文96儲氣庫射孔方式及射孔參數研究

宋 寧，吳春紅，王 寧，周曉妮

（1.中原石油工程有限公司地球物理測井公司，河南濮陽457001；2.中原油田分公司采油一廠，河南濮陽457001；3.勝利油田分公司地質科學研究院，山東東營257000)

文96儲氣庫射孔方式及射孔參數研究

宋 寧*1，吳春紅2，王 寧3，周曉妮1

（1.中原石油工程有限公司地球物理測井公司，河南濮陽457001；2.中原油田分公司采油一廠，河南濮陽457001；3.勝利油田分公司地質科學研究院，山東東營257000)

地下儲氣庫用于隨時調節天然氣供應量和消費量之間的平衡、協調供求關系的變換和戰略儲備等，目前世界上以建立了多種類型的儲氣庫：枯竭油氣藏儲氣庫、含水層儲氣庫、鹽穴儲氣庫等。文96儲氣庫就是利用枯竭油藏地層而形成的儲氣庫。枯竭型油氣藏儲層滲透率低，經歷長時間開發，儲層底層壓力低、滲透率低，在鉆井和完井過程中，不可避免對地層造成污染，嚴重降低氣體的注（采）速度。射孔是儲氣庫投產中關鍵一環，用以溝通地層和井筒的流體流動通道。射孔參數的優化可以為枯竭型低壓儲層提供一種高效能并且地質效果好的射孔工藝，增加儲氣庫的天然氣注采速度，減小流動阻力，提高調峰能力。

低壓低滲；儲氣庫；射孔參數優化

針對文96枯竭型儲氣庫具有地層厚度大、地層壓力低、地層滲透率低等特點，射孔技術的高低、射孔質量的好壞將直接影響儲氣庫單井產能的發揮。該文章分析了各種射孔方式及射孔參數對射孔產率的影響，針對文96儲氣庫的射孔參數優化進行展開。

1 射孔參數優化技術路線

文96儲氣庫井射孔參數優化是在滿足氣井工程和地質要求的前提下，通過分析氣井產能各影響因素，清楚各種射孔參數較合理的取值區間；根據優選的射孔槍規格，結合各射孔參數在射孔器制造工藝和技術上實現的難易程度和相互影響，最終確定射孔器類型和射孔參數。

2 射孔參數對產率比的影響

2.1 孔深的影響

射孔深度（簡稱孔深）是指射孔穿透套管、水泥環進入地層中形成一個孔道，孔道延伸的長度叫孔深。射孔深度是影響油井產能的一個重要因素，許多研究都論述了孔深的影響作用。

在無污染的地層中，產率比隨孔深的增加而增加，計算孔深范圍在5～5000mm，但在1m左右它增加的幅度是總增加幅度的一半，這說明它是一條減速遞增曲線，開始增加的幅度大，也就是說這時孔深對產能影響較大。

在存在鉆井污染的地層中，孔深的作用與無鉆井損害時相比有相同之處，亦有些不同之處。相同之處是：隨著孔深的增加產率比增加。其產率比曲線在孔深較小時斜率較大，當孔深較大時，斜率變小、變平。不同之處是：當孔深達到鉆井污染帶深度時，曲線出現拐點。也就是說，當射孔深度超過鉆井污染帶時，產率比能有較大幅度的提高，曲線變陡。這就意味著適當提高射孔穿透深度，使其射穿鉆井污染帶，將會產生較大的產能效益，但這種效益隨著孔深的增加而逐步減少。因此，無限制地追求深穿透亦是不必要的。

2.2 孔徑的影響

孔徑是指射孔形成孔道的直徑。

從圖1整體變化趨勢看，它雖然也是一條減速遞增曲線，但總的來說，孔徑對產能的影響較小，相對而言是一個不太重要的因素。目前所用彈型的孔徑的變化范圍較小，由于射孔彈的炸藥量及能量均是一定，故一般都傾向于犧牲孔徑（孔徑為10m左右即可）來換取較大的孔深。但這個結論不適用于稠油層、易出砂等特殊儲層。

