低孔低滲油氣藏多分支水平井裸眼射孔工藝技術(shù)研究與應(yīng)用——以東海平湖油氣田BB5井為例

李三喜 田繼宏 閆 波 王奉赟 胡秉磊 孔 超

（1.中海石油（中國）有限公司上海分公司；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司監(jiān)督監(jiān)理技術(shù)公司； 3.中海油田服務(wù)股份有限公司）

低孔、低滲、低豐度是制約海上油氣田開發(fā)的重要因素。隨著油氣勘探技術(shù)的進步和油氣資源的不斷開發(fā)利用，低孔低滲砂巖油氣藏正成為世界油氣儲量增長和能源供應(yīng)的一支新生力量。然而，低孔低滲油氣藏的主要特點是儲層物性差、產(chǎn)能低或產(chǎn)能遞減快，利用常規(guī)的開采技術(shù)無法獲得較好的經(jīng)濟效益，必須利用先進的儲層改造技術(shù)才能最大限度地進行開發(fā)，從而達到經(jīng)濟效益最大化。加砂壓裂是目前國內(nèi)低孔低滲儲層改造的主要技術(shù)措施［1-2］。

低孔低滲一直是制約東海產(chǎn)能發(fā)展的重大難題［3］。由于低孔低滲油氣田的儲層致密，具有小孔隙、細喉道、低滲透、高毛管壓力等特點，因此在鉆井、完井、固井、修井及增產(chǎn)措施過程中極易受到傷害，進而影響油氣井的生產(chǎn)。另外，常規(guī)的壓裂改造儲層措施實施過程中，壓裂液或多或少都會對地層產(chǎn)生傷害，而且海上壓裂施工難度大、費用高。因此，筆者借鑒國內(nèi)外先進的低孔低滲油氣田開發(fā)經(jīng)驗，遵循先行先試的原則，通過引進、吸收、再創(chuàng)新，形成了一套適合東海海域低孔低滲油氣田開發(fā)特點的射孔增產(chǎn)工藝。以東海平湖油氣田BB5井為例，本文重點分析研究了低孔低滲油氣藏多分支水平井裸眼射孔工藝技術(shù)，對提高該區(qū)域低孔低滲油氣藏采收率、實現(xiàn)增產(chǎn)增效具有現(xiàn)實意義。

1 射孔工藝研究

1.1 射孔井概況

東海平湖油氣田B5井（后更名為BB5井）于1999年投產(chǎn)，經(jīng)過10余年的生產(chǎn)已失去自噴能力，經(jīng)評價分析決定對該井加深鉆井、封堵原產(chǎn)層、開發(fā)低孔低滲的FHT構(gòu)造P11層。P11層預(yù)測為異常高壓層位，壓力系數(shù)約為1.3，BB5井加深共鉆有3個水平分支，均采用φ152.4 mm裸眼完井，斜深分別為4 682（分支1）、4 540（分支2）、4 405 m（主井眼）。為了最大限度地提高產(chǎn)能，擬對該井的3個裸眼分支井段實施射孔作業(yè)，以實現(xiàn)產(chǎn)能最大化。

1.2 組合射孔工藝技術(shù)方案確定

外置式復(fù)合射孔技術(shù)是將外置式復(fù)合火藥筒套在常規(guī)射孔槍外部的、集射孔完井與高能氣體壓裂于一體的高效完井技術(shù)［4］，多級脈沖復(fù)合射孔技術(shù)是一項集射孔完井與高能氣體壓裂于一體的高效完井技術(shù)［5］，二者都是通過一趟射孔管柱即可實現(xiàn)射孔、復(fù)合火藥燃燒及壓裂彈產(chǎn)生的壓力對射孔孔道和地層第二次壓裂，從而達到改善近井帶的滲透性、破除近井污染帶、增加滲流面積的目的。外置式復(fù)合射孔和多級脈沖復(fù)合射孔壓力峰值可控、加載快，在孔眼周圍易形成網(wǎng)狀裂紋，可較好地提高油氣產(chǎn)量，特別適用于低孔、低滲地層的改造，與普通TCP射孔工藝相比有明顯的優(yōu)勢。

通過對以上2種射孔技術(shù)參數(shù)的分析和對比發(fā)現(xiàn)，外置式復(fù)合射孔在槍外裝載的復(fù)合藥量大，對射孔全井段壓裂效果比較好，而多級脈沖復(fù)合射孔所用射孔槍外徑大，穿孔深度更深，孔徑也更大，有利于復(fù)合藥盒產(chǎn)生的壓力脈沖和壓裂彈產(chǎn)生的高溫高壓氣體對產(chǎn)層的壓裂。因此，為了最大限度地提高產(chǎn)能，經(jīng)反復(fù)優(yōu)化分析，決定在井眼狗腿度相對較大、鉆遇地層物性相對較差的水平分支1、分支2裸眼井段采用裝藥量相對較小、安全系數(shù)相對較高的外置式復(fù)合射孔工藝技術(shù)，在軌跡相對平滑、鉆遇地層物性相對較好的主井眼采用裝藥量相對較大、微壓裂效果相對較好的多級脈沖復(fù)合射孔工藝技術(shù)，以實現(xiàn)產(chǎn)能最大化。外置式復(fù)合射孔火藥筒套的安裝結(jié)構(gòu)和多級脈沖復(fù)合射孔火藥分裝結(jié)構(gòu)如圖1、2所示。

