定向分簇射孔技术在煤层气水平井的应用

杨登波, 陈锋, 唐凯, 陈华彬, 任国辉, 李奔驰

(1.中国石油川庆钻探工程有限公司测井公司, 重庆 400021;2.中国石油集团公司测井重点实验室射孔技术研究室, 四川 隆昌 642150)

0 引 言

煤层气开发井逐渐由直井向水平井发展,但煤层原始孔隙度和渗透率低[1-2],一般采用分段压裂进行裂缝复杂化改造,以优化开发效果。煤层气水平井分段压裂前,须先进行分簇射孔,但煤层抗拉及抗压强度低、弹性模量小、泊松比小,易破碎和坍塌[3-5],采用常规螺旋射孔后进行水力压裂,射孔震动、压裂液的高压高速突进、支撑剂的打磨等易引起顶部煤层垮塌、产出大量煤粉。煤粉会堵塞天然裂缝或支撑剂充填孔隙,导致煤层渗透率降低,产能衰减;煤粉还会引起卡泵和频繁的检泵作业,从而破坏排采过程连续性,影响产气潜力[6-7]。因此,煤层气水平井分簇射孔提出了定向需求,即射孔方位避开水平段顶部,避免压裂裂缝在煤层顶部扩展以及支撑剂返吐。此外,定向分簇射孔还能减小煤层压裂裂缝弯曲程度,降低压裂摩阻。

传统的水平井定向射孔主要采用油管传输方式,不具备分段分簇功能。为适应煤层气水平井分段压裂改造及减少煤粉产出和支撑剂返吐的需要,研制了电缆泵送定向分簇射孔技术。

1 工艺技术设计

(1) 分簇选发设计。定向分簇射孔器的弹架是动态转动的,为保证点火通线连接可靠而不受弹架转动影响,分簇选发设计将控制分簇点火的电子选发器和雷管一起封装在弹架中随弹架一起转动。

(2) 密封与绝缘设计。定向分簇射孔要保证上一簇射孔枪发射后其他未点火射孔器的密封和绝缘可靠。定向分簇射孔器靠双公接头满足簇间连接,并采用密封圈和密封绝缘引线柱实现簇间密封、导电、绝缘功能(见图1)。

图1 定向分簇射孔器簇间密封及绝缘设计

(3) 定向结构设计。利用偏心配重定向原理,在弹架内设置偏心配重块并在弹架两端加装轴承来控制定向分簇射孔器弹架的重心,再根据射孔相位需要布置装弹孔,从而实现射孔弹射流方向的定向。

(4) 动态导电设计。电子选发器在随弹架动态转动时,要求接地、绝缘、导电正常可靠,为此设计了射孔器簇间动态导电机构(见图2),并进行了功能性试验,可保证弹架转动过程中射孔器簇间密封可靠并能实现寻址检测及点火信号正常导通。

图2 定向分簇射孔器动态导电机构

(5) 射孔弹优选。煤层易破碎垮塌,因此其钻井井径扩大率较大,固井水泥环较厚,容易导致射孔有效孔眼少或孔径小,进而产生较大的孔眼摩阻,导致压裂施工压力过高或加砂困难,为此,煤层气水平井定向分簇射孔选用性能优异的先锋弹。

(6) 扶正接头设计。水平井射孔,射孔器在套管中处于偏心状态,以射孔相位为0°、180°、240°和300°89型定向分簇射孔器在Φ139.7 mm×7.72 mm套管内射孔为例,套管上的射孔孔眼分布范围为147°,为尽可能地扩大孔眼分布范围,增大储层压裂改造体积,同时考虑管串最大外径对水力泵送的影响,在定向分簇射孔管串中设计了Φ106 mm扶正接头(见图3)。加装扶正接头后套管上的射孔孔眼分布范围为163°,储层压裂改造范围扩大10.88%。