2.3 孔密的影響

孔密是指單位長度射孔器所裝射孔彈的數量。

圖1 產率比隨孔徑變化曲線（rp-孔徑）

圖2 產率比隨孔密變化曲線

從圖2可以看出，它也是一條減速遞增曲線，對產率比的影響較大，從10孔/m增加到16孔/m時，產率比增加10%以上，而從25孔/m增加到31孔/m，產率比卻只增加不到3%，說明在孔密較低時，增加孔密是一種提高射孔效果的好辦法，但無限度地追求高孔密卻是沒有意義的。

2.4 相位角的影響

相位角是指相鄰兩個射孔彈之間的角度。相位角是影響產能的一個重要因素。在無污染無壓實情況下研究得出結果：0°相位角性能最差，180°相位角比0°相位角產率比高20%，而最佳相位角60°時比0°的產率比高30%。相位角的優劣次序為60°、90°、120°、180°、0°，并且60°、90°、120°的效果相差不大。

2.5 壓實厚度的影響

套管、水泥環、巖石在射孔后變形、破碎和壓實，在射孔孔道的周圍就會形成一個壓實損害帶，這個壓實損害帶的厚度叫做壓實厚度。壓實厚度對產率比的影響比較大，尤其是壓實厚度在2cm以內時，而實際各種彈性的壓實厚度一般均在此范圍內，因此對于射孔彈的生產而言如何減少壓實厚度是提高射孔彈性能及射孔效果的重要途徑。

2.6 壓實程度的影響

壓實程度（Kc/Ke）為壓實帶滲透率與地層滲透率的比值，隨著孔深的增加，壓實程度對產率比的影響變大，壓實程度從強到弱，產率比逐漸增大，但其增幅呈減小趨勢。

2.7 污染深度的影響

在鉆井過程中鉆井液浸泡地層，形成一個地層污染帶，這個污染帶的厚度叫做污染深度。

圖3是產率比隨污染深度變化的曲線圖，該圖是在孔深25.4cm情況下做出的。通過對曲線分析可以看出：當污染深度大于孔深（即未射穿污染帶）時產率比一直較低，即使污染深度有較大降低，產率比的增加也是很有限的；當污染深度小于孔深（即已射穿污染帶）時，產率比有很迅速的增加，因此如何減小污染深度，使得污染帶能夠被現有的射孔彈射穿（或提高射孔彈穿深，使其射穿污染帶）是提高射孔井產能的重要途徑。

圖3 產率比隨污染深度變化曲線（Lc-污染深度）

2.8 污染程度的影響

污染程度為污染帶滲透率與地層滲透率的比值。在孔深較淺時，污染程度對產率比的影響較大，射孔穿透污染帶顯得格外重要，隨著孔深的增加，污染程度對產率比的影響變小。換句話說，若射孔彈能穿透污染帶，其污染程度的影響將大大降低。

3 射孔槍規格確定

一般情況下，選擇射孔槍的規格主要考慮兩方面的因素，一是射孔槍在射孔后的變形不至發生井下卡槍事故；二是射孔槍的射孔參數有利于溝通地層和井筒的滲流通道，提高氣井產能。射孔槍的外徑越大，越有利于調整射孔參數。防止射孔卡槍和增大射孔槍外徑是一對矛盾，因此需要優選射孔槍規格，最大程度解決這一對矛盾。

文96儲氣庫設計井型有直井、定向井、水平井。生產套管均為7″，內徑157.1mm，可供選擇的射孔槍型有：外徑114mm、127mm、140mm三種規格。在國內外射孔施工中，這三種射孔槍在7″套管內都有或多或少不等量使用的經歷。表1是三種射孔槍在文96儲氣庫的適應性分析。

表1 ?114mm、?127mm、?140mm射孔槍在文96儲氣庫適應性分析

根據數據比較，射孔槍可選用127mm或114mm射孔槍，使用?127mm的射孔槍，射孔彈和射孔槍的配合更趨合理，穿孔深度和孔徑比較大，射孔效果較好，因此，對于直井選擇?127mm射孔槍。

