瑪湖油田礫巖儲層射孔技術研究

郭長永,曹瑞國,劉敬偉

(1.中國石油新疆油田公司工程技術研究院,新疆克拉瑪依834000;2.大慶油田射孔器材有限公司,黑龍江大慶163000)

0 引 言

射孔孔道不僅能為油氣流通提供通道,同時在套管上的孔眼也是水力壓裂增產作業中支撐劑、攜帶液的入口[1]。因此,射孔器在儲層巖石中的有效穿孔深度及孔道特性是影響后續壓裂施工及油氣井產能的重要因素[2]。

瑪湖油田作為世界上最大的礫巖油田[3],迄今為止累計落實三級石油地質儲量12.4×108t[4],瑪湖油田已經成為當前中國最為現實的增儲上產接替區?，敽吞锏[巖油藏儲層地質條件較為特殊[5],礫石含量在50%以上,多數礫石粒度在8～32 mm,礫石以凝灰巖與花崗巖為主,礦物成分以石英為主,硬度較高,最小主應力50～58 MPa[6]。礫巖儲層對射孔彈的金屬射流形成復合裝甲效應[7],極大地影響了穿孔深度及孔道狀態。天然礫巖取心不能獲取完整礫巖靶體,且礫巖取心中礫石含量及粒度不穩定,不能作為標準靶達到定量試驗分析目的,目前還沒有模擬礫巖儲層的標準人工靶體。

射孔彈應用炸藥破甲原理,用高速金屬射流在靶體中進行穿孔。混凝土標準靶制作方法中,采用的石英砂粒徑小于1.6 mm,可認為混凝土標準靶是均質靶。目前檢測及試驗用的其他鋼、鋁、天然砂巖等各種靶體也都是均質靶性質。

圖1 采用SDP39型與SDP40型射孔彈射孔后壓裂壓力及排量對比圖

射孔器給定的穿深及孔徑參數采用國標標準,混凝土標準靶制作采用射孔器材國家標準(GB/T 20488—2006)及美國石油學會(American Petroleum Institute,API)標準,給定的參數為86/89型射孔器適配5.5 in套管(鋼級L-80,標稱壁厚7.72 mm)或5 in套管(鋼級L-80,標稱壁厚7.52 mm)制作的混凝土標準靶檢測數據?，敽吞锼骄捎谔厥獾刭|狀況油層套管多數采用5 in套管(鋼級TP-125V,標稱壁厚11.1 mm)完井,礫巖儲層為非均質復合靶性質,與混凝土標準靶性質差異較大;同時高鋼級厚壁套管也影響射孔孔眼大小及穿深,瑪湖礫巖儲層的實際射孔穿深及套管孔徑與現有混凝土標準靶檢測數據相差較大,影響了射孔器材研發試驗及射孔優化效果。

受復合裝甲效應、高鋼級厚壁套管及小井筒等因素影響造成射孔器炸高不足,導致射孔效果不佳,射孔后直接壓裂施工泵壓高,需酸化處理后才能壓裂開。這不但增加了單井作業成本,還延長了壓裂施工作業時間。因此,針對高鋼級厚壁套管及礫巖儲層對射孔孔徑及穿深的影響展開研究。

1 前期試驗情況

1.1 瑪湖油田礫巖油藏水平井射孔彈對比試驗

2018年10月,采用大慶油田射孔器材有限公司的SDP39型射孔彈在瑪湖油田進行了水平井射孔試驗,瑪湖油田正常射孔使用的是SDP40型射孔彈。二者性能參數對比見表1,穿深及孔徑指標顯示SDP39型射孔彈更好。

表1 射孔彈對比試驗參數表

圖1為SDP39型射孔彈與在用的SDP40型射孔彈射孔后壓裂壓力及排量對比圖,試驗對比了6段射孔段。在同樣的射孔工藝參數下,應用SDP39型射孔彈射孔的壓裂段與SDP40型射孔彈相比,壓裂啟泵壓力稍有降低,試擠及替酸時排量有明顯提高,平均排量達到2.6 m3/min,提高40%左右,有個別井段具備不加酸直接壓裂施工工藝條件(排量>5 m3/min)。

通過現場試驗,我們認為增加射孔彈穿深及孔徑對礫巖儲層壓裂能起到一定的效果。但是現有射孔彈產品沒有針對礫巖儲層及特殊油層套管進行優化設計,地面試驗時采用均質靶及常規套管,需要對射孔彈進行有針對性的設計。

