玛湖油田砾岩储层射孔技术研究

郭长永,曹瑞国,刘敬伟

(1.中国石油新疆油田公司工程技术研究院,新疆克拉玛依834000;2.大庆油田射孔器材有限公司,黑龙江大庆163000)

0 引 言

射孔孔道不仅能为油气流通提供通道,同时在套管上的孔眼也是水力压裂增产作业中支撑剂、携带液的入口[1]。因此,射孔器在储层岩石中的有效穿孔深度及孔道特性是影响后续压裂施工及油气井产能的重要因素[2]。

玛湖油田作为世界上最大的砾岩油田[3],迄今为止累计落实三级石油地质储量12.4×108t[4],玛湖油田已经成为当前中国最为现实的增储上产接替区。玛湖油田砾岩油藏储层地质条件较为特殊[5],砾石含量在50%以上,多数砾石粒度在8～32 mm,砾石以凝灰岩与花岗岩为主,矿物成分以石英为主,硬度较高,最小主应力50～58 MPa[6]。砾岩储层对射孔弹的金属射流形成复合装甲效应[7],极大地影响了穿孔深度及孔道状态。天然砾岩取心不能获取完整砾岩靶体,且砾岩取心中砾石含量及粒度不稳定,不能作为标准靶达到定量试验分析目的,目前还没有模拟砾岩储层的标准人工靶体。

射孔弹应用炸药破甲原理,用高速金属射流在靶体中进行穿孔。混凝土标准靶制作方法中,采用的石英砂粒径小于1.6 mm,可认为混凝土标准靶是均质靶。目前检测及试验用的其他钢、铝、天然砂岩等各种靶体也都是均质靶性质。

图1 采用SDP39型与SDP40型射孔弹射孔后压裂压力及排量对比图

射孔器给定的穿深及孔径参数采用国标标准,混凝土标准靶制作采用射孔器材国家标准(GB/T 20488—2006)及美国石油学会(American Petroleum Institute,API)标准,给定的参数为86/89型射孔器适配5.5 in套管(钢级L-80,标称壁厚7.72 mm)或5 in套管(钢级L-80,标称壁厚7.52 mm)制作的混凝土标准靶检测数据。玛湖油田水平井由于特殊地质状况油层套管多数采用5 in套管(钢级TP-125V,标称壁厚11.1 mm)完井,砾岩储层为非均质复合靶性质,与混凝土标准靶性质差异较大;同时高钢级厚壁套管也影响射孔孔眼大小及穿深,玛湖砾岩储层的实际射孔穿深及套管孔径与现有混凝土标准靶检测数据相差较大,影响了射孔器材研发试验及射孔优化效果。

受复合装甲效应、高钢级厚壁套管及小井筒等因素影响造成射孔器炸高不足,导致射孔效果不佳,射孔后直接压裂施工泵压高,需酸化处理后才能压裂开。这不但增加了单井作业成本,还延长了压裂施工作业时间。因此,针对高钢级厚壁套管及砾岩储层对射孔孔径及穿深的影响展开研究。

1 前期试验情况

1.1 玛湖油田砾岩油藏水平井射孔弹对比试验

2018年10月,采用大庆油田射孔器材有限公司的SDP39型射孔弹在玛湖油田进行了水平井射孔试验,玛湖油田正常射孔使用的是SDP40型射孔弹。二者性能参数对比见表1,穿深及孔径指标显示SDP39型射孔弹更好。

表1 射孔弹对比试验参数表

图1为SDP39型射孔弹与在用的SDP40型射孔弹射孔后压裂压力及排量对比图,试验对比了6段射孔段。在同样的射孔工艺参数下,应用SDP39型射孔弹射孔的压裂段与SDP40型射孔弹相比,压裂启泵压力稍有降低,试挤及替酸时排量有明显提高,平均排量达到2.6 m3/min,提高40%左右,有个别井段具备不加酸直接压裂施工工艺条件(排量>5 m3/min)。

通过现场试验,我们认为增加射孔弹穿深及孔径对砾岩储层压裂能起到一定的效果。但是现有射孔弹产品没有针对砾岩储层及特殊油层套管进行优化设计,地面试验时采用均质靶及常规套管,需要对射孔弹进行有针对性的设计。

