多簇压裂井射孔技术研究现状及其发展方向

2024-04-11邓跃卢宇周贤东

石化技术 2024年3期

邓跃卢宇＊周贤东

重庆科技大学重庆 434000

射孔是压裂井高压液体作用与地层的连通渠道，射孔所形成孔眼的优劣对压裂裂缝起裂及扩展有着重要影响，将直接影响储层改造效果。随着射孔技术的发展，逐渐形成了螺旋射孔、定向射孔、定面射孔、限流射孔、极限限流射孔、等孔径射孔、分簇射孔等不同的射孔工艺技术来配合压裂进行施工作业。本文将简要介绍非常规油气藏多簇压裂中常用的分簇射孔、限流射孔技术的应用现状，并探讨其发展方向。

1 分簇射孔技术研究现状

1.1 分簇射孔技术

分簇射孔技术是针对非常规致密储层水平井分段压裂提出的一种新型射孔方法。在一个压裂段内，通过精确控制射孔位置，以一定射孔簇间距一次射开多个射孔簇，每簇形成多个射孔孔眼，以期在压裂时形成段内形成多条裂缝或者复杂缝网，进而最大化提升裂缝与储层接触面积，从而提高油气井产量[1-2]。分簇射孔施工过程中可以配合新型定向和定面技术如图1所示，在确定确定原地应力场方位后，利用裂缝优先垂直于最小水平应力扩展原理，通过改变射孔枪的角度和方向，在有利射孔方位射孔形成初始孔道，进而降低压裂过程中射孔起裂压力、提高射孔簇效率[2-3]。在精细化分段分簇优化压裂位置和射孔簇位置的基础上，利用定向射孔或定面射孔技术实现在不同方向上进行射孔，能满足非常规油气藏复杂地质特征条件下的射孔需求，当前已较好应用于页岩油气的开发。

图1 定向、定面射孔示意图[3]

1.2 极限限流射孔技术

多簇压裂过程中簇间诱导应力影响下，多簇间非均衡扩展严重，限流射孔可有效改善簇间干扰。Somanchi等人在2017年基于限流射孔基础上提出了极限限流射孔技术（XLE），即限制能让压裂液体通过的射孔孔眼数量，将簇间的限流射孔摩阻提高到1500 psi以上，显著提升井底施工压力，有效压裂开启各个射孔簇，可提高各簇起裂效率和裂缝均衡扩展程度。可实现避免部分射孔簇过早起裂或仅集中破裂某些射孔簇而造成的段内改造效果不佳的问题[4-5]。极限限流射孔技术中因射孔孔数有限，对适合的射孔孔径大小要求较高，在一定孔径条件下，根据压裂段内所需摩阻通过统一降低各簇射孔孔密或非均匀孔数布孔进行限流设计，实现段内更好的起裂、均衡裂缝扩展的压裂目的。

2 分簇限流射孔技术应用

射孔簇参数与多簇间的裂缝竞争起裂扩展存在显著关系，是分簇射孔技术的关键。射孔簇参数包括射孔簇位置、簇间距、射孔孔径、孔密、相位等。分簇限流射孔技术主要在其他射孔参数确定基础上展开孔数或孔径的优化限制。