2 高鋼級厚壁套管對孔徑及穿深影響試驗

2.1 86型/89型射孔器適配不同套管工藝參數對比

瑪湖油田礫巖儲層水平井采用86型20孔/m、相位角60°的射孔器,選用5 in油層套管(鋼級TP-125V,標稱壁厚11.1 mm,實測可以達到11.4～11.8 mm)。表2為86型/89型射孔器適配不同套管時工藝參數變化情況。

表2 試驗射孔彈裝不同射孔器匹配不同套管尺寸參數 對比表

2.2 86型/89型射孔彈適配不同套管穿深及孔徑變化試驗對比

為了明確射孔彈對高泵壓的影響因素,試驗對比大慶油田射孔器材有限公司DP系列(深穿透)及SDP系列(超深穿透)2種型號射孔彈穿深變化情況(見表3)?，敽吞镞x用射孔參數時,由于水平井5 in油層套管內徑較小,為了安全只能選擇86型射孔器,槍身內徑較小,導致一樣的射孔彈槍內炸高變小。射孔彈炸高變小、套管鋼級和厚度增大對穿深及孔徑產生較大負面影響。

DP41-1型射孔彈穿深減少了40%,穿深降低較大,原因在于其射流攜帶的動能較低,穿透套管過程中射流動能損失比例較大。SDP40-1型射孔彈藥型罩中高密度金屬(鎢等)含量較大,同時SDP40-1型射孔彈優化了藥型罩結構及裝藥結構,提高了射流整體速度,射流攜帶的動能較高,穿透套管過程中射流動能損失比例較低。為了試驗更有針對性,后續試驗套管均采用5 in套管(鋼級TP125-V,標稱壁厚11.53 mm)。

表3 薄厚壁不同鋼級套管穿深及孔徑對比試驗結果

2.3 藥型罩配方對比試驗

為了探究高密度金屬含量對射孔彈射孔參數的影響,進行了藥型罩配方試驗。不同藥型罩配方,在高鋼級厚壁套管上孔徑及穿深差異很大,但并非高密度金屬含量越高越好,而是需要合適的配比。

設計了3種不同的藥型罩配方,和SDP40-1型射孔彈藥型罩正在使用的1號配方進行對比,試驗后得到的穿深及孔徑試驗結果見表4。1號配方在套管上形成的孔眼呈梯形孔,入口小,出口大,射流徑向能量不足;2號配方綜合性能較好,穿深較深,同時孔眼形狀效果最好,射流能量沒有浪費在套管上,形成的孔道為規整的圓柱型,在新研發的試驗彈上最終采用該配方;3號配方加入了較大比例的鉍粉、鉬粉,孔眼出口外翻過大,能量浪費嚴重,穿深降低(見圖2);4號配方中鎢含量達到70%,但是其他高密度金屬含量少,孔徑最小。

表4 不同藥型罩配方穿深及孔徑對比試驗(靶強55 MPa) 結果

圖2 不同藥型罩配方孔徑對比圖

3 礫巖儲層對射孔彈穿深影響

3.1 制作礫巖靶

根據瑪湖油田取心樣塊統計,瑪湖油田礫巖粒度分布范圍為2～64 mm,細礫巖(粒度2～8 mm)較少,多數礫巖粒度為8～32 mm。根據取心統計,儲層以礫石為主,占51.1%～57.1%,砂質成分36.9%～44.6%,礫石成分中以凝灰巖為主,其次為花崗巖。根據礫巖特性制作了礫巖靶,選取10～30 mm鵝卵石,分成3個目數段進行配比,其余成分比例應用混凝土標準靶制作工藝。

3.2 礫巖靶對比試驗

礫巖靶達到養護周期、強度趨于穩定后測試抗壓強度為52～62 MPa,選取性能較為穩定的DP41RDX25-1型射孔彈作為標準彈,礫巖靶射孔平均穿深285 mm,標準偏差小于35 mm。在混凝土標準靶檢測中,射孔彈平均穿深739 mm,標準偏差87 mm,平均孔徑9.9 mm。和混凝土標準靶相比礫巖靶偏差較小,一方面是由于射流穿礫巖靶平均穿深較小;另一方面是由于制作礫巖靶時礫石經過粒度及成分篩選,嚴格按照儲層粒度特性進行配比。射孔彈在礫巖靶穿深較為穩定,可以作為礫巖標準靶進行試驗,同時試驗數據也表明,礫巖靶極大地影響射孔彈穿深性能。

