中國海上油田射孔技術應用現狀及展望*

馬英文 韓耀圖

(1. 海洋石油高效開發國家重點實驗室 天津 300459； 2. 中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300459)

中國海洋石油工業發展先后經歷自主開發、對外合作、自營開發、自營合作并舉等4個階段[1-6]，目前進入高速發展期。2010年12月19日在中國海域年產油氣首次突破5 000萬噸油當量，為國再造“海上大慶油田”后，至今十年間油氣產量持續提升，有力保障了國家的能源安全。在海洋石油工業突飛猛進高速發展的過程中，鉆完井技術也實現了巨大進步，為海洋石油勘探開發和增產上產做出了重要貢獻。

完井是銜接鉆井和采油而又相對獨立的工藝，其技術水平的高低和施工質量的優劣，決定了后續油氣井產能的釋放，進而影響到油田開發的經濟效益。射孔作為油氣勘探開發過程中的“臨門一腳”，經歷了從“為生產而射孔”到“為改造而射孔”的技術提升，不再是單純依靠射孔器簡單打開套管溝通儲層，而是需要在射孔建立油氣通道的同時，兼顧孔道清潔和油井增產的作用，顯示出越來越重要的作用[7-11]。

在中國，套管完井數占到完井總數的近80%。統計過去幾年中國海洋石油的完井方式，射孔完井占比達到70%以上，是海上油田最主要的完井方式。伴隨著海洋石油工業的發展進步，中國海油的射孔技術也完成了從“不可能”到“全球行”，從國外進口到自主研發的轉變，為油田的開發發揮了重要作用，形成了一系列適合國內海上油田的射孔工藝技術，滿足了中國海洋石油開發與開采需求。

1 中國海上油田射孔技術發展歷程

隨著中國海洋石油開發，海上油田射孔技術也在不斷發展和完善，現已形成一系列適應不同地質條件和井況的射孔技術?；仡欀袊Ｉ嫌吞锷淇准夹g發展歷程，主要可以分為以下4個發展階段。

第1階段：1990年以前，渤海早期完井方式為套管射孔完井，其射孔方式為電纜射孔，即在套管內用電纜下入射孔槍，定位后通電點火，典型應用平臺如Hai-1平臺、埕北油田等。

第2階段：1990—1995年，以油管輸送射孔(TCP)、射孔液應用為主要標志。TCP射孔技術于1986年傳入中國，至1990年中國海油組織實施第1口TCP射孔井，后在海上油田大規模推廣。此階段主要火工產品和射孔工具以進口為主，部分使用大慶射孔彈，主要合作廠家包括OWEN、VAN、OIL TECH、哈里伯頓等外方公司。

第3階段：1995—2007年，該階段主要以火工產品和配套器材國產化為主要標志，并開始逐步建立適合海上油田、兼顧安全與效率、滿足油田高效開發的射孔技術體系。主要標志點如下：1995年，中海油服掌握全尺寸射孔槍制造工藝，射孔槍率先實現全面國產化；2002年，射孔彈全面實現國產化；2004年，傳爆導爆技術進入國產化；2007年，中國海油與692廠建立戰略聯盟，射孔器進入全面國產化。在此期間開發的錦州、岐口、秦皇島、綏中油田二期工程等多個油田部分或全部應用國產化器材，國產火工產品技術參數開始逐步追趕國外產品。同時，疏松儲層平衡射孔負壓反涌技術、致密儲層負壓射孔技術、射孔聯作技術、DST聯作等射孔技術體系逐步形成，射孔方案優化設計、大孔徑深穿透射孔技術逐步應用。

第4階段：2007至今，主要以全方位射孔方案優化、兼顧井筒完整性、注重與地質油藏相結合、特色射孔工藝技術不斷出現為標志的全面提高油氣層開發效果的射孔工藝技術階段。適合疏松砂巖壓裂配套的超大孔密大孔徑射孔技術、等孔徑射孔技術，改善滲流能力為目的的動態負壓、自清潔射孔技術、后效射孔技術，恢復油井產能的增產措施爆燃壓裂、復合射孔技術，以及逐步開展基于井筒完整性的射孔對水泥環損傷評價等方面的基礎研究工作。

