定方位射孔技術研究及應用

梁擁華

摘 要:目前,油田鉆通油氣層后大部分采用下套管射孔完井進行油氣開采,其目的是射穿套管、水泥層和地層內一定的深度,建立井筒與目的層之間的通道,進行試油或求產。射孔作為石油勘探開發中的重要環節,不僅關系到油氣井的產能,而且還會對后續增產改造措施的效果產生重大影響。常規射孔孔眼的方向是隨機的,因此無法滿足一些特殊情況對射孔施工的要求,而定方位射孔技術是一種可以進行井下有方向性射孔的新型射孔工藝技術,其利用油管輸送射孔管柱的方式,在起爆器與深度短接之間接入一定方位短接,通過測量定方位短接上方位鍵的方位來確定射孔彈穿孔的方位。定方位射孔技術應用于需壓裂完井的井時,通過實現最大主應力方向的射孔,可有效降低地層破裂壓力和地面施工壓力,提高壓裂效果。對于施工井附近存在斷層需避開、地層存在天然裂縫希望與射孔孔眼溝通等特殊情況時,該技術均可成為有效的輔助手段。

關鍵詞:射孔技術定方位短接方位鍵主應力壓裂

中圖分類號:TE2 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)06(b)-0011-02

射孔完井是油田開發過程中的一個重要環節,射孔效果的好壞關系到油氣井的產能,還會對水力壓裂等后續增產改造措施的效果產生重大影響。隨著油田勘探開發工作的不斷深入,勘探開發地層的條件越來越差,井況也更加復雜,對射孔完井技術也提出了更高的要求。現代射孔完井技術不僅要準確打開油氣層,還要保護油氣層,最終要解放油氣層,而且還要降低施工成本,簡化施工工藝。

1 直井定方位射孔工藝技術研究

定方位射孔技術是一項新的射孔工藝技術,在許多國家的各大油氣田廣泛采用該項技術,取得了顯著的應用效果。本章介紹的直井定方位射孔技術是在將陀螺測斜技術與射孔技術進行有機結合并且改進常規的油管輸送式射孔管柱的基礎上,開發出的一種可以進行井下定方向性射孔的新型射孔工藝技術。

1.1 定方位射孔

定方位射孔是近年發展起來的一種新型的油管傳輸射孔技術,是對常規射孔工藝的完善和補充,該技術可以解決裂縫性油氣層常規射孔孔眼有效率低和壓裂彎曲摩阻大的問題。定方位射孔技術可以根據需要控制孔眼的朝向,使射孔彈只沿著確定方位發射,在提高水力壓裂效果方面具有良好作用。定方位射孔的技術關鍵是定方位,在確定地應力方向之后,依靠井下方位測量儀、槍身定位短節和專用連接頭以及地面監測系統,通過調節管柱,使射孔方位與地層最大主應力方向保持一致,射孔后可減小壓裂彎曲摩阻,降低啟動壓力。定方位射孔一般可分為:電纜射孔和油管輸送式射孔。本論文重點敘述了油管輸送定方位射孔的工藝原理及其施工狀況。

1.2 直井定方位射孔技術原理及工藝流程

1.2.1 基本原理

直井定方位射孔是在常規的油管輸送式射孔管柱的基礎上,在起爆器與深度短接之間接入一定方位短接,該定方位短接有一與射孔彈穿孔方位一致的定位鍵作為方位的標志。將管柱下入井內,達到預定深度后,用電纜攜帶自然伽馬和磁性定位儀下入油管中射孔槍的頂部,通過定位短接磁性測量及地層放射性測量確定目前管柱所對應的射孔深度,并與設計要求射孔深度進行比較,調整管柱從而進行射孔深度定位。隨后用電纜將帶有導向裝置的定方位儀下入油管中進行方位測量。測量方位時定方位儀的導向裝置與管柱定方位短接的定位鍵吻合,彼此相對固定,測量定位鍵的方位,該方位也是射孔彈穿孔的方位。定方位儀中水平安裝的一只重力加速度傳感器感受儀器的傾斜度,將信號經電壓-頻率轉換后,以脈沖形式傳輸到地面,經計算機系統加工處理后,實時得到射孔槍的相對方位。若測量的方位與目的方位不一致,則需轉動管柱調整方位,直到測量方位與目的方位的誤差在誤差允許范圍內,然后起出方位儀,最后進行射孔點火。

1.3 定方位射孔系統研究

1.3.1 井下儀器系統

(1)動力調諧式陀螺測斜儀

動力調諧式陀螺測斜儀是一種非液浮的彈性支撐的精密二自由度陀螺儀、它是由結構新穎的撓性接頭支撐代替常規的滾珠軸承或液浮支撐而構成的自由轉子陀螺,它利用接頭平衡環振蕩產生的動力效應來消除接頭細頸對陀螺轉子的彈性約束,從而達到動力調諧。

為了有效的磁屏蔽,儀表外殼用軟磁材料制造并用電子束進行連接密封,陀螺儀體內充以0．1壓力的氦氣,使陀螺具有一定的性能精度指示。動調撓性陀螺的特點是結構簡單、體積小、重量輕、制造容易、精度高、可靠性好。是慣性導航與制導以及其慣性定位系統中被廣泛應用的一種慣性器件。陀螺測斜儀由減震器、慣性體、陀螺電路艙、電源艙、微機艙、磁定位器、馬龍頭等幾個部分組成.