图3 扶正接头对射孔孔眼分布范围的影响

2 定向分簇射孔仿真分析

使用流体-结构耦合仿真技术,对比分析煤岩0°、180°、240°和300°相位定向分簇射孔和60°相位螺旋射孔在压裂时的应力分布,煤岩物理参数见表1[8]。煤岩有限元模型厚1 m,外径1.5 m,内径0.14 m。以89型射孔器的性能参数为标准建立射孔孔道,穿透深度950 mm,孔径10 mm。

表1 煤岩物理参数

对煤岩模型划分六面体网格,然后采用Fluent对其进行流体力学仿真,得到压裂液在井眼和射孔孔道内流动产生的压强(见图4)。其中定向分簇射孔模型的最大压强为59.38 MPa,螺旋射孔模型的最大压强为44.32 MPa。

图4 压裂液在井眼和射孔孔道内流动产生的压强分布

在流体载荷的基础上,对井眼和射孔孔道表面加载60 MPa压力,煤岩模型加载15 MPa围压,上下端固定约束,进行流体-结构耦合分析(见表2),定向分簇射孔模型射孔孔道内的应力明显大于常规螺旋射孔。同等压裂条件下孔眼应力越大意味着煤层破裂越容易,因此,定向分簇射孔比螺旋射孔更有利于煤层气水平井的压裂增产改造。

表2 2种射孔模型压裂时井眼及孔道应力分布

图6 X-P2井和X-P3井第1段压裂过程对比

3 定向分簇射孔技术现场应用

3.1 应用概况

定向分簇射孔技术在煤层气水平井应用34井次,成功率100%。为对比定向分簇射孔与常规螺旋射孔在煤层气水平井的应用效果,以同区块位置相邻的X-P03井和X-P02井为例进行说明。2口井均为钻达二叠系山西组5号煤层的L型水平井,其中X-P03井水平段为1 090～1 956 m,采用89型定向分簇射孔孔密为12 孔/m,相位为0°、180°、240°、300°;X-P02井水平段为1 161～1 950 m,采用89型常规螺旋分簇射孔,孔密为12 孔/m,相位为60°(螺旋)。

检查X-P03井定向分簇射孔效果,发现各簇射孔枪的射孔孔眼相位高度一致,从射孔管串外壁的摩擦痕迹判断定向准确(见图5)。

图5 X-P03井定向分簇射孔效果

3.2 应用效果

3.2.1 压裂效果

图7 X-P2井和X-P3井第3段压裂过程对比

将X-P03井和X-P02井各段压裂情况进行对比,展示2口井部分井段的压裂曲线(见图6至图7),具体压裂情况对比见表3。明显地,在压裂排量相当的条件下,采用定向分簇射孔的X-P03井的压裂破压、压裂摩阻比螺旋射孔的X-P02井更小,压裂施工泵压更低,这与前面的仿真分析结论一致。

3.2.2 排采情况

采用定向分簇射孔的X-P03井压裂排液后产气达到13 400 m3/d,较常规螺旋射孔后的X-P02井9 800 m3/d的产气量高出36.73%,X-P03井排采过程中的煤粉产出及支撑剂返吐情况优于X-P02井,平均检泵周期较X-P02井延长7个月。

表3 X-P02井与X-P03井压裂效果对比

4 结 论

(1) 定向分簇射孔技术采用选发分簇、偏心配重定向、簇间动态导电等设计,解决了射孔器360°范围任意相位定向、簇间密封、点火信号簇间动态导通等难题,在煤层气水平井成功应用,定向分簇射孔器定向准确、簇间射孔孔眼相位一致。

(2) 现场应用表明采用定向分簇射孔的煤层气水平井的压裂破压、压裂摩阻比采用螺旋射孔的水平井更小,压裂施工泵压更低,与流体-结构耦合仿真分析结论一致。

(3) 定向分簇射孔技术在煤层气储层压裂增产改造、避免煤层垮塌、减少煤粉产出及支撑剂返吐、保证排采连续性等方面具有明显优势,目前已在多个煤层气区块推广应用。

参考文献:

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