在過去三十余年間，海上油田射孔技術作為油氣井完井工程的重要一環，得到大力發展，為中國海上油田的持續增產穩產做出了重大貢獻。

2 中國海上油田射孔技術應用現狀

海洋石油鉆完井作業具有高投入、高風險的特點，為最大程度釋放油井產能，根據地質油藏特點，對油井射孔方案進行量體裁衣設計，實現射孔技術與油氣藏類型、地質條件、完井工藝和壓裂改造等密切結合，關注油井產能及生命周期，提升油田開發效果。目前，中國海上油田射孔技術應用現狀主要包括以下4個方面。

2.1 射孔參數優化設計技術

射孔優化歷來是研究的熱點，國內外知名研究機構和主要油田服務公司都陸續推出針對油藏地質條件和井況要求的常規射孔優化設計軟件[7]。海上油田很早就開發了射孔專業軟件，優化設計算法以半經驗模型為基礎，能夠在滿足油氣井工程和地質要求的前提下，通過分析不同孔深、孔徑、孔密等射孔參數對產能的影響，優選合適的射孔器、負壓值、射孔液及射孔方式，利用射孔優化設計軟件進行單井或區塊射孔方案優化設計，以達到保護油層和提高油氣井生產能力的目的。

以往，海上油田對射孔的優化設計主要出發點集中于對產能的影響分析，較少考慮射孔后對井筒安全及完整性的影響。近年來，為了進一步延長油氣井生產壽命，海上油田越來越關注射孔對水泥環損傷和套管損壞的影響。為了進一步提高射孔井產能，研究提出了射孔參數優化校正方法，優化校正因地面水泥靶打靶和井下實際工況環境不同導致的射孔參數差異，最大限度確保射孔彈在井下的穿深深度[12]。同時，在射孔參數優化設計中，充分考慮射孔后對水泥環的損傷破壞和對套管破損的影響評價，形成一整套提高井筒安全及完整性的射孔優化方法，其思路如圖1所示。

圖1 射孔優化設計思路

“十三五”期間，中國海油依托國家科技重大專項“渤海油田高效鉆完井及配套技術示范工程”子課題“復雜油層精細射孔與評價工藝技術研究及應用”，開展射孔水泥環-套管損傷破損機理及影響因素研究。以聚能射孔動態沖擊載荷作用下的套管和固井水泥環損傷為研究對象，開展溫度壓力條件下實彈打靶物理模擬試驗，基于爆炸沖擊動力學原理建立了3D套管/水泥環/巖層數值模型[13-15]，評價射孔動態沖擊載荷作用下套管和水泥環的損傷程度，并結合后續完井方案優化射孔和固井設計，成功應用于射孔方案設計和優化。

2.2 高效射孔技術

2.2.1高性能射孔器

隨著射孔工藝的優化設計與制造技術的快速發展，射孔器的性能得以顯著提升，基本與國外性能持平。中國海上油田通過與國內廠家合作，先后開發出多款適合不同完井方式的射孔彈型號。表1為中國海上油田常用射孔器性能參數。

表1 中國海上油田常用射孔器性能參數

2.2.2動態負壓射孔工藝技術

動態負壓射孔是一種在射孔瞬間清理孔道的新方法，其原理是通過快速吸收井筒內的殘余爆轟能，使井筒內壓力在射孔后瞬間下降，產生瞬間沖擊回流，沖洗孔道及壓實帶，其技術原理如圖2所示。井筒動態負壓一開始壓力與地層壓力平衡，然后快速下降；而井筒常規靜態負壓則在開始階段低于地層壓力，射孔引爆發射出高速氣流后井筒壓力迅速上升，然后緩慢下降形成負壓[16]。動態負壓射孔工藝具有射孔與負壓同時進行，無需專門放噴時間，可進行大負壓射孔等特點，能夠通過擴大孔道直徑及減小壓實帶厚度的方式，達到清潔孔道的效果，節省單獨放噴時間，因此該技術在海上油田具有較大的應用空間。

