涪陵深层页岩气井降低起裂压力用定面射孔器

张 波



涪陵深层页岩气井降低起裂压力用定面射孔器

张 波

（胜利石油工程有限公司测井公司，山东 东营，257000）

涪陵页岩气地层破裂压力高，并且水力压裂时施工泵压高，使得致密油藏压裂增产措施无法实施，达不到预期效果。针对这些问题，根据射孔爆轰后产生的射孔在套管同一横截面的套管壁上形成按圆周分布的孔眼，多个孔眼及其对应的地层中的孔道在地层形成了沿井筒径向的应力集中，利用该应力集中引导压裂，使裂缝向井筒径向扩展，以控制裂缝走向的设计思想，设计出特殊定面射孔器。试验验证结果表明，该定面射孔器能够满足油田后期的致密油、薄油层、需要进行分段压裂的常规油藏及非常规油气藏的开发要求。

射孔器；页岩气；起裂压力；定面

随着涪陵页岩气开发的不断深入，二期产建区将成为未来开发的重点，新建开发区域构造变化复杂，主要表现在：构造更加复杂、地层产状陡且变化快、埋深加大（垂深超过3 500m）、岩石力学参数变化[1]等。针对涪陵页岩气井地层破裂压力高、水力压裂时施工泵压高，使得致密油藏压裂增产措施无法实施，或者达不到预期效果等问题，本文从射孔与水力压裂关联机制进行研究，设计开发出适合涪陵页岩气压裂开采的定面射孔器材，试验显示，此种射孔器能够有效降低地层破裂压力。

1 射孔与水力压裂关联机制

射孔方案是影响压裂改造效果各因素中的人为可控性因素。射孔孔眼为井筒和储层之间提供一种连通方式，在水力压裂施工期间，射孔孔眼也是向地层输送压裂液体的通道。水力裂缝从射孔孔道起裂、发展，因此，射孔序列与裂缝方位的关系是页岩气射孔方案中最重要的部分。在射孔方案设计中，射孔参数的选择对压裂施工的质量有很大的影响，应当综合考虑孔眼大小、射孔深度、孔密、射孔相位、射孔方向等因素，降低近井筒摩阻损失，同时控制多条裂缝的产生与延伸，提高低渗透/致密油藏压裂改造效果。Pinnacle公司的Minner, W.A., Wright, C.A等人研究表明[2]：受分层地应力和射孔方案影响，纵向裂缝扩展形态差异明显。如图1所示，当采取不限流射孔方案时，由于油层上部地层地应力较低，裂缝主要沿上部地层扩展；采取均匀分布限流时，各射孔端部均产生破裂，形成多个破裂小缝；采用多点限流措施时，在上下部岩层及储层均产生破裂；采用储层局部点源射孔方式时，液流量集中，形成主裂缝扩展。

图1 射孔相位角控制井筒局部裂缝链接

对于已知裂缝平面的情况，采用180°相位定方位射孔，可以大大减少射孔孔眼摩阻和提高压裂施工处理效果。如果不能保证定向射孔精度，孔眼和主裂缝平面夹角最好不要超过30°。如果裂缝平面方位未知或射孔枪定向不具备条件时，推荐使用60°相位角。通过对射孔参数的合理选择，不仅可以降低破裂压力、减少裂缝弯曲摩阻，还可以提高压裂的成功率。

对于大斜度井，裂缝的起裂、雁行裂缝的连接以及裂缝的重定向直接与射孔参数关联，因此，射孔参数的选择更为关键。如果井筒正好位于主裂缝平面，采用垂向180°相位定向射孔最佳，或者180°定向到井筒最小周向压应力方向。对于大位移水平井（井倾斜角大于75°），如果井筒走向与主裂缝面夹角较大，推荐采用分段集中高孔密多相位射孔，每段集中在1m范围内，通过有效层段封隔工具，可以实现水平井多裂缝系统生产[3]。

2 定面射孔方法与装置

2.1 定面射孔方法

定面射孔方法与装置是根据需要实施作业的储层特性，确定射孔作业要满足的对地层开孔的数量，在射孔装置中按预定的角度设置多发射孔弹，射孔爆轰后产生的孔道在套管同一横截面的套管壁上形成按圆周分布的孔眼，多个孔眼及其对应的地层中的孔道在地层形成沿井筒径向的应力集中，利用该应力集中引导压裂，使裂缝向井筒径向扩展，以控制裂缝的走向。在垂直于最小主应力的平面上形成多个孔眼，孔眼排布可形成沿井筒横向的应力集中，能够有效控制裂缝走向，降低地层破裂压力。压裂时的裂缝走向沿井筒横向扩展，避免段与段之间压裂裂缝的交叉串通，提高缝网系统的完善程度，提高产能。定面射孔方案如图2所示。通过预设射孔弹角度，使射孔弹产生的射流在固定圆周位置形成横向圆周，诱导压裂。定面射孔器由射孔枪体、弹架、射孔弹、导爆索组成。

2.2 射孔枪体设计

2.2.1 设计准则

采用射孔枪内特殊的分簇布弹方式，每簇为3发或6发弹，可依据压裂裂缝方位要求个性化定面布孔设计，射孔后形成特定的压裂通道；射孔枪内分簇布弹的簇数可按照单井的水力压裂设计要求配套设计；射孔枪枪体盲孔与布弹方式匹配，保证射孔枪体影响射孔弹的穿深程度保持一致；选用射孔枪体通用32CrMo4材料；盲孔形状和布局设计射角相位一致，以簇为单位，按照相位循环。