對于水平井或大斜度井（井斜大于45°），推薦選用?114mm射孔槍。主要基于幾方面原因：

（1）對于斜度大的井，在套管內壁上可能殘留有固井水泥漿的殘渣，射孔器爆炸后會發生膨脹和彎曲變形，上提射孔槍至“狗腿處”存在卡槍風險，射孔槍外徑越大，風險越大。

（2）對于水平井射孔，更大的施工風險是射孔管柱遇卡。水平井射孔槍為滿足自動定向要求，無法與非定向射孔槍一樣預制掩埋射孔毛刺的“盲孔”，射孔后槍身上毛刺較高；水平井射孔槍在井下處于“平躺”狀態，下放或上提的摩阻高；適當降低射孔槍尺寸利于降低施工風險。

（3）通過射孔參數敏感分析，?114mm射孔槍裝配1m彈的射孔參數對產能影響不明顯，能滿足地質的需要。

4 射孔參數確定

通過對氣井產能的影響因素分析可以看出，采用深穿透、大孔徑、高孔密和低相位角射孔將對氣井的產能發揮積極作用，但各種參數的影響程度很大差別，各種參數重要程度見表2。

表2 儲氣庫井產能影響因素重要性的排序

射孔參數受射孔槍規格和射孔彈規格限制，直徑相對較小的射孔槍不可能獲得較理想的射孔參數，它們之間又相互抑制，深穿透、大孔徑、高孔密不可能同時實現，追求深穿透必定以犧牲大孔徑和高孔密為代價，同理，高孔密射孔槍必須使用相對小直徑的射孔彈，穿孔深度和入口直徑都將受到影響。以上分析結果是通過計算機模擬得出的，理想的射孔參數當然會獲得更好的產能，但在射孔器設計和制造技術上很難達到或不可能達到理想的射孔參數。

4.1 孔深和孔密的確定

文96氣田經過長期開采，地層壓力系數降至0.1～0.3，低壓地層在鉆井和完井過程中不可避免地遭受泥漿和水泥漿的污染，低滲透地層一旦污染很難解除。所以要求在射孔時盡量提高穿孔深度，參考文109井鉆井污染深度200mm，那么文96儲氣庫井射孔時穿透深度不應低于200mm，最好在300mm以上，但穿孔深度超過400mm后，產能增加的趨勢變緩。

射孔彈廠家公布的射孔器性能數據目前大都是混凝土靶數據，它并不表示在實際地下情況的穿透數據，只有地下實際情況下的穿透數據才能用來評價射孔井的動態。到目前為止，還不能準確測量射孔彈在井下實際穿深，但經過大量實驗研究，已經獲得了貝雷砂巖靶向實際地層穿透數據的校正方法，對文96儲氣庫地層，射孔在井下實際穿深和貝雷砂巖靶穿深數據接近，混凝土靶穿深數據和貝雷砂巖靶穿深數據關系見圖4。由此可以折算，若要求地層中穿深達到300～400mm，則射孔彈在混凝土靶上的穿孔深度必須達到800～1000mm。

圖4 根據混凝土靶穿深折算貝雷靶穿

儲氣庫注采井必須滿足強注強采要求，由于采氣強度大，容易造成地層出砂，高孔密射孔對防止或減少出砂有明顯的效果，而且產率比隨著射孔密度的增加而增加，在增加到16孔/m后，產率比增加速度變緩。考慮到較高的射孔密度是以犧牲穿孔深度和入口直徑為代價的，所以射孔密度在16～25孔/m比較合理。

儲氣庫新鉆井采用7″生產套管，目前與127槍配套的深穿透射孔槍彈有DP44RDX38-1彈、DP44RDX-5彈，防砂用的大孔徑射孔槍有114槍裝配BH48RDX-2彈、127槍裝配BH54RDX-3彈。性能指標見表3。

表3 深穿透和防砂用射孔槍彈性能

從滿足注采井產能，兼顧防砂需要，進行深穿透、高孔密的射孔槍彈優選。從表3可以看出，127槍DP44RDX-5彈射孔穿深最高，可達856mm；127槍DP44RDX38-1彈射孔穿深次之，但孔密最高可達20孔/m；防砂用射孔槍彈（114槍BH48RDX-2彈、127槍BH54RDX-3彈）射孔穿深均較小，但射孔孔密最高可達到40孔/m。