圖2 動態負壓與靜態負壓射孔井筒壓力對比

動態負壓射孔實現途徑是通過在射孔槍或夾層槍內安裝負壓彈，在射孔的同時負壓彈對槍身開孔，井筒液體通過槍身上的孔眼快速進入射孔槍內，瞬時降低井筒壓力，實現動態負壓。因具有瞬時放噴、負壓值較大，因此更多應用于中低孔滲儲層。比如，該技術應用于某油田C17井沙二段中孔中滲儲層，產量較鉆后配產提升36.6%，增產效果顯著。

2.2.3自清潔射孔技術

射孔彈的高速射流在建立地層與井筒高速通道的同時，沖擊載荷也在孔道附近形成壓實帶，研究表明壓實帶的滲透率降幅最高可達90%，嚴重影響油氣井的產能。近年來，海上油田開始逐步引入自清潔射孔技術，通過在藥型罩里加入類似反應破片的特種含能材料，工作時含能材料隨聚能射流進入孔道，在孔道形成后的極短時間內產生高溫高壓氣體，將孔道壓出若干微裂縫(圖3)；同時由于孔道內壓力遠大于井筒壓力，孔內高壓氣流快速向井筒噴射，強力沖刷孔道，破除射孔壓實帶，并沖走巖石碎屑和射流殘體，使孔道保持高度清潔。該射孔工藝具有孔道壓裂及清潔效果，能增大射孔孔道的滲流面積，且組裝與常規射孔彈無明顯差異，安全性能高，已逐步在海上油田推廣應用。

圖3 自清潔射孔原理圖

與常規技術相比，自清潔射孔技術射孔孔道幾何形狀得到優化，孔道深度、表面積和流動體積均有大幅度增加，即便在弱膠結或各向異性地層也可在較小壓差下實現孔道清潔。例如，某油田B10井和B58井應用自清潔射孔技術后，實際產量較鉆后配產分別提升49.33%和89.13%，可見該技術通過孔道清潔解除壓實帶污染，可以大幅提升油井產能。

2.2.4后效射孔技術

后效體射孔機理是利用云霧爆轟理論在常規射孔彈口部加裝由化學材料微粒制成的后效體，射孔彈起爆后將后效體帶入孔道后瞬間激發，借助爆炸產生的渦流場引力，將化學材料微粒定向聚集，以云霧狀態曳入射孔孔道內。化學微粒被激發后產生大量化學能和熱能，直接作用于孔眼內地層，并形成次生導流裂縫，在保障穿深性能的前提下，可擴大孔徑，增加孔道滲流面積，解除孔道周圍的壓實污染[17]，如圖4所示。后效體為特制不含爆炸基源的聚合物，具有超高耐溫、摩擦、撞擊不發火、高溫下物化性能穩定、低溫下不脆裂失效等特點。

圖4 后效射孔混凝土靶試驗效果

根據后效體射孔技術特點，其更適合于低滲油藏的增產措施、低滲透油層注水不足/注水不進的儲層、老井補孔改造、有底水或油水層間互無法實施壓裂改造措施的油井增產、探井評價等。該技術近兩年在海上油田使用超30余井次，單井平均增產在30%以上。

2.2.5等孔徑射孔彈技術

海上油田定向井和大斜度井較多，射孔槍在井下不能居中發射，從而導致偏心射孔，往往會造成射孔后套管孔徑和底層孔眼穿深不均勻，靠近套管的孔徑大而遠離套管的孔徑小。這種孔眼的不均勻會導致：①后續各孔道破裂壓力差越大；②部分孔眼未能正常壓裂或者裂縫非均勻延伸；③升壓效率低；④裂縫口狹窄的易出現砂堵風險。

等孔徑射孔器制造領域國內外均有一定研究，哈里伯頓、斯倫貝謝等國外公司研發的深穿透等孔徑射孔器孔徑偏差10%以內，大孔徑射孔器孔徑偏差10%～27%不等。海上油田主要應用川南公司的等孔徑射孔器，在模擬實驗中178型等孔徑射孔器在套管上孔徑相對標準偏差為3.98%～6.18%。2017年，等孔徑射孔彈技術在旅大等油田應用數口井，后續壓裂作業成功實施。