在SDP39-1型射孔彈裝藥結構基礎上,重新進行射孔彈藥型罩結構優化設計,應用新型藥型罩配方,通過數值模擬以及試驗驗證得到優化產品SDP39-M型射孔彈。地面試驗時,SDP39-M型射孔彈適配5 in高鋼級厚壁套管,API混凝土標準靶穿深867 mm,礫巖靶穿深及孔徑數據見表5。SDP39-M型射孔彈相比SDP39-1型射孔彈射孔平均穿深提高30.3%,平均孔徑提高12.5%。

表5 礫巖靶穿深及套管孔徑對比表

3.3 現場試驗

2019年10月在瑪131井區3口同平臺井進行多段多簇水平井射孔壓裂試驗,MH1319井深5 375 m,MH1318井深5 225 m,MH1317井深5 205 m。MH1319井第8～17段、MH1318井第16～29段共24段采用SDP39-M型射孔彈(試驗彈),其余對比井段全部采用SDP40型射孔彈(常規彈),API混凝土標準靶穿深大于850 mm。由于瑪湖油田在試驗時已開始上凍,為加快施工進度,多數井段試擠壓力在60～75 MPa就進行了加酸處理。該次試驗重點分析在壓裂初期試擠階段射孔孔道的進液量與壓力的關系及壓裂作業時間變化,酸進入地層后的變化不做分析(見表6)。MH1319井同時進行壓裂液量試驗,設計進液量與瑪湖油田標準壓裂工藝相比提高40%,在試擠階段不加入滑溜水,壓裂作業時間較MH1318井及MH1317井長。因此,通過對比MH1319井試驗段與正常作業段數據,可以看出,采用試驗彈的射孔段試擠壓力降低5.4%、加酸比例降低12.1%、排量提高44.7%,不計算縮短的泡酸時間,應用試驗彈的射孔壓裂段平均每段壓裂作業時間縮短33 min。

表6 同平臺3口井壓裂數據對比表

MH1318井應用SDP39-M型試驗射孔彈壓裂段與該井正常射孔壓裂段對比,同時也與同平臺的MH1317井射孔壓裂段(全部使用SDP40型常規射孔彈)進行了對比,壓裂工藝按照瑪131井區標準施工工藝進行,試擠階段加入滑溜水。如圖3所示,應用SDP39-M型試驗射孔彈壓裂段試擠壓力平均降低5.5%,加酸比例降低12.7%,平均試擠排量提高113.5%,不計算縮短的泡酸時間,平均每段壓裂作業時間縮短39 min。采用試驗彈射孔的壓裂段比采用常規彈的射孔段壓裂作業時間平均縮短22.4%,同區塊正常作業單段射孔-壓裂作業總體耗時約5.22 h,單口井(按30段計算)耗時6.5 d。如果全部應用試驗彈單口井可縮短一天的作業時間,較大幅度提高了壓裂效率。

圖3 MH1317井及MH1318井試擠壓力、排量及壓裂時間對比圖

4 結 論

(1)本文進行了射孔彈適配不同套管及礫巖靶射孔對比試驗,驗證了瑪湖油田礫巖儲層及高鋼級厚壁套管對射孔彈穿深及套管孔徑產生的影響。設計制作了礫巖靶,能有效針對礫巖儲層設計優化高性能射孔彈產品。通過現場試驗驗證射孔彈性能變化在礫巖儲層對壓裂的影響,壓裂試擠壓力在60～75 MPa的情況下,試擠排量達到4 m3/min,已接近不加酸直接壓裂施工的工藝條件。從試驗效果看,在降低壓裂初始泵壓的情況下增大排量,減少了壓裂時泡酸段數,有效縮短壓裂施工時長,取得較好射孔效果。

(2)伴隨油氣勘探開發領域的不斷深入,射孔和地質及壓裂等完井工藝結合不斷加強,建立在巖石物理和油藏地質條件下的射孔檢測技術逐步發展。隨著中國致密油氣等資源開采增加,針對油田特殊區塊、特殊地質狀況進行單獨的射孔彈優化設計將越來越受到重視。