1.3 射孔參數(shù)設(shè)計

（1）采用射孔槍型為114雙盲孔復(fù)合射孔槍，裝彈方式為13孔／m，90°相位布彈；

（2）槍上的泄壓采用中海油槍廠加工的雙盲孔泄壓方式（耐外壓90 MPa）；

（3）射孔彈采用耐溫160℃／48 h，射孔彈穿深1 030 mm；

（4）第一射孔段每米射孔槍內(nèi)裝13個前置藥盒，每個藥盒裝火藥13 g（共169 g），每米放11個旁置藥盒，每個藥盒藥量30 g（共330 g），后部下掛2個76×500的壓裂彈（4 kg／個）；

（5）第二射孔段每米射孔槍內(nèi)裝13個前置藥盒，每個藥盒裝火藥13 g（共169 g），火藥耐溫160℃／48 h；每米放11個旁置藥盒，每個藥盒藥量30 g（共330 g），第二射孔段后部下掛4個84×500的壓裂彈（4 kg／個）。

1.4 模擬計算分析

按照密閉爆發(fā)器計算公式求解槍管內(nèi)燃氣壓力［6］，即

式（1）中：RT0為火藥力；ω為射孔器內(nèi)火藥用量；V為射孔彈爆炸后射孔槍管內(nèi)的有效空間；α為火藥余容。

從射孔孔眼射出的火藥燃燒氣體的質(zhì)量流速m為［7］

式（2）中：p為槍管內(nèi)燃氣壓力，Pa；S為射孔槍管上孔眼的總面積，m2；k為火藥的燃氣比熱比；g為重力加速度，m／s2；RT0為火藥力，J／kg。

在火藥質(zhì)量一定的情況下，通過射孔孔眼的氣體質(zhì)量流速主要取決于槍內(nèi)壓力和射孔孔眼的面積，壓力越大，射孔孔眼的面積越大，氣體質(zhì)量流速就越大。當p＞p0時（p0為井筒內(nèi)液柱壓力），燃氣向外流動；當p=p0時，燃氣不再繼續(xù)向外流動。

射孔槍內(nèi)壓力從最大值pmax到靜壓p0這一區(qū)間內(nèi)的平均質(zhì)量流速為

火藥在整個燃燒過程中噴出的氣體質(zhì)量為

于是

式（3）～（5）中：ˉm為火藥燃氣的平均質(zhì)量流速；t為火藥燃燒時間；ω′為內(nèi)外壓力平衡時射孔器內(nèi)存留氣體質(zhì)量；其他符號意義同前。

根據(jù)BB5井2個分支和主井眼的不同井眼軌跡、產(chǎn)層特點和產(chǎn)量要求，嚴格控制復(fù)合火藥點火后壓力峰值在100 MPa以內(nèi)，根據(jù)公式（1）～（5）對壓力峰值進行模擬計算，結(jié)果見表1。

從表1模擬結(jié)果可以看出，采用外置式復(fù)合射孔和多級脈沖復(fù)合射孔的峰值壓力均小于100 MPa，施工作業(yè)相對安全，而且2種射孔方式產(chǎn)生的微裂縫長度均在3 m左右，為普通TCP射孔的4倍左右（普通TCP射孔深度為700 mm［8］），從而大大改善了低孔低滲儲層的滲流面積。

表1 平湖油氣田BB5井射孔壓力峰值模擬計算結(jié)果

2 技術(shù)難點與主要技術(shù)措施

（1）下鉆期間實現(xiàn)循環(huán)壓井

由于平湖油氣田BB5井射孔位置處于水平裸眼段，斜深較深，水平段較長，而且必須選擇井口正加壓點火方式，下鉆期間一旦發(fā)生井涌等井控危險，不能通過正循環(huán)壓井；同時如果在鉆桿內(nèi)灌漿，可能導(dǎo)致流量控制不好而產(chǎn)生壓力激動，使射孔槍提前點火，造成井下事故。為解決上述技術(shù)難點，本次射孔作業(yè)特別設(shè)計了側(cè)壁單流閥（圖3），既可以在下鉆過程中自動灌漿（當環(huán)空和鉆桿內(nèi)壓差達到0.69 MPa時，完井液將自動從環(huán)空流入鉆桿內(nèi)），又可以在下鉆過程中實現(xiàn)反循環(huán)，而且如果在射孔槍下入過程中出現(xiàn)井涌等復(fù)雜情況，可隨時通過該單流閥進行反循環(huán)壓井，保證井筒的安全。

