頁巖油井射孔技術發展現狀和展望

唐英才 揭志軍

中海油田服務股份有限公司 河北 廊坊 065201

頁巖油氣藏具有自生自儲特點，它既是烴源巖，又是儲層，儲層具有連續分布、低孔、特低滲、脆性較高等特性。頁巖油氣雖然埋藏深度范圍廣、厚度大，埋深從200米到深于4000多米，但由于頁巖油氣儲層特點導致其沒有天然油氣流通通道，僅通過鉆探無法獲得工業油流，需借助儲層壓裂等改造手段。頁巖油氣井壓裂目前以固井后套管多級壓裂為主要技術手段，射孔是打穿套管溝通地層壓裂通道的必備手段，如何從射孔角度為壓裂服務，最大限度的提高單井的油氣產量，使油氣井的開采周期得到延長，對提升我國頁巖油氣資源開采效益具有重要意義。

1 現代頁巖油氣井壓裂技術的發展對射孔要求

隨著勘探和開發技術的不斷提高，頁巖油氣等非常規能源資源逐漸進入大規模開發階段。頁巖油氣井的開發離不開壓裂技術，而水力壓裂就是在地層中先造裂縫，后添加支撐劑，用于支撐已打開的裂縫，形成人為的孔隙性儲層，利于頁巖油氣的開采。

壓裂裂縫在地層中的發展影響著支撐劑的添加和本井油氣產能的經濟性，而影響裂縫方向和發展的因素有巖石特性、層面、孔隙壓力、人工屏障和凈壓力，射孔對于人工屏障和凈壓力影響嚴重。根據壓裂完井行業多年的研究，壓裂射孔的重要參數表現在孔徑、穿深和相位。均一的大孔徑會改善壓裂液的分配、降低壓力摩阻、更有效的分配支撐劑、有助于降低成本，而孔徑小且不均一，會使用更多的射孔彈，造成多個裂縫的產生，勢必會造成更大的近井帶壓降，砂橋和脫砂的幾率會更大；穿深要穿過井眼周圍的環狀應力區很重要，最小需要8～10in，否則也會產生更大的近井帶壓降；在應力面30°內的孔眼會吸收絕大部分的壓裂液和支撐劑，所以60°相位或是定向射孔更多增加了壓裂的有效性。

隨著頁巖油氣等非常規能源資源的大規模開發，油田作業者也逐漸改變多級壓裂中的級間距和簇間距，根據國外公司的統計，水平井段由早期的4600ft發展到10000ft，同時極間距由300～450ft降到100～200ft，簇間距由50～70ft也降到目前的10～30ft；巖芯公司在對北美射孔趨勢的研究中指出[1]，降低簇間距，可以增加簇間被壓裂的區域，使得每簇的射孔更有效，由此發展的壓裂設計要求每級需要更多的簇，每簇使用更少的射孔彈，促使每級使用的射孔槍更多，每簇的射孔槍更短。

2 現代頁巖油井射孔技術現狀

2.1 等孔徑射孔器

早在2011年哈里巴頓就提出了等孔徑射孔改善壓裂效果的理念，即等孔徑射孔使得各孔的破裂壓力變化較小，改善了壓力分布，增加壓裂的有效性。隨著其應用的增加，越來越多的油田作業者接受了等孔徑射孔技術，特別是到了2018年，殼牌公司在2口井，9個井段對比了等孔徑和超深穿透射孔彈[2]，結果顯示使用等孔徑射孔彈時，平均處理壓力更一致，泵入排量比超深穿透增加1.8bpm，通過壓后數據對比，使用等孔徑射孔彈時，平均破裂壓力降低3.44%，每級液體用量降低10.93%，平均泵入量增加6.42%，支撐劑到位增加2%，有力的說明了等孔徑射孔對壓裂的改善，目前國內的油田作業者也接受了等孔徑射孔技術。哈里伯頓公司的MaxFrac系列、斯倫貝謝公司的 Stimstream系列、貝克休斯公司的True-Jet系列等孔徑射孔器孔徑偏差為2.1%～9.2%。國內的射孔彈廠家也推出了自己的等孔徑射孔器，其孔徑偏差一般在10%以內[3]。

2.2 短射孔器

隨著每級射孔簇數的增加，而受限于電纜輸送能力的影響，只能通過減小射孔槍的長度，增加射孔器的數量。為此國外公司在滿足壓裂要求的同時開發出短射孔器。

漢廷公司（Hunting）提出了定面射孔的短射孔器，即簇射孔器（Cluster Perforating System ），每個射孔器由處于同一平面的三發彈組成，可消除彈間干擾；可尋址起爆，無需導爆索，直接由雷管引爆，無需連線；采用等孔徑射孔彈，槍長7.5in，一次最高可連接50簇。該射孔器在一口井中的兩級進行了實驗，實驗結果說明該射孔器在增加簇數的同時，也可以降低壓裂處理壓力10%。