由于射孔密度從20孔/m增加到40孔/m產率比增幅不大，而射孔密度40孔/m的射孔器穿深只有200mm左右，折合到地層中實際穿深不足100mm，所以不予考慮。

對于穿深達到726mm的DP44RDX38-1射孔彈，彈殼外徑已達到46～48mm，雖然可以實現在長度1000mm空間內安裝20發射孔彈，但射孔彈外殼間距低于5mm，加之彈殼壁厚較薄，彈間干擾加劇，影響穿深和孔道質量；DP44RDX-5射孔彈殼體外徑達到52mm，抗彈間干擾能力強，按16孔/m裝配，彈間距還有10.5mm，有效避免彈間干擾，而且孔徑?12.2mm，比DP44RDX38-1射孔彈形成的孔徑?10.8mm大1.4mm；儲氣庫要求安全運行時間長，高孔密射孔不利于套管強度的長期保持（射孔參數對套管強度影響見圖5）。因此綜合考慮優選射孔密度為：16孔/m。

圖5 孔徑和相位對套管強度的影響

4.2 相位角的確定

對提高產能而言，比較合理的相位角是90°和60°，兩者對產能的影響相差甚微，但90°相位角兩發射孔彈之間導爆索的距離比60°相位角的長，不利于減小彈間干擾，所以應優先選擇60°相位角。

4.3 壓實帶的改造

所有的聚能射孔彈穿孔后都會在孔道上形成壓實帶，壓實厚度一般1.2～1.3cm，孔隙度下降幅度13.06%～21.79%，滲透率下降幅度71.98%～78.10%。壓實帶側面受到的損害遠遠大于頭部損害，軸向流動效率高于徑向流動效率（見圖6）。

研究表明，射孔孔道壓實帶對氣井產能的影響大于對油井的影響，它可以使氣井產能降低20%～30%，所以，對射孔壓實帶的改造直觀重要。負壓射孔可以從一定程度上解除地層污染，并使孔眼得到部分清洗，但對壓實帶的改造效果甚微。目前，廣泛使用的復合射孔器—聚能射孔器和高能火藥組合可在一定程度上改造孔道壓實帶，使孔道壓實帶破碎，并在近井地層形成多條不受地應力控制的微裂縫，進一步降低地層污染的影響。所以在文96儲氣庫射孔時，應在原有射孔參數的基礎上增加以改造孔道壓實帶和降低地層污染為主要目的的復合射孔。

圖6 射孔壓實傷害示意圖

5 射孔參數優化結果

根據文96儲氣庫地質特點和投產工程要求，按照滿足產率比相對較大、兼顧防砂需要的原則，結合射孔器設計制造技術，優選射孔參數如下：

射孔器類型：深穿透多脈沖復合射孔器；

射孔槍規格：直井或大斜度井：?127mm；水平井：?114mm；

射孔彈型號：DP44RDX-5；

孔密：16孔/m；

相位：60°或90°，水平井采取定向射孔；

布孔方式：螺旋布孔；

對非均質嚴重的部分氣井，考慮變密度射孔。

6 結論

對于儲氣庫的射孔方式和射孔參數的優化設計是一件長期、艱巨的任務，研究的成果對油田的持續開發、效益增長、安全提高等都有不可限量的作用。

本文根據已有的理論，針對枯竭型儲氣庫地層的射孔方式及射孔參數進一步進行了分析和研究：

（1）總結歸納了常規的射孔方式，并依此選了針對枯竭型儲氣庫而采取的射孔方式。

（2）詳細概述了射孔參數對射孔完井產率比的影響，并量化了產率比與射孔參數（孔深、孔徑、孔密、相位角、壓實厚度、壓實程度、污染程度）的關系。

（3）針對文96枯竭型儲氣庫完井射孔優化了合適的射孔參數組合。

[1]陸大衛.油氣井射孔技術[M].2012.

[2]姜必武，程林松，張華.油田動態預測方法研究[J].試采技術，2003,24（1）.

[3] 李克向.實用完井工程[M].北京：石油工業出版社，2012：297-309.

TE972

A

1004-5716(2015)09-0098-05

2014-10-01

2014-10-09

宋寧（1979-），男（漢族），山東曹縣人，工程師，現從事測井射孔技術工作。