2.3 射孔聯作技術

2.3.1射孔聯作方式

射孔聯作可以1次入井作業實現2項作業目的，不僅可以降低作業成本和風險，而且能夠避免射孔后再次壓井下管柱對地層造成的二次傷害[18-19]。在海上油田，射孔聯作方式主要有以下3種：

1) 射孔測試聯作。1次下井作業實現射孔后不起管柱直接進行測試的技術，目前除常規作業外，還進一步完善了復合射孔與測試聯作工藝，從而提高油井錄取資料的準確性。

2) 射孔生產聯作。根據舉升方式不同，又分為常規射孔生產聯作和射孔-電泵生產聯作工藝。該作業方式主要用于致密儲層，不必防砂和分層，能夠顯著提高作業時效，減少儲層污染，又可預防井噴事故發生。

3) 水力噴砂射孔壓裂聯作。水力噴射壓裂技術能夠集射孔、壓裂于一體，避免下橋塞、下頂封等繁瑣程序，工藝簡單、成本低廉，一體化技術還能節省工期。經過引進消化吸收，目前在海上已完成示范作業，并在渤中等中低滲油田推廣應用，現已完成配套工具國產化研發及試驗。

2.3.2負壓開孔裝置與RTTS封隔器聯作

負壓射孔能夠利用射孔瞬間的回流來清潔射孔孔道，消除射孔傷害，釋放油井產能，但對于大斜度井而言，利用棒擊負壓閥的方式打開，很難保證投棒能順利到位。在過去常采用射孔+單獨負壓放噴的方式解決這一難題，但仍不甚理想。主要原因在于：①單獨放噴需占用井口作業時間，成本高；②射孔后不直接反涌，冷卻后的射孔碎屑回流效果差；③單獨負壓放噴負壓閥需設置在井斜小于60°以內的位置，距離射孔段較遠，放噴效果有限。

利用負壓開孔裝置和RTTS封隔器聯作方式替代原有射孔+單獨放噴成為近些年來海上油田針對大斜度井射孔的一項工藝技術。如圖5所示，射孔校深后管柱定位，坐封RTTS，環空加壓至預定壓力引爆壓力延時點火頭，壓力由旁通接頭進入中心管，并傳遞至滑套，繼續加壓推動滑套銷釘受力剪切，滑套上移打開回流通道，此時滑套開孔與回流孔對應，滑套連通管柱內，封隔器以下環空與該裝置以上管柱內連通，形成負壓。延時后射孔槍引爆，完成負壓射孔，油氣經開孔裝置回流進入管柱內。目前，射孔聯作技術已廣泛應用于海上油田的大斜度井射孔作業中。

圖5 負壓開孔裝置與RTTS封隔器聯作

2.4 特殊射孔工藝

2.4.1超大孔密大孔徑射孔技術

海上油田中疏松砂巖儲層占較大比例，常需要采用礫石充填防砂完井。研究表明，對于礫石充填井，油流通過礫石充填孔眼的壓降除了和原油本身的特性以及充填礫石的滲透性有關之外，更大程度上取決于射孔孔眼的流通面積，即單個射孔孔眼的直徑以及單位面積上射孔的密度，壓降計算模型見式(1)。

(1)

式(1)中：pL為壓降，MPa；L為射孔段長度，mm；μ為流體黏度，mPa·s；Q為產量，m3/d；K為孔道內充填礫石的滲透率，mD；A為孔道流動面積，m2；β為系數，m-1；ρ為流體密度，g/cm3。

根據式(1)模型，在礫石充填井的射孔參數選擇中，采用高孔密大孔徑的射孔參數更有利于產能釋放。近年來，中國海油逐步推進60孔/m的超大孔密大孔徑射孔技術，主要關鍵技術為：優選采用以BH48HMX、GH48RDX等為代表的超大孔密大孔徑射孔彈，確保大孔密和深穿透；將常規的45°/135°布孔相位優化為20°，實現60孔/m的超大孔密，降低彈間干擾；在實現高孔密的同時，確保φ23.114 mm的大孔徑，滿足礫石充填需求。