2.2.2 主要指标

枪身外径：89mm，95mm，102mm，127mm；耐温指标：160℃/48h；耐压指标：140~160MPa。

2.3 弹架设计

根据地层要求设计弹孔的相位布局和射角，通过弹孔的相位布局和射角确定弹架上弹孔的相位排布和几何尺寸，射孔弹装配至弹架上，通过导爆索串联，由射孔弹、导爆索、弹架组成的弹架组件放于射孔枪体内，构成定面射孔器，如图3所示。通常弹孔满足每簇3发或6发弹相位设计和定面圆周尺寸的射角设计，最终实现装弹效果与定面布孔设计的一致。

图3 四相位定面射孔器

2.4 射孔弹的选取

使用特殊研制的超大孔径聚能射孔弹，能够保证尽可能大的水力压裂泄流面积，实现降低起裂压力、促进有效缝网形成及延伸的目的。孔径不小于15mm，穿深不小于500mm。

3 定面射孔对套管损伤分析

为保证定面射孔后套管的安全性，利用ANSYS分析套管定面射孔与常规螺旋排布射孔后套管强度的下降值，对比分析定面射孔后套管的安全性。如图4所示，套管为60°夹角形成孔眼。

图4 套管射流形成角度

套管在定面射孔开孔后，其抗挤毁强度的下降值与螺旋布孔的40孔/m的高孔密射孔后相当，分析结果见表1，由多年的现场经验可知，螺旋布孔的40孔/m的高孔密射孔套管强度能够满足现场施工要求，由此可知定面射孔可以满足水力压裂的要求。

表1 螺旋布孔高孔密射孔与定面射孔套管强度对比

Tab.1 Comparison of casing strength between helical high density perforating and oriented side perforating

4 定面射孔穿套管可靠性验证

为检测定面射孔器横向射流定面效果，采用射孔器地面抗爆试验方法进行验证。该方法是为验证射孔器整体抗爆性能以及射孔参数而建立的一种常规测试方法，如图5所示。

图5中试验套管采用J55钢级套管，外浇注237mm厚水泥环成型，表层采用6mm厚钢管焊接加固。图5中的钢板与沙袋用于防止射孔瞬间的射孔器上窜，通过导爆索点燃定面射孔器中的射孔弹，观察射孔后内套管的损伤情况、外套管的定面效果。

试验数量：1次；试验条件：射孔器外径89mm；有效枪长1 000mm；布弹方式：临孔夹角45°/0°；共12发（3孔1簇、共4簇）；内套管参数：规格5 1/2”，长度1 450mm，钢级N80，壁厚10.80mm；外套管参数：外径635mm，长度1 500mm，壁厚10.00mm。

图5 试验方法示意图

Fig .5 Test methods diagram

内套管试验结果如图6所示，外套管试验结果如图7所示。由图6~7可以看出，定面射孔技术可将射流定在设计直径的横向射流面位置，能够满足垂直井筒截面上射流孔形成预应力，便于后续的压裂裂缝沿着预定方向扩展的效果。

图6 内套管试验结果图

图7 外套管试验结果图

5 结语

定面射孔技术改变了传统的螺旋排列的射孔方式，使射孔弹按照簇的方式排列，射孔后垂直井筒截面上射流孔形成预应力，使后续的压裂裂缝沿着预定的方向扩展，提高了压裂效果和单井产量，特别适用油田开发后期的致密油、薄油层、需要进行分段压裂的常规油藏及非常规油气藏，经济社会效益显著。

[1] 刘晓明.涪陵页岩气藏岩石破裂机理分析[J]. 长江大学学报(自科版),2017(08):46-50.

[2] C.A.Wright, E.J.Dacis, L.Weijers. Downhole tilimeter fracture mapping: a new tool for directly measuring hydraulic fracture dimensions[J]. Society of Potrolcum Engineers,1998(03): 1-14.

[3] 姜浒,刘书杰,何保生,陈勉,张广清.定向射孔对水力压裂多裂缝形态的影响实验[J].天然气工业,2014(02):66-68.

Oriented Side Perforator Used for Reducing Fracture Initiation Pressure in Deep Shale Gas Well at Fuling

ZHANG Bo

(Logging company of Sheng Li Oilfield Service Co. Ltd., Dongying, 257000)

Aimed at issues of the impracticability or fail of prospective result of dense reservoir fracturing simulation in Fu ling shale gas oilfield, caused by high fracturing pressure of formation and high pumping pressure during fracturing, based on the thought of controlling fractures direction that uses stress concentration to lead fracturing, so as to adjust fractures spread radially towards wellbore, the stress concentration which is formed by holes on same lateral section of casing after perforating and produced channels, the specific oriented side perforator was designed. By test verification, the oriented side perforator is capable of development requirement of conventional and unconventional oil reservoir in dense and thin formation.

Perforator；Shale gas；Fracturing pressure；Oriented side

TJ45+9

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.06.014

1003-1480（2017）06-0054-04

2017-11-09

张波（1971-），男，高级工程师，从事测井射孔及资料解释工作。