2.1 限流射孔油田应用案例

XLE技术分为1.0和2.0两个阶段，1.0版本目标是找到每个压裂段的最大簇数量，同时仍能提供良好的射孔簇效率和裂缝改造均匀性。例如，在巴肯和三叉井地层中使用XLE技术进行分簇射孔，压裂段内设计30～32段，每段6～15簇，每英尺2～3孔，簇间距33英尺，以超过1500 psi的射孔摩阻设计。XLE 2.0设计压裂25～27段，每段8～20簇，每英尺1孔，超过1500 psi的射孔摩阻设计，簇间距低于30英尺。XLE 1.0射孔簇效率达到73%～95%，而XLE 2.0簇效率则为85%～100%，通过极限限流控制射孔簇摩阻的设计进一步提升簇效率低限[4-5]。射孔摩阻过高受到压裂泵组施工能力的限制，因此，需要考虑各射孔簇所有可能方向上的孔眼直径大小，能有效打开的孔眼数量与段内总孔数间的匹配关系。在Marcellus页岩油气藏中，常用射孔设计方案包括常规射孔设计、极限射孔设计、锥形射孔设计[5]。传统设计采用均匀射孔孔眼布置，以覆盖整个目标层段，然而这种射孔模式在该页岩地层中无法有效形成裂缝网络，从而限制了单井改造效果的提升。通过对比实验和数值模拟发现，极限限流设计可以提高簇效率，并在最大泵送排量下实现较好改造效果，但需结合极限限流摩阻需求，综合考虑射孔孔眼数量、射孔位置、孔径等影响，形成配套极限限流射孔参数。锥形设计通过在射孔孔眼周围形成锥形凹槽，增加了套管和地层中穿透的射孔孔眼的面积和流通能力，可有效提高压裂时裂缝的扩展效果和连接性，从而提高压裂改造效果。实践表明，该页岩地层中，段内10簇XLE设计比段内7簇锥形设计压裂效果表现更好，锥型射孔为该区块的射孔效率提升提供了新思路。然而，关于锥形和限流设计组合使用，在Marcellus页岩地层目前还需要进一步的研究和探索[5-6]。针对国内页岩气藏的开发中分簇射孔的应用，如长宁龙马溪组页岩气区块通常采用等孔径射孔，段内主体簇数6～8簇，簇长度0.5m，孔数控制在6～8孔/簇左右，配合暂堵压裂施工，目前逐步探索使用的差异化布簇射孔参数优化等尝试也取得了较好压裂效果。

2.2 限流射孔磨蚀

射孔孔径是分簇限流射孔技术中另外一个影响压裂改造效果的参数，Cramer等[7]人研究表明，在压裂段内射孔簇间支撑剂的分配存在跟趾偏差，即跟部较趾部射孔簇聚集了更多的支撑剂。压前孔眼形态和压后孔眼形态如图2所示，无论是采用极限限流射孔（XLE）还是锥形射孔设计，跟端射孔簇孔眼均模式更为严重。这可能是由于射孔枪套间隙差异、支撑剂流经跟端的更多或孔眼在跟部簇中的位置相对较低，造成压裂液携带支撑剂的冲涮和磨蚀。因此，在分簇射孔设计时需考虑磨蚀跟趾偏差冲蚀孔眼的问题。复杂储层地质特征条件下段内多簇压裂时，段内各射孔簇间力学差异、非均匀地应力差异显著，射孔孔眼磨蚀进一步加剧对多簇裂缝非均衡扩展的不利影响。尤其是在XLE和锥形射孔设计时，更需综合考虑跟部射孔簇中的孔眼磨蚀的影响，进一步优化分簇射孔参数设计，降低段内射孔簇的跟趾偏差和射孔孔眼磨蚀的不利影响，实现均衡支撑剂展布，从而提高压裂效果。

图2 压前孔眼形态和压后孔眼形态[6]

3 分簇射孔技术展望

分簇射孔技术在实践和应用中不断发展，其发展方向包括结合地质工程一体化技术，围绕提高多簇压裂改造效果，展开分簇射孔工艺和参数优化技术的提升。主要体现在结合目前发展迅速的大数据和人工智能领域技术，基于区块或单井获取的大量与储层质量和可压性相关的测井数据库，建立智能优化模型，展开精细化的分段分簇射孔优化。结合目标区块储层地质力学特征，采用分簇射孔优化配合多轮次暂堵压裂工艺优化。研发精准定向和定面技术、新型射孔工具、工艺及增效射孔弹型，降低射孔损伤、提升射孔孔道质量。另外，针对大规模压裂特别是憋压较高的限流射孔条件下套管损坏、套变极大影响了油井安全生产，优化分簇射孔参数合理降低分簇射孔起裂压力，防止套损、套变发生是当前深层页岩气压裂面临的重要问题。多簇射孔密切割压裂已成趋势，配合暂堵压裂促进多簇裂缝均衡扩展和储层改造最大化，探索优化射孔簇参数与多簇暂堵炮眼压裂参数的匹配关系也是当前研究热点之一。多簇压裂井射孔技术的提升将为进一步提高非常规油气藏和致密储层的压裂改造效果提供技术支撑。