目前，超大孔密大孔徑射孔更多應用于低污染、弱膠結疏松砂巖儲層、氣井/注水井等增產增注、配合壓裂等增產措施實現增產注水調剖一體化等。尤其在部分疏松砂巖壓裂作業中，逐步推廣60孔/m的大孔徑射孔彈，并取得了不錯的應用效果[20]，如某油田E5井產量提升62.5%。

2.4.2大斜度井射孔技術

隨著開發的推進，鉆完井難度持續加大，射孔技術面臨更多、更復雜的問題，大位移、大斜度井比重持續攀升，尤其近幾年，大斜度井占比達60%以上。大斜度井射孔在管柱下入、射孔校深、卡槍等方面面臨巨大挑戰。經過多年技術攻關及不斷改進完善，目前已積累了較為豐富的大斜度井射孔施工經驗，提供技術保障。

1) 隨鉆刮管測固井質量一體化技術，通過隨鉆聲波+刮管洗井作業同時進行，單井節省近20 h，節省費用達80余萬元。

2) 針對水平井射孔校深難題，創造性提出隨鉆伽馬校深技術[21]，將隨鉆儀器連接在射孔管柱頂部，下至預定深度后開泵隨鉆測量校深。

3) 大位移大斜度井眼軌跡復雜，套管清潔難度高，管柱下入風險大，在常規完井液體系基礎上通過增加潤滑劑的方式，提升完井液潤滑性，保證管柱順利到位。

4) 為解決射孔后完井液大量漏失和出砂問題，提出井下“液體開關”概念，射孔前替入PRD無固相暫堵液、免破膠EZ-FLOW暫堵液或固化水，作為射孔液以降低漏失、避免出砂。

目前，大斜度井射孔技術已成功應用于超深大位移大斜度井(AM1井)射孔作業，該井完鉆井深6 866 m，垂深3 155.98 m，水平位移達5 350.49 m，最大井斜77.81°。通過隨鉆LWD校深技術、降摩阻完井液體系、固化水射孔液、管柱結構優化等技術綜合應用，最終順利實施，并獲得較高產能[22]。

2.4.3水平井射孔技術

與常規定向井相比，水平套管井在提高油井產能、節約射孔成本和延緩邊底水脊進等方面具有較大優勢，但同樣也帶來一定挑戰。除隨鉆刮管測固井質量一體化技術、隨鉆伽馬校深技術、無固相暫堵液等基于作業安全和時效方面的技術外，水平套管井射孔還逐步嘗試一些特色技術，并不斷改進和完善，具體情況如下：

1) 水平套管井探底校深施工工藝，可節省一趟起下鉆和一趟校深時間，單井次預計節省約20 h，大大提高了完井作業的時效，并降低了作業成本。

2) 利用有限元間隙元理論對水平井射孔管柱進行力學分析，建立水平井射孔管柱力學模型，確保管柱下入安全。

3) 基于油水兩相滲流模型為基礎，建立變密度射孔優化理論模型，推動變密度射孔技術海上應用，滿足了水平井控水需求。

4) 采用定向射孔技術。對于水平井，不同布孔方式決定不同避水高度，根據邊底水分布情況，優化射孔方向，可以有效延緩見水時間，達到控水/避水目的。

3 中國海上油田射孔技術未來展望

隨著中國石油對外依存度不斷攀升，海洋石油已成為油氣勘探開發的重要戰場。為推動海洋石油事業的飛躍發展做出新的貢獻，射孔技術作為提高采收率和改善油田開發效果的重要手段，未來將從以下技術領域實現突破：

