自清潔射孔技術在渤海油田的應用

2020-08-01 10:29:24張藝耀孫帥帥譚紹栩

石油礦場機械 2020年4期

張藝耀，李進，馮碩，孫帥帥，譚紹栩

(中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459)①

隨著油田的不斷開發，因注采不平衡等因素，渤海油田部分區塊沙河街組常壓儲層壓力虧空較為嚴重。渤海油田沙河街組常壓儲層通常采用常規射孔彈，使用平衡射孔、負壓返涌的射孔方式進行射孔作業[1-5]。常規射孔彈最初采用銅板罩，穿深淺還有杵堵問題，后來采用金屬合金粉末罩，增加了混凝土靶穿深性能，追求穿深的同時孔道也變得細長，并且射流侵徹形成孔道時會破碎和壓實周圍的巖石，產生厚約0.64～1.27 cm的壓實帶，導致滲透率下降到原始滲透率的7%～20%，并且部分巖石碎屑和金屬粉末會殘留在射孔形成的孔道內，增大了地層流體流向井筒的流動阻力，影響了油井產出效果[6-8]。儲層壓力的虧空直接影響了射孔時的負壓放噴對孔道的清潔效果，降低了對壓實帶的破壞、對孔道的清洗及孔道碎屑的排出；降低了孔道的滲透率，增加了表皮系數，影響油井射孔后的產能。為了更好地降低表皮系數，最大程度釋放油藏產能，針對儲層壓力虧空嚴重的油井，采用自清潔射孔技術。該技術可有效清潔射孔孔道，從而改善導流能力。

1 自清潔射孔技術

1.1 自清潔射孔彈結構

自清潔射孔彈由殼體、炸藥、含能材料和金屬藥型罩組成，如圖1所示。和常規射孔彈相比，自清潔射孔彈主要是通過在常規射孔彈彈藥中添加一種類似反應破片的含能材料，在射孔過程中既能保證足夠的射孔深度，又能達到消除污染的目的。

1—殼體；2—炸藥；3—含能材料；4—金屬藥型罩。

1.2 自清潔射孔原理

常規射孔彈射孔會在孔道周圍形成一定厚度的壓實帶，并不可避免地留下一些射流殘體，射孔壓實帶和射流殘體的存在會降低孔道的滲透率，如圖2所示。

圖2 常規射孔彈孔道效果示意

自清潔射孔彈通過在金屬藥型罩內加入特殊的含能材料，射孔過程中，金屬組合和含能材料隨著射孔彈產生的射流進入射孔孔道內，含能材料在極短的時間內產生強烈的反應，釋放的能量使孔道內的壓力升高，產生反向的涌流流入井筒，清潔孔道的壓實帶。含能材料反應產生的大量氣體和熱量改善壓實帶滲流特性，并將孔道內脫落的巖石碎屑和金屬粉末從整個孔道清除，并且在孔道末端產生裂縫。以此優化流通通道，實現清潔孔道、提高導流能力的目標[9-10]，如圖3所示。

圖3 自清潔射孔彈孔道改善效果示意

1.3 貝雷砂巖靶流量測試試驗

貝雷砂巖靶流量測試對比試驗如圖4、表1所示。與普通深穿透射孔彈相比，自清潔射孔彈依靠專有的藥型罩技術，射孔孔容增加110.9 %，流量增加17 %，射孔孔道清潔，末端有明顯裂縫。

圖4 貝雷砂巖靶流量測試試驗

表1 貝雷砂巖靶流量試驗數據

1.4 API混凝土靶射孔參數對比試驗

模擬裝127型射孔槍混凝土靶試驗條件，采用常規SDP45HMX39-3型超深穿透射孔彈和SDPR45HMX39-1型自清潔超深穿透射孔彈進行API混凝土靶試驗，對比2種射孔彈穿深、孔徑及射孔彈起爆后產生的碎屑，如表2～3所示。

