021)

[摘要]分簇射孔技术是页岩气水平井多段、分段压裂完井工艺中的一项重要技术，随着我国页岩气勘探开发的不断深入，分簇射孔技术也得到了不断发展和广泛应用。基于分簇射孔工艺技术原理，重点阐述并分析了分簇射孔工艺中配套的相关技术，包括连续油管射孔、复合桥塞与射孔联作、多级点火控制、分簇射孔器、泵送工艺参数优化、高压动密封防喷以及管串丢手释放和安全起爆监测等配套工艺技术。现场应用效果表明分簇射孔工艺技术安全适用性，对页岩气水平井开发具有重要意义。

[关键词]页岩气；水平井；分簇射孔；复合桥塞；多级点火；多段压裂

页岩气是指位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集[1]。据相关机构对中国页岩气资源量进行的估算，结果显示我国页岩气地质资源量为134.4×1012m3，技术可采资源量为31.6×1012m3。经过多方测算分析以及深入研究，认为我国页岩气产量2015年将超过50×108m3；2020年有望突破300×108m3，占我国天然气产量比重的15%左右[2]。页岩气藏因为页岩基质孔隙度很低，最高仅为4%～5%，渗透率小于1mD[3]。因此，多级分段压裂成为了页岩气开发的关键技术。

伴随着“体积改造”概念的提出并结合美国30多年的页岩气开发经验，表明了页岩气水平井套管完井及分段压裂技术逐渐成为主体技术模式，而“分段多簇”射孔实施应力干扰是实现体积改造的技术关键[4]之一。近几年国内各大油田和相关技术服务企业也进行了分簇射孔工艺技术研发和应用，其中川庆钻探测井公司于2012年10月在Y101-78-H1井进行了国内率先的试验性应用。2013～2014年，我国页岩气富集区块(如四川威远-长宁和重庆涪陵焦石坝页岩气田)进入了大规模的开发阶段并获得了良好的产能，分簇射孔配套工艺技术得到了规模化应用。

1分簇射孔原理与特点

分簇射孔是指在井筒与地层有效沟通的前提下，运用电缆输送方式，按照泵送设计程序，将射孔管串与复合桥塞采用泵送方式输送至目的层位，完成桥塞坐封与多簇射孔联作的射孔技术(图1)。该技术适应于4.5～7in的直井、大斜度井和水平井等各型套管井，目前广泛地应用在页岩气、致密油气、煤层气等非常规油气藏水平井开发中。

图1　分簇射孔管串示意图

分簇射孔技术主要特点：①一次下井，可实现桥塞坐封与多簇射孔联合作业，射孔级数可达到20级；②与体积压裂工艺联合作业可增加井筒与油气层的接触面积，提髙产收率；③采用套管加砂，可以大排量施工(一般在10～15m3/min)，最大程度地减小施工水马力损失和施工风险，从而降低施工成本[5]；④作业时效高、试油周期短，特别是在采用“工厂化”压裂开发模式时能够大大节约完井作业时间。

基本作业流程为：①采用(连续)油管输送方式进行第一段射孔作业，然后进行压裂，有效沟通地层与井筒；②采用泵送的方式将复合桥塞与射孔联作管串系统输送至目地层位，进行第一级供电使桥塞坐封，其后对不同目的层段进行多簇射孔；③进入压裂施工程序，按照相关分簇射孔施工设计重复以上作业流程；④最后一次性钻掉所有复合桥塞或直接进入后续作业。

2分簇射孔配套技术

2.1连续油管输送射孔

页岩气水平井第一段射孔多数采用连续油管射孔，连续油管输送二级射孔器(图2)至预定层位，通过井口正加压与环空加压分别起爆射孔器。此外，也可采用油管传输射孔，通过井筒内加压起爆射孔器，还可以采用水力喷砂射孔，将水力喷砂射孔与压裂一体化钻具下入目的层射孔后，然后关闭油套环空控制闸阀进行主压裂[5]。完成了第一段射孔与压裂作业后，油气层与井筒就形成了良好沟通通道，为后续泵送作业创造条件。

图2　连续油管传输射孔示意图

连续油管输送第一段射孔与油管传输射孔和水力喷砂射孔作业相比，具有作业周期短、经济效益好、成功率高等特点。此外，目前国内的页岩气水平井水平段长度较长，大多在1500～2000m，最长可达2500m，选用连续油管输送方式完成第一段射孔作业也更为适合。