（2）避免鉆井液沉淀造成點火失敗

在平湖油氣田BB5井射孔管柱下入過程中，由于水平裸眼段內(nèi)充滿鉆井液，鉆井液內(nèi)含有的地層砂等固體顆粒很容易通過單流閥進入射孔管柱內(nèi)，并形成沉淀而堆積在壓力延時點火裝置上部，從而造成加壓點火時壓力傳不到點火裝置，導(dǎo)致射孔點火失敗。為了有效規(guī)避上述問題研制了防沉砂裝置（圖4），連接到壓力延時點火裝置上部，該裝置既可以防止管柱內(nèi)沉砂堆積堵塞加壓孔道，又可以緩沖管柱下放過程中壓力激動對點火裝置的剪切銷造成的壓力沖擊，從而保證射孔點火的可靠性。

圖3 平湖油氣田BB5井射孔作業(yè)所設(shè)計的側(cè)壁單流閥

圖4 平湖油氣田BB5井射孔作業(yè)所設(shè)計的防沉砂裝置

（3）射孔后實現(xiàn)大排量循環(huán)洗壓井

平湖油氣田BB5井射孔管柱只能采用正加壓點火方式，無法實現(xiàn)正循環(huán)；盡管在管柱上增加了側(cè)壁單流閥，但只能解決射孔管柱下入過程中小排量反循環(huán)壓井的問題，不能解決射孔后大排量正循環(huán)或反循環(huán)洗井、壓井的難題。為有效解決上述問題，又為射孔管柱專門設(shè)計制造了壓力開孔裝置，設(shè)定開孔壓力高于延時點火壓力6.90 MPa左右。如平湖BB5井分支1射孔位置垂深3 724 m，射孔液密度1.37 g／cm3，在設(shè)定壓力延時點火壓力為（15.17±1.52）MPa情況下，把壓力開孔裝置的開孔壓力設(shè)定為（22.07±2.21）MPa，以保證射孔后進行大排量循環(huán)洗壓井。

（4）有效解決射孔后裸眼井壁垮塌埋槍

由于平湖油氣田BB5井2個分支和主井眼裸眼射孔井段長，而且不管是采用外置式復(fù)合射孔還是采用多級脈沖復(fù)合射孔，由于單位射孔段長度中火藥和炸藥的藥量總和為普通射孔技術(shù)藥量的3倍以上，所以射孔槍爆炸威力要遠大于普通射孔技術(shù)，因此射孔后裸眼井段井壁垮塌容易造成射孔槍被掩埋，從而導(dǎo)致射孔管柱不能從井下起出的風險非常大。為此，根據(jù)目的層巖石物性，通過模擬計算，選擇復(fù)合火藥的壓力峰值控制在100 MPa以內(nèi)。同時，從管柱結(jié)構(gòu)方面考慮，除管柱上配備震擊器之外，還特別為本次作業(yè)設(shè)計了水平井段投球丟槍裝置（圖5），如果射孔后井壁垮塌造成管柱被埋，就在管柱內(nèi)投球并泵送到位，通過管柱內(nèi)加壓就可使丟槍裝置釋放射孔槍，從而起出丟槍裝置以上的管柱。此外，管柱上還設(shè)計有安全接頭，在震擊器和丟槍裝置均失效的情況下采取倒開安全接頭，起出上部射孔管柱，可確保作業(yè)萬無一失。

圖5 平湖油氣田BB5井射孔作業(yè)所設(shè)計的投球丟槍裝置

（5）準確判斷射孔槍是否點火引爆

由于平湖油氣田BB5井3次射孔深度均在4 500 m左右，地面判斷井下射孔槍是否點火引爆較為困難，為此本次作業(yè)專門引進了地面監(jiān)測裝置，以適時監(jiān)測井下射孔槍起爆所引起的波動，從而準確判斷射孔槍是否點火引爆。

3 施工要點及效果

充分考慮作業(yè)的難度和風險，為提高管柱強度，射孔槍以上所有工具均加工成311×310扣型；同時考慮到水平井作業(yè)難度，確保射孔槍能夠順利到達預(yù)定射孔位置，采用倒裝鉆具，具體施工要點如下。