陀螺測斜儀的核心部件就是慣性測量組,它包括一個雙軸動力調諧陀螺,一個WZ(溫度)傳感器和三個石英加速度計,它們在設計上采用捷聯式機械編排,因此必須設計具有精密定位基準的慣性體,陀螺和加速度計通過定位面直接安裝在慣性體上,組成慣性測量組件,該組件通過一對軸承被支撐在外殼上。慣性體組件由對轉控制機構在測量點上的0°和180°上定位。慣性體組件的旋轉軸與井下探管軸重和,通過探管扶正器又可認為與井筒軸線平行。動力調諧陀螺和加速度計都工作在力反饋狀態,陀螺測量地球自轉角速率分量,加速度計測量重力加速度分量。所測信號經采集編碼通過單芯電纜送至地面儀器,經計算機解算可得出井筒的傾斜角、方位角和工具面角等參數。

1.3.2 地面測量系統設計

地面測量系統由主機和測控接口箱組成。地面測控接口箱通過單芯射孔電纜向井下的陀螺測斜儀供直流電源,啟動井下儀工作。操作人員在筆記本電腦菜單操作,通過測控接口箱向下發出測控命令并接收井下儀上傳的測量數據,經過計算實時顯示測量結果,并建立存盤文件。測控接口箱由220V,50Hz交流電源供電;采用曼徹斯特碼進行解碼;井下儀供電:恒壓／恒流直流電源一組,0～200V／450mA;紋波小于100mV;輸出方式:極性可選,電壓、電流連續可調,短路保護。其組成見圖1。

1.4 現場應用

采用定方位射孔工藝技術共計完成了15井次的推廣應用,一次成功率達到100%。14井次定方位射孔的定位精度為-3.83°～+6.93°,平均誤差±1.62°,達到了設計要求(±10°)的精度。

樊170井采用了定方位射孔工藝技術,樊143井和樊167井采用普通油管輸送工藝技術。三口井的壓裂施工參數如表1所示.

試驗分析:樊143井和樊167井采用傳統工藝進行射孔,產生的射孔孔眼方向隨機分布,無效孔眼的存在使壓裂時產生扭曲效應,導致壓裂施工時破裂壓力、施工壓力以及停泵壓力遠遠大于采用定方位射孔的樊170井。

采用定方位射孔工藝技術,射孔方向與地層最大主應力方向一致,將壓裂能量集中于有效射孔孔眼,使壓裂裂縫沿射孔孔眼方向順暢延伸,從而達到了提高壓裂效果的目的。

樊170井,樊143井和樊167井處于同一區塊,采用定方位射孔工藝的樊170井與其它兩口常規射孔井相比,壓裂施工的三種壓力均較大幅度下降,壓裂前三口井的產量基本相同,但樊170井壓裂后的產能比樊143井和樊167井提高了7倍以上。樊170井定方位射孔的成功應用,說明了針對需要進行壓裂改造的儲層,定方位射孔技術能夠達到很好的射孔效果。

總之,“直井定方位射孔工藝技術”的開發成功,改進了射孔管柱、陀螺方位儀的連接方式及性能,完善了直井中實施油管輸送射孔技術。通過應用效果分析,采用定方位射孔技術,在一定程度上提高了油井的采油強度,注水井的注入強度,并在水力壓裂時,降低了地面施工壓力,提高了水力壓裂的效果。但當井斜超過一定程度時,由于無法旋轉管柱調整方向,導致定方位失效,故此技術只適用于直井或小斜度井。

2 基本結論

通過本文對定方位射孔工藝技術研究,可以得到以下基本結論:

(1)應用慣性導航理論,將動調式撓性陀螺應用于射孔方位確定,方位測量準確;

(2)設計的導向裝置,使定位鍵可靠進入導向槽,同時為了防護井下定方位儀器受較強的沖擊,該裝置還具有一定的緩沖作用。

(3)設計的定方位射孔器射孔槍身的兩端,在與盲孔方向一致處,加工兩個定位槽,與槍身連接器配合使用。

(4)槍身連接器的兩端加工定位螺絲孔,與射孔槍身配合,使上下兩柱槍保持射孔方向一致。

(5)油管輸送定方位射孔工藝技術適用于直井定方位射孔施工。經現場20井的應用證明,該技術能夠降低水力壓裂啟動壓力,提高采油強度,具有廣闊的推廣應用前景。

參考文獻

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