表2 API混凝土靶對比試驗數據

表3 自清潔與常規超深穿透射孔彈起爆后產生碎屑量

由表2～3可知，自清潔高溫超深穿透射孔彈與常規高溫超深穿透射孔彈相比，套管平均穿孔孔徑、射孔槍平均穿孔孔徑同比提高11.3%和14.15%，自清潔射孔彈較常規超深穿透射孔彈起爆后產生的碎屑大幅降低。

1.5 自清潔射孔技術特點

自清潔射孔技術可實現在射孔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，并使孔道內的氣流反向噴向井筒，優化了流動通道，實現射孔過程中對孔道的高度清潔，從而改善導流能力。

1) 孔道壓裂及清潔效果較常規射孔彈更好。含能材料的全部能量直接作用在射孔孔道內部，產生壓裂、沖刷和反涌作用，能量集中，壓裂和清潔效果好。

2) 孔道滲流面積更大。自清潔射孔彈的穿孔深度與同型號普通射孔彈相當，但有效穿深(無射流殘體堵塞部分的深度)和孔道直徑增大，相應孔容、孔內滲流面積增加，有利于提高孔眼流動效率。對于生產井可降低生產壓差，減少出砂。

3) 組裝程序與常規彈相同。由于自清潔射孔彈僅是在其內部加入了特殊材料，其外形與普通射孔彈相同，使用裝配與普通射孔彈毫無差別，所以其操作簡便，使用范圍不會受到限制，作業成本也不會增加。

4) 安全性高。含能材料是隨聚能射流進入射孔孔道后才釋放能量，不會對射孔槍和套管等造成傷害，不會增加射孔作業的風險，且射孔槍外表面及套管內壁毛刺高度大幅降低，射孔槍提升難度降低，大幅降低了遇卡事故的發生概率，提升了作業的安全系數。

2 現場應用

M井和K井為渤海灣南部X油田沙河街常壓井，該油田壓力系數1.01，溫度梯度為3.26 ℃/100m，屬正常壓力和溫度系統。該油田自投產以來，因注采不平衡等因素，沙河街儲層壓力出現了不同程度的衰減。M井是一口沙河街組采油井，井深3 316 m，射孔段3 081.3～3 247.6 m，采用平衡射孔負壓返涌+優質篩管簡易防砂工藝，共4層防砂段，采用Y分生產管柱生產，初期配產60 m3/d。K井是一口沙河街組先期排液注水井，井深3 339 m，射孔段2 925.1～3 225.9 m，采用平衡射孔負壓返涌+177.8 mm(7英寸)分層封隔器工藝，共4層，采用Y分生產管柱生產，初期配產46 m3/d。

根據作業經驗，TCP射孔的射孔槍外徑與套管內徑的間距為25.4 mm(1英寸)最理想，此時槍的對中效果較好，且能充分發揮聚能射孔彈的聚能效果，但同時考慮負壓作用產生的地層砂返吐可能造成的槍身砂卡，177.8 mm(7英寸)尾管選用114.3 mm(4英寸)射孔槍。射孔彈的選擇要考慮到射孔槍的尺寸和井底溫度以及射孔彈在井下停留的時間，選用HMX射孔彈可以滿足射孔槍下到井底后，各項作業以及其它復雜情況所造成的時間附加量。射孔孔徑的選擇與完井工藝有重要的關系，防砂完井要求大孔徑，孔道的流動面積大，減少油氣流動的阻力和速度，有利于提高產能和減少出砂。射孔優化設計是為了獲得最高的油氣井產能。根據油氣層的巖性結構特性和流體類型特點，結合鉆井污染程度、可供選擇的射孔器材類型和不同條件下射孔參數對產能的影響程度，優化組合射孔參數使油氣井獲得最高產能[11-15]。

沙三段的定向井均為177.8 mm(7英寸)套管完井，因此全部采用114.3 mm(4英寸)射孔槍，相應射孔參數對產能比的影響如圖5。對于致密儲層，射孔穿深對產能的影響最大，表現出穿深的重要性。