2 高钢级厚壁套管对孔径及穿深影响试验

2.1 86型/89型射孔器适配不同套管工艺参数对比

玛湖油田砾岩储层水平井采用86型20孔/m、相位角60°的射孔器,选用5 in油层套管(钢级TP-125V,标称壁厚11.1 mm,实测可以达到11.4～11.8 mm)。表2为86型/89型射孔器适配不同套管时工艺参数变化情况。

表2 试验射孔弹装不同射孔器匹配不同套管尺寸参数 对比表

2.2 86型/89型射孔弹适配不同套管穿深及孔径变化试验对比

为了明确射孔弹对高泵压的影响因素,试验对比大庆油田射孔器材有限公司DP系列(深穿透)及SDP系列(超深穿透)2种型号射孔弹穿深变化情况(见表3)。玛湖油田选用射孔参数时,由于水平井5 in油层套管内径较小,为了安全只能选择86型射孔器,枪身内径较小,导致一样的射孔弹枪内炸高变小。射孔弹炸高变小、套管钢级和厚度增大对穿深及孔径产生较大负面影响。

DP41-1型射孔弹穿深减少了40%,穿深降低较大,原因在于其射流携带的动能较低,穿透套管过程中射流动能损失比例较大。SDP40-1型射孔弹药型罩中高密度金属(钨等)含量较大,同时SDP40-1型射孔弹优化了药型罩结构及装药结构,提高了射流整体速度,射流携带的动能较高,穿透套管过程中射流动能损失比例较低。为了试验更有针对性,后续试验套管均采用5 in套管(钢级TP125-V,标称壁厚11.53 mm)。

表3 薄厚壁不同钢级套管穿深及孔径对比试验结果

2.3 药型罩配方对比试验

为了探究高密度金属含量对射孔弹射孔参数的影响,进行了药型罩配方试验。不同药型罩配方,在高钢级厚壁套管上孔径及穿深差异很大,但并非高密度金属含量越高越好,而是需要合适的配比。

设计了3种不同的药型罩配方,和SDP40-1型射孔弹药型罩正在使用的1号配方进行对比,试验后得到的穿深及孔径试验结果见表4。1号配方在套管上形成的孔眼呈梯形孔,入口小,出口大,射流径向能量不足;2号配方综合性能较好,穿深较深,同时孔眼形状效果最好,射流能量没有浪费在套管上,形成的孔道为规整的圆柱型,在新研发的试验弹上最终采用该配方;3号配方加入了较大比例的铋粉、钼粉,孔眼出口外翻过大,能量浪费严重,穿深降低(见图2);4号配方中钨含量达到70%,但是其他高密度金属含量少,孔径最小。

表4 不同药型罩配方穿深及孔径对比试验(靶强55 MPa) 结果

图2 不同药型罩配方孔径对比图

3 砾岩储层对射孔弹穿深影响

3.1 制作砾岩靶

根据玛湖油田取心样块统计,玛湖油田砾岩粒度分布范围为2～64 mm,细砾岩(粒度2～8 mm)较少,多数砾岩粒度为8～32 mm。根据取心统计,储层以砾石为主,占51.1%～57.1%,砂质成分36.9%～44.6%,砾石成分中以凝灰岩为主,其次为花岗岩。根据砾岩特性制作了砾岩靶,选取10～30 mm鹅卵石,分成3个目数段进行配比,其余成分比例应用混凝土标准靶制作工艺。

3.2 砾岩靶对比试验

砾岩靶达到养护周期、强度趋于稳定后测试抗压强度为52～62 MPa,选取性能较为稳定的DP41RDX25-1型射孔弹作为标准弹,砾岩靶射孔平均穿深285 mm,标准偏差小于35 mm。在混凝土标准靶检测中,射孔弹平均穿深739 mm,标准偏差87 mm,平均孔径9.9 mm。和混凝土标准靶相比砾岩靶偏差较小,一方面是由于射流穿砾岩靶平均穿深较小;另一方面是由于制作砾岩靶时砾石经过粒度及成分筛选,严格按照储层粒度特性进行配比。射孔弹在砾岩靶穿深较为稳定,可以作为砾岩标准靶进行试验,同时试验数据也表明,砾岩靶极大地影响射孔弹穿深性能。