2.2复合桥塞与射孔联作

复合桥塞与射孔联作技术最大特点是实现了一次下井完成桥塞坐封与多簇射孔作业。具体过程是指在第一段压裂完成后，通过电缆一次将复合桥塞与射孔器管串(见图1)泵送至井内预定位置，先供电点火燃烧桥塞药柱，桥塞工具内产生的高压气体推动活塞运动从而坐封复合桥塞，再回起电缆依次校对深度定位，地面供电依次完成后续各簇射孔。

常用的复合桥塞为投球式桥塞(图3)和可溶球免钻大通径桥塞。复合桥塞主要特点是采用复合材料制成，芯轴为铝制，桥塞内置液体通道，以便液体进出，可实现压后迅速返排和投产[6]；另外具有良好的可钻性，可采用连续油管钻井进行快速钻除，若采用的是大通径桥塞，则可在压裂完成后直接投产，具有良好的经济性、时效性。

图3　复合材料桥塞

目前国内外较多厂家都已生产出各型复合桥塞，耐温150℃，耐压差70MPa/105MPa，而坐封工具则可采用贝克桥塞坐封工具(10号或20号)，耐温204℃，耐压105～210MPa，适用于4.5～7in套管井作业。

2.3分簇射孔器

分簇射孔管串中每级射孔器由单独的多级点火控制器所控制，通过地面控制系统发出电信号使相对应的各级射孔器起爆射孔。目前国内现有的分簇射孔器主要包括3类，分别为分簇(常规)射孔器、分簇定向射孔器和分簇定面射孔器。单簇射孔器有效射孔长度一般采用1.0～1.5m。分簇射孔器型号主要包括73、86、89、102等，耐温150℃，耐压105～120MPa，适用于4.5～7in套管井分簇射孔作业。

分簇(常规)射孔器是指采用常用的螺旋式布弹方式的射孔器。分簇定向射孔器采用了特殊的连接方式，引入水平井定向射孔相关技术形成的一类用于分簇射孔的定向射孔器(图4)，其主要特点是用于解决巷道轨迹偏低、偏移以及防砂等特殊射孔工程的要求。

分簇定面射孔器采用特殊的布弹方式，实现了在套管同一横截面上形成多个射孔孔眼的一类射孔器(图5)。其特点是可在套管同一扇形平面上的多个射孔孔眼造成应力集中带，在一定的内压力下，很容易造成岩石破裂和失效，为后期储层压裂及深度改造创造良好的条件[7]。在实际作业中，根据储层地质情况和压裂改造的相关技术要求，可选择分簇定向或定面射孔器。

图4　分簇定向射孔示意图　　　　　　　　　　　　　图5　分簇定面射孔示意图

2.4多级点火控制器

多级点火控制器又称为射孔选发装置，是实现分簇射孔的一项关键技术装置。目前国内采用较多的是机械液控式和电子编码选发式多级点火控制器。机械液控式点火控制器原理为先点火坐封桥塞，再进行第一簇射孔器点火，第一簇射孔器起爆以后，利用液体压力实现断开第一簇射孔器，接通第二簇射孔器，使第二簇射孔器处于待射孔状态，然后继续进行第二簇射孔器的点火(图6)[8]。电子编码选发式多级点火控制器是通过信号地址编译实现多级点火控制即每一级射孔器具有独立的数字地址，通过地面系统输入查找编码地址信号，实现多级供电点火射孔，其不仅能够实现由下而上依次点火，还可以实现选择性点火。

图6　多级点火示意图

多级点火控制器耐温150～200℃，耐压140MPa，在理论上机械式液控点火控制器可实现无限的点火级数，电子式则最高为20级，而实际工作中因受到管串长度、井况和相关设备等条件限制，多数采用的是3～5级点火。

2.5泵送参数优化

对泵送工艺参数进行优化是为了提高泵送工艺管串的作业能力和安全性。综合考虑了储层地质相关参数，结合井筒参数(内径、狗腿度、斜率等)、管串参数(外径、长度、重量等)、电缆及相关装备参数等，建立泵送管串在井筒内的模型(图7)。参数优化能够分析各参数对泵送工艺的影响，泵送管串重量与井筒内压力的关系，计算电缆头张力受力及预测变化情况，设计推荐泵送时的注入排量和电缆运行速度，从而指导泵送管串设计，使泵送工艺全程能够得到有效控制(图8)。