貝克休斯針對垂直于最小主應力平面鉆井的水平井壓裂完井提出了壓裂優化射孔器，該射孔器采用內定向方式，只有三個正交定向的聚能射孔彈，其中兩發大孔徑彈放置在兩邊，一發深穿透設置在高邊向上，彈間距1.4 in，槍長18 in，連接簡單。該射孔器的目的就是集中處理壓力，在垂直于最小主應力平面鉆井的水平井中最大限度地延長裂縫長度和延伸范圍，同時減少井筒附近的競爭裂縫和彎曲度。使用壓裂優化射孔器在55級完井中的兩個階段進行了現場試驗。該操作在兩個階段都成功運行，結果表明，壓裂操作期間的處理壓力小于用傳統螺旋狀射孔器的階段。此外，使用該射孔器更快地實現了100BPM的期望流速。與相鄰的使用了傳統螺旋狀射孔器的級相比，運行該射孔器的級也顯著縮短了操作時間[4]。

國外還有其它射孔器生產廠家，都推出了自己的短射孔器，結合等孔徑射孔彈或是自清潔射孔彈，用于壓裂射孔，如GEODynamics公司的HELLfire射孔器，槍長9.5in，每槍可選3或是6發射孔彈。但是他們的特點不鮮明，在這里就不做過多介紹。

2.3 提高可靠性和減小風險的起爆技術

頁巖油氣套管井開發中常使用的射孔技術為橋塞與射孔聯作技術，除了以上提到的適用于橋塞與射孔聯作的壓裂射孔技術外，其中井場雜散電壓、電流和射電安全防護也是關鍵技術，目前國外、國內普遍采用的是抗雜散電壓、電流和射電防護的爆炸橋絲雷管（EBW）或是沖擊片雷管（EFI）爆炸破片可尋址的電雷管技術，對于此技術，國內外基本一致，只是在尋址的數量上有所差別，但都已滿足現場作業的需求。

另外一個關鍵技術就是分級引燃橋塞火藥和引爆射孔槍，早期的起爆技術采用的是雙向二極管與爆轟壓力開關結合實現了分級引爆的功能，現場連接比較繁瑣，容易發生接錯點火線或是擠破線的現象，為提高可靠性和安全性，國外各服務廠家提出了自己的模塊化連接技術，采用插接或是直接絲扣連接的方式，簡化了現場的操作難度，如斯倫貝謝的Fractal Flex系統，哈里巴頓的MaxFire? 電點火系統，貝克休斯的Symphoni?可尋址點火系統。

此外，橋塞與射孔聯作作業中基本上采用的是泵送工具入井的方式，泵送過程中由于井下條件、地面設備甚至人員能力的變化，可能會導致操作不一致，進而導致工具弱點斷裂的現象，為此哈里巴頓設計了自動泵送技術，該技術將流體泵送和電纜運行裝置作為一個單一的、全自動的閉環系統進行控制，以最大限度地提高橋塞與射孔聯作的安全性能和效率。

3 我國頁巖油井射孔技術發展前景

我國自2005年開展頁巖油氣勘探開發以來，歷經十幾年攻關，頁巖油氣發展在跨越了前期的合作借鑒階段、探索評價階段后，目前處于規模建產階段，頁巖油氣產量逐步形成規模，并呈現快速增長趨勢。與北美海相頁巖油氣相比，我國頁巖油氣形成的資源基礎具有多樣性，呈現陸上沉積盆地內廣泛發育海相、海陸過渡相及陸相3種類型的富有機質頁巖，為了安全、有效的開發，針對不同的地質沉積條件和井眼軌跡相對于頁巖層理的位置，應采用不同的開采方案，對應的壓裂射孔技術應有所不同，以提升頁巖油氣井的開采效率。

我國的壓裂射孔技術在過去的十幾年中也取得長足進步，如等孔徑射孔彈、自清潔射孔彈、定面射孔技術、安全雷管以及泵送設計軟件等達到了國際同等水平，但仍然存在許多亟待解決的問題，頁巖油氣開采之路任重道遠，要以當地頁巖的地質條件為依據，考慮了經濟條件后，融合多種射孔技術，以提高頁巖油氣井開發的效率。

4 結束語

隨著我國能源安全戰略的推進，頁巖油氣井開發步伐也逐步加快，面對多樣性的頁巖油氣沉積條件，相應的開發工作難度也會增加，為了不斷提高頁巖油氣井開發效能，提升頁巖油氣井開發技術應用水平就顯得至關重要。在頁巖油氣井開發過程中，壓裂射孔技術在其中也發揮著關鍵作用，如果使用的射孔技術不合理，也會影響頁巖油氣資源開采效能，損害頁巖油氣井開發的經濟效益。因此，頁巖油氣井作業仍需要重視壓裂射孔技術的重要性，不斷為新的射孔技術提供實驗場地，豐富技術經驗，從而不斷完善新的射孔技術，同時也會提高射孔服務企業的對新技術的研發與創新的愿望，全面提升我國現代頁巖油氣井壓裂射孔技術的應用水平，最終也會提高我國頁巖油井的開發效率。