（1）裝槍、下鉆及射孔前準備工作

按照安全操作要求進行裝槍作業(yè)，并將火藥筒均勻地分布在射孔槍上。

入井所有工具和鉆桿均用相應(yīng)的通徑規(guī)通徑，確保管柱內(nèi)無雜質(zhì)和足夠的內(nèi)通徑，確保在需要丟槍時釋放球能夠順利到達丟手裝置進行丟手操作；鉆桿絲扣油涂于鉆桿公扣端（少許），嚴禁涂于母扣端；控制下鉆速度在2 min每柱，要求下鉆平穩(wěn)，嚴禁頓鉆溜鉆，避免管柱中有激動壓力產(chǎn)生；連鉆過程中要求蓋好井口及鉆桿口，嚴防井下落物。

射孔槍下鉆到位后記錄管柱上提／下放懸重，嚴禁探底；校正射孔深度，管柱上提狀態(tài)停于射孔位置（配管使井口方余為1.5 m，便于點火后第一時間長距離上提管柱，降低埋槍風險）。固井泵對所有管線試壓27.59 MPa合格，接頂驅(qū)后安裝地面監(jiān)測裝置，關(guān)萬能防噴器。

（2）加壓點火

固井泵緩慢正打壓至6.90 MPa，穩(wěn)壓1 min，判斷單流閥密封良好之后繼續(xù)迅速加壓，當加壓至13.79 MPa時開始計時（此時延時點火頭可能已經(jīng)啟動）；繼續(xù)加壓到26.21 MPa時壓力突降（開孔裝置剪切銷釘后開孔），迅速停泵泄壓，立即卸掉頂驅(qū)，這時地面監(jiān)測人員仔細觀察傳感器監(jiān)測情況，射孔人員同時在井口撫摸鉆具震動情況。

圖6 平湖油氣田BB5井加壓點火過程檢測信號

計時200 s后鉆桿輕微震動，回放檢測信號確認起爆成功（如圖6、7所示），觀察環(huán)空及鉆桿內(nèi)無壓力顯示后開萬能防噴器，迅速起鉆，過提90 kN拔出管柱，起鉆至射孔段以上后正循環(huán)2周，保證井控安全（在確認起爆的第一時間起鉆，起鉆過提現(xiàn)象表明井壁確實有部分垮塌現(xiàn)象，但由于起鉆及時避免了卡鉆事故的發(fā)生）。

通過射孔工藝技術(shù)分析研究、管柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及現(xiàn)場精心組織施工，平湖油氣田BB5井3次裸眼射孔作業(yè)均實現(xiàn)了射孔槍“下得去、點得著、不斷爆、起得出”，該井完井后進行氣舉誘噴，經(jīng)過2.5 d的氣舉返排作業(yè)，產(chǎn)氣2 500 m3／d，產(chǎn)油100 m3／d，射孔增產(chǎn)效果非常明顯。

圖7 平湖油氣田BB5井射孔起爆信號放大圖

4 結(jié)束語

以東海平湖油氣田BB5井為例，通過對低孔低滲油氣藏多分支水平井裸眼射孔工藝技術(shù)的深入研究及在該井完井作業(yè)中的成功應(yīng)用，證明該技術(shù)適合東海低孔低滲油氣藏特點，具有施工簡便、作業(yè)時間短、風險低、效果好、見效快等特點。隨著東海低孔低滲油氣藏開發(fā)力度的不斷加大，作業(yè)量不斷上升，該項技術(shù)將會有廣闊的應(yīng)用前景。當然，我們也應(yīng)清醒地認識到東海各區(qū)塊地層條件存在差異性，一些相對較為疏松的地層區(qū)塊應(yīng)用該技術(shù)可能會存在井壁垮塌的風險，所以該技術(shù)還需針對各區(qū)塊地層不同特點做進一步的研究與完善，以降低作業(yè)風險，實現(xiàn)效益最大化。

［1］李廷禮，李春蘭.低滲油氣藏壓裂水平井產(chǎn)能電解模擬實驗研究［J］.中國海上油氣，2005，17（6）：389-393，397.

［2］李顏軍，廖東良.低孔低滲油田優(yōu)化射孔研究［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2008（10）：382.

［3］李三喜.入地“打虎”——低孔滲油氣藏攻堅［J］.中國石油企業(yè)，2007（12）：52-53.

［4］范光兵，陳宇.增效射孔方法淺析及現(xiàn)場應(yīng)用［J］.科技信息，2011（18）：331-332.

［5］徐勇，秦建軍.射孔新技術(shù)在川西地區(qū)的應(yīng)用［J］.測井技術(shù)，2007，31（1）：85-88.

［6］金志明.槍炮內(nèi)彈道學［M］.北京：北京理工大學出版社，2004.

［7］王艷萍，黃寅生，潘永新，等.火藥在復(fù)合射孔器中應(yīng)用的試驗研究［J］.含能材料，2004，12（2）：640-643.

［8］姜偉.歧口17-2油田大位移水平井TCP射孔技術(shù)［J］.中國海上油氣（工程），2002，14（2）：30-34.