图7　泵送管串模型示意图

2.6高压动密封防喷技术

分簇射孔是一项全过程带压即负压井况条件下的射孔作业，需在井口采用高压动密封防喷系统，该系统由电缆封井器、防落器、防喷管、抓卡器、电缆防喷控制头以及注脂液控装置等组成(图9)，通径适用范围76～160mm，最高耐压为105MPa。其工作原理是注脂泵工作产生的高压，通过密封油脂作用在电缆阻流管内以平衡地层压力，通过对井内的压力控制实现动态平衡下射孔作业。这样实现带压密封射孔同时又把压井介质对油气层的污染程度降至最低[9]。

图8　泵送射孔软件界面　　　　　　　　　　　　　图9　井口高压动密封防喷系统示意图

2.7管串丢手释放技术

在实际作业中发现，因为前段压裂地层出砂、套管内沉砂以及高压压裂引发套管变形等原因，使得随后入井的射孔管串可出现遇阻、遇卡等情况。针对井下管串运行可能出现的复杂情况，一方面为了提高管串的安全可靠性，另一方面为了减少后续的处理难度，降低风险，提高作业效率，特研制并在管串中引入了机电丢手释放装置。

机电丢手释放装置是指在管串遇卡等特殊复杂情况时，为保护电缆和井下管串，通过地面供电信号激活启动传压部件，依靠井内高压推动装置内活塞运动实现丢手装置下部的管串释放。该丢手装置耐温150℃，耐压105MPa，抗拉强度大于200kN，丢手释放压力3～5MPa，释放后的管串可通过连续油管携带专用打捞工具进行管串打捞。

2.8起爆安全监测技术

射孔起爆监测是监控并明确井下射孔是否发生的一种直观的判断方法。分簇射孔因全程带压作业，井口区域是属于高压危险区，特别是进行“工厂化”作业时。为保证监测工作的进行和监测人员的安全，采用无线检测仪器实现了射孔起爆无线监测。该仪器由井口信号发射器、信号接收器和监测软件组成，既能通过耳机也可通过软件显示井下的震动信号。该套监测仪监测精度高(图10)，监测时间长，信号接收范围广，在无阻碍物的情况下，信号接收的最长距离可达到120m。

图10　分簇射孔无线监测信号

3在X井应用

3.1X井基本概况

X井为四川盆地的一口页岩气水平井。该井水平段长度约为2100m，水平段垂深约2380m，井底温度82℃，采用5.5in套管完井，套管壁厚10.54mm。水平段岩性为灰黑色碳质泥岩及深灰色含灰泥岩，完钻层位下志留统龙马溪组。

结合本井钻录井情况、测井综合解释、地层岩石力学特征、井眼轨迹、井筒套管与固井质量等因素，在水平段内共设计26段射孔与压裂段，每段长度基本在75～95m，每段射孔簇数2～3簇，每簇长度1.0～1.5m。

3.2射孔配套技术、器材优选

1)射孔工艺选择。井内第一段选用连续油管输送射孔，射孔簇数为2簇，每簇长度1.5m，后续各段采用电缆携带射孔器与桥塞，使用水力泵送方式将桥塞与射孔管串输送至井内预定层位，依次完成桥塞坐封与多簇射孔联作。

2)射孔器优选。结合井筒特征和压裂改造要求，选用∅89mm射孔枪，耐压为105MPa，孔密20孔/m，相位60°，射孔弹选用配套的“89先锋”射孔弹，检测穿深大于800mm，射孔器耐温160℃/48h。