1) 深層/超深層射孔技術。海上油田勘探逐步邁向中深層，目前僅渤海油田新近系復雜油氣藏已發現三級石油地質儲量達數十億噸。隨深度加深，儲層溫度達150～230 ℃，地層抗壓強度由5～80 MPa逐步提高到100～250 MPa。過去射孔器技術性能指標，即基于地面條件下混凝土靶打靶的穿孔深度無法體現儲層條件下的實際穿深。因此，針對深井/超深井研發性能指標更高的超高溫超高壓射孔器，加強深井超深井射孔管柱評價技術研究，深入分析超深井射孔動態載荷下的套管響應，建立致密地層射孔彈穿透性能評價方法，解決深層特殊井況、復雜井況下的工程處理技術和配套產品等，實現深層射孔技術多樣化。

2) 老油田剩余油挖潛與產能恢復。隨著在產油田開發工作的深入，一方面部分老井隨生產年限增加出現產能下降的問題，原因包括原射孔完善程度不夠、生產過程近井堵塞和地層能量不足等；另一方面油藏中薄差油層以調整井形式被動用，出現大量低產、低能、低含水的“三低”油井。通過補孔、爆燃壓裂或高能氣體壓裂的方式，使老井重新恢復產能、新增調整井獲高產，是射孔技術未來的重要研究方向。

3) 常規射孔工藝與壓裂酸化聯作技術。目前盡管射孔與生產管柱實現一定程度的聯作，但仍遠遠不夠。射孔與壓裂酸化的聯作，將成為改善壓裂效果和提高時效的有力手段：①聯作可以縮短工期，降低作業成本，尤其在海上油田效果更加明顯；②低滲透儲層射孔后直接測試無法獲得良好效果，采用射孔-壓裂酸化-測試聯作代替射孔-測試聯作，通過壓裂能獲取儲層真實產能；③通過定向射孔+壓裂聯作，實現射孔方向垂直最小主應力方向，對于裂縫延伸和增產作業具有重要意義；④應關注復合射孔與驅砂聯作，射孔后將壓裂砂直接驅趕至射開地層，從而實現對地層裂縫的有效支撐。

4) 井下工況條件下的射孔參數檢測評價及優化技術。在海上油田開發過程中，因儲層污染的低效井和高含水問題一樣，逐步成為海上油田低產低效的主要原因。為了確保射孔器在井下具有足夠的穿深，有效解除污染帶，需開展井下工況條件下的射孔參數檢測技術手段，弄清井下工況下的射孔參數和地面水泥靶參數之間的差異和規律，采用射孔大數據的方法和理論，建立地面水泥靶射孔參數和井下實際參數優化方法或圖版。同時，為消除同批次射孔彈的差異，需開展射孔彈的一致性判別及優選方法研究。

5) 射孔評價與“智能射孔”技術。射孔評價技術的深化及評價手段多樣化是未來發展的重要一環，采用X光測試系統、光學測試系統和電測系統等試驗和檢測手段越來越多，將有助于建立和形成基于油氣藏的射孔評價技術。進一步發展“智能射孔”技術，根據油氣田的不同類型和特點優選完井射孔方式，提供量體裁衣的定制解決方案以實現射孔技術與地質技術、地層評價技術和完井技術的整合。

6) 構建為地質油藏射孔的新理念和新認識。加強專業合作實現技術進步，射孔不僅要服務鉆完井作業，更要與地質油藏等多專業結合，基于詳細資料來評估射孔效能的合理性、打開程度的完善性?；诙鄬I融合創新，推動擁有自主知識產權的射孔工具和工藝技術，推進海洋石油射孔技術體系的進步與發展。

4 結束語

中國海上油田射孔技術歷經50余年發展，形成了以射孔參數優化設計、高效射孔技術、射孔聯作技術、特殊射孔工藝等為代表的特色射孔技術體系，有效滿足了海上油田射孔增產增效需求。隨著海洋石油開發的不斷深入和拓展，面臨儲層埋藏更深、地質油藏環境更為復雜、低產低效井綜合治迫在眉睫、專業融合要求越來越高等難題，未來對增產型海洋石油射孔提出了更高的要求，應進一步加強技術攻關，做好新技術引進、研究與應用工作，研發適應開發需求的射孔新裝備、新技術和新工藝，進一步完善和發展增產型海上油田射孔工藝技術體系，為中國海油的持續增產穩產提供技術支撐。