在SDP39-1型射孔弹装药结构基础上,重新进行射孔弹药型罩结构优化设计,应用新型药型罩配方,通过数值模拟以及试验验证得到优化产品SDP39-M型射孔弹。地面试验时,SDP39-M型射孔弹适配5 in高钢级厚壁套管,API混凝土标准靶穿深867 mm,砾岩靶穿深及孔径数据见表5。SDP39-M型射孔弹相比SDP39-1型射孔弹射孔平均穿深提高30.3%,平均孔径提高12.5%。

表5 砾岩靶穿深及套管孔径对比表

3.3 现场试验

2019年10月在玛131井区3口同平台井进行多段多簇水平井射孔压裂试验,MH1319井深5 375 m,MH1318井深5 225 m,MH1317井深5 205 m。MH1319井第8～17段、MH1318井第16～29段共24段采用SDP39-M型射孔弹(试验弹),其余对比井段全部采用SDP40型射孔弹(常规弹),API混凝土标准靶穿深大于850 mm。由于玛湖油田在试验时已开始上冻,为加快施工进度,多数井段试挤压力在60～75 MPa就进行了加酸处理。该次试验重点分析在压裂初期试挤阶段射孔孔道的进液量与压力的关系及压裂作业时间变化,酸进入地层后的变化不做分析(见表6)。MH1319井同时进行压裂液量试验,设计进液量与玛湖油田标准压裂工艺相比提高40%,在试挤阶段不加入滑溜水,压裂作业时间较MH1318井及MH1317井长。因此,通过对比MH1319井试验段与正常作业段数据,可以看出,采用试验弹的射孔段试挤压力降低5.4%、加酸比例降低12.1%、排量提高44.7%,不计算缩短的泡酸时间,应用试验弹的射孔压裂段平均每段压裂作业时间缩短33 min。

表6 同平台3口井压裂数据对比表

MH1318井应用SDP39-M型试验射孔弹压裂段与该井正常射孔压裂段对比,同时也与同平台的MH1317井射孔压裂段(全部使用SDP40型常规射孔弹)进行了对比,压裂工艺按照玛131井区标准施工工艺进行,试挤阶段加入滑溜水。如图3所示,应用SDP39-M型试验射孔弹压裂段试挤压力平均降低5.5%,加酸比例降低12.7%,平均试挤排量提高113.5%,不计算缩短的泡酸时间,平均每段压裂作业时间缩短39 min。采用试验弹射孔的压裂段比采用常规弹的射孔段压裂作业时间平均缩短22.4%,同区块正常作业单段射孔-压裂作业总体耗时约5.22 h,单口井(按30段计算)耗时6.5 d。如果全部应用试验弹单口井可缩短一天的作业时间,较大幅度提高了压裂效率。

图3 MH1317井及MH1318井试挤压力、排量及压裂时间对比图

4 结 论

(1)本文进行了射孔弹适配不同套管及砾岩靶射孔对比试验,验证了玛湖油田砾岩储层及高钢级厚壁套管对射孔弹穿深及套管孔径产生的影响。设计制作了砾岩靶,能有效针对砾岩储层设计优化高性能射孔弹产品。通过现场试验验证射孔弹性能变化在砾岩储层对压裂的影响,压裂试挤压力在60～75 MPa的情况下,试挤排量达到4 m3/min,已接近不加酸直接压裂施工的工艺条件。从试验效果看,在降低压裂初始泵压的情况下增大排量,减少了压裂时泡酸段数,有效缩短压裂施工时长,取得较好射孔效果。

(2)伴随油气勘探开发领域的不断深入,射孔和地质及压裂等完井工艺结合不断加强,建立在岩石物理和油藏地质条件下的射孔检测技术逐步发展。随着中国致密油气等资源开采增加,针对油田特殊区块、特殊地质状况进行单独的射孔弹优化设计将越来越受到重视。