3)复合桥塞优选。分段压裂采用球笼式易钻复合桥塞，长度440mm，外径109mm，耐温150℃，耐压差70MPa。

4)多级点火控制器优选。优选电子编码选发式多级点火控制器，耐温150℃。

5)防喷系统选择。采用了“140-105”井口防喷设备，该防喷装置内通径为140mm，耐压105MPa。

6)泵送参数优化设计。采用水平井泵送射孔模拟软件，结合该井井筒、射孔器配套器材等参数特征，模拟计算泵送管串排量与受力情况(图11、12)。

3.3作业效果评价

2014年1～2月，历时12d完成了X井全部26段射孔与压裂联合作业，其中射孔器发射69簇，共用射孔弹1560发，发射率为100%，坐封复合桥塞25个，全部一次性坐封成功，压裂注入总液量约46000m3，砂量约1344m3。该井在分簇射孔泵送作业过程中，井口最高泵送压力约为55MPa，最高泵送排量为1.8m3/min，最低泵送排量为1.6m3/min。

图11　模拟计算推荐排量　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图12　缆头受力情况

2月底，放喷测试点火成功，获得了良好的产能，同时也为我国页岩气超长水平井分簇射孔技术应用积累了重要的作业经验。

4结论与建议

1)分簇射孔技术是页岩气开发中一项重要技术，配合多级、分段压裂作业，储层改造效果好，作业时效性高，能够大大缩短试油求产的周期。

2)目前国内各油田相关技术单位相继开发出分簇射孔工艺技术，通过现场作业来看，取得了良好的应用效果，为页岩气等非常规油气藏的高效开发提供了有力的技术支持。

3)应基于目前的工艺技术基础，有针对性地研发温度、压力更高，水平段更长的配套分簇射孔技术，以满足今后可能出现的水平段超长、井深更深的页岩气水平井的开发。

[参考文献]

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[2]郭焦锋,高世楫,赵文智，等.中国页岩气即将大规模商业开发[N].中国经济时报,2015-04-20.

[3]江怀友,宋新民,安晓璇，等.世界页岩气资源与勘探开发技术综述[J].天然气技术,2008,2(6)：26～30.

[4]Cipolla C L,Warpinski N R,Mayerhofer M J,et al.The relationship between fracture complexity, reservoir properties,and fracture-treatment design[J].SPE115769,2008.

[5]胡淞,段立进.泵送复合桥塞分段多簇射孔压裂联作工艺在长庆油田水平井的应用[R].建筑科技与管理学术交流会.北京：2014-05-27：48～49.

[6]白田增,吴德,康如坤，等.泵送式复合桥塞钻磨工艺研究与应用[J].石油钻采工艺,2014,36(1)：123～125.

[7]唐凯,陈建波,陈华彬，等.定面射孔技术在四川盆地致密气井中的应用[J].测井技术,2014，38(4)：495～498.

[8]张志强,张林,刘毅，等.分段多簇射孔桥塞联作技术研究与应用[J].石油仪器,2014,28(1)：13～16.

[9]王树申.射孔井地层压力预测及配套防喷工艺技术研究[D].杭州：浙江大学，2010.

[编辑]黄鹂

Analysis and Application of Matching Technology for Clustering Perforation in Shale-gas Horizontal Wells

Wang Haidong, Chen Feng, Ou Yueqiang, Tang Kai, Ren Guohui, Li Benchi

(FirstAuthor’sAddress:LoggingCompany,ChuanqingDrillingEngineeringCo.Ltd.,CNPC,Chongqing400021,China)

Abstract:The clustering perforation was an important technique in multi-section and sectional fracturing in shale-gas horizontal wells.With the development of shale gas exploration and development in China, the clustering perforation technology has been continuously developed and widely used. Based on the principle of the clustering perforating technology, the related matching technologies, including coiled tubing perforation, composite bridge plug and perforation, clustering perforator, multi-stage ignition control, pumping process parameters optimization, high dynamic pressure prevention, pipe string release and perforation monitoring were mainly introduced and analyzed. The effect of field application indicates that the clustering perforation is safe and applicability, and has very important significance for the development of shale gas horizontal wells.

Key words:shale gas；horizontal well；clustering perforation；composite bridge plug；multi-stage ignition；multi-stage fracturing

[中图分类号]TE257.1

[文献标志码]A

[文章编号]1673-1409(2016)8-0040-06

[作者简介]王海东(1985-)，男，工程师，现从事石油射孔工艺技术研究与应用工作，hd329651168@126.com。

[收稿日期]2015-10-09

[引著格式]王海东，陈锋，欧跃强，等.页岩气水平井分簇射孔配套技术分析及应用[J].长江大学学报(自科版),2016,13(8):40～45.