連續管井下可視化技術在射孔壓裂效果評價中的應用

摘要：

油氣田開發中，頁巖油氣體積壓裂完成后，準確評估壓裂效果對于優化開采策略至關重要。為此，引入了井下可視化技術。該技術能夠直觀展現井內實際狀況，相較于其他測井技術，其獨特的視覺呈現能力更具優勢。為了提升井下射孔壓裂效果評價的效率與準確性，提出了獲取高質量視頻信號的工程方法，構建了一套全面的射孔壓裂效果評價體系。借助高分辨率的光學成像技術，精確測量了壓裂前后的射孔尺寸，并運用進砂分布（Sand Entry Distribution，SED）公式來估算進砂量，從而科學評價壓裂效率。在川南區塊的實際應用中，成功利用高清成像技術實現了對國內頁巖氣井射孔壓裂炮眼的精準觀測，井內炮眼清晰可辨。成功測量了炮眼的形狀、尺寸（包括周長和面積）以及沖蝕面積等數據，并據此估算出壓裂后每個射孔內支撐劑的體積，為后續壓裂改造提供了堅實的依據。通過SED分析，作業者能夠優化壓裂參數，實現更理想的進砂分布，從而提升油氣田的產能。

關鍵詞：

連續管；井下可視化；射孔壓裂；體積壓裂；效果評價

中圖分類號：TE348

文獻標識碼：A

202402063

Application of Coiled Tubing Downhole Visualization Technology in

Evaluation of Perforation and Fracturing Performance

Zheng Lei1 Wang Zhan2 Zeng Yongfeng1 Gai Zhiliang1 Yuan Xiang1 Li Daqi1 Liu Haohao1

（1.Jianghan Machinery Research Institute Limited Company of CNPC;2.CNPC Engineering，Procurement amp; Equipment Management Department）

文獻標識碼：An accurate performance evaluation after volume fracturing of shale oil/gas reservoirs is crucial to the optimization of production strategies in field development.In this regard，a downhole visualization technology was introduced.It can intuitively display the downhole conditions，and has a unique visual presentation ability，making it more advantageous than other logging techniques.To improve the efficiency and accuracy of evaluation of downhole perforation and fracturing performance，an engineering method for obtaining high-quality video signals was proposed，and a comprehensive perforation and fracturing performance evaluation system was constructed.With the help of high-resolution optical imaging technology，the perforation size before and after fracturing was accurately measured，and the sand entry distribution （SED） formula was used to estimate the sand inflow，thus scientifically evaluating the fracturing efficiency.In the South Sichuan block，the high-definition imaging technology was successfully used to achieve precise observation of perforations in shale gas wells，allowing for clear and distinguishable perforations in the borehole.The shape，size （including perimeter and area） and erosion area of the perforations were successfully measured，and accordingly the volume of proppant in each perforation after fracturing was estimated，providing a solid basis for subsequent fracturing stimulation.The SED analysis allows operators to optimize fracturing parameters for more ideal sand entry distribution，thus improving the productivity of oil and gas fields.

coiled tubing；downhole visualization；perforation and fracturing；volume fracturing；performance evaluation

0 引 言

我國頁巖油氣井改造普遍采用類似美國頁巖氣開發模式，大規模、高砂比、強暫堵等壓裂技術被應用其中，但改造效果普遍較差，單井評估的最終可采儲量（Estimated Ultimate Recovery，EUR）產量達不到規劃水平，需要使用射孔壓裂效果評價技術對改造效果進行評估，為后續壓裂改造方案優化提供依據。目前普遍采用的射孔壓裂效果評價技術有直接診斷技術和間接診斷技術：直接診斷技術包括井下電視、微地震測量、放射性示蹤劑、井溫測試、地面和井底測斜儀等（裂縫監測的一系列方法方式），主要特點在于費用高，結果直觀；間接診斷技術包括壓裂實時監測及解釋、壓后壓降分析、試井分析、生產歷史擬合等，主要特點是成本相對較低但技術復雜［1-5］。

WU C.H.等［6］指出，壓裂裂縫的幾何形狀和分布與壓裂液參數、支撐劑參數、壓裂施工設計以及射孔設計有關。為了探究支撐劑流經炮眼進入地層的量與炮眼形狀、面積大小的關系，J.B.CRUMP等［7］通過試驗觀察，將射孔分為2個部分，即圓化過程和擴孔階段。擴孔階段圓化已經達到最大，過流系數不再發生明顯的變化，而直徑的變化仍然在繼續，即之后直徑的變化對壓力降的變化占到主要地位。LONG G.B.等［8］建立了炮眼水力直徑與過流系數和壓裂液質量分數與排量之間的模型。基于這一原理，G.ROBOT等［9］提出了借助視頻測井技術對壓裂質量進行評估的方法，得出某一層炮眼段進砂量與侵蝕面積成正比關系，侵蝕面積為壓后測量值與基準值之差的認識。SHAN Y.B.等［10］建立了炮眼沖蝕面積與進砂量之間的定量關系，可有效對井、段、簇和孔進行壓裂效果評估。

本文使用存儲式高清成像技術對國內頁巖氣井進行壓后炮眼評價，測試段炮眼清晰可見，可以測量到測試炮眼形狀、尺寸（周長、面積）及沖蝕面積等數據，從而進行均布評價、孔簇設計評價和壓裂改造評價。

1 井下可視化原理及作業工藝

1.1 原理技術與參數

通過下入井下電視獲取井下的動態/靜態圖像，采用圖像處理技術對所獲取的圖像數據進行增強、拆分、變換以及提取等操作，最終獲得套管壁上炮眼的幾何數據，包括面積、形狀、周長等，同時根據定量分析模型確定的炮眼沖蝕面積與炮眼進砂量之間的關系，計算出炮眼的進砂量，進而根據井、段、簇的進砂量分布對改造效果進行評價。該技術的關鍵為井下可視化儀器的性能，作業需要測量水平段2 500 m以上，并且滿足有效工作時間為8 h。使用的儀器耐溫為155 ℃，耐壓103.4 MPa，外徑43 mm，適用于φ76.2～φ304.8 mm井筒，傳輸速率為30 f/s，前置攝像頭分辨率為1 280×960，數據儲存能力為600 GiB。

1.2 井下管柱設計

該工藝通常由井筒清理和井下電視測井2個井下管柱組成，作業流程如圖1所示，推薦工具串如表1所示。井筒清理主要是去除井內污染物砂、蠟等，并且把井底液體置換成清澈的液體（濁度≤10 NTU），方便后續測量。井下電視測量分為存儲式和實時測量2種方式，可根據實際配套和工況進行選擇。存儲式測井因需要攜帶電池入井，導致測量時間有限，并且技術人員不能實時獲得井內圖像和相關數據，存在局限性；實時測井需要攜帶光纖或電纜的連續管入井，對施工方的配套要求高。

井筒清理作業主要為鉆磨洗井過程。對于長水平段井，一般裝備水力震蕩器和震擊器延長下深，且需要持續觀察返排液體透明度。

圖2為返排液濁度隨著洗井時間變化的趨勢圖。考慮到井筒清理到測井的時間不宜過長，建議使用連續管輸送井下電視，并使用光電復合纜進行井下實時測量，避免存儲式儀器下井后，井內沒有洗干凈導致視頻模糊、測量不準，需要重新測量，造成經濟損失。

1.3 作業工藝

通過現場作業詳細完善了連續管傳輸井下電視測井作業，詳細步驟如圖3所示。

需要特別注意以下針對井下電視無法清晰觀看的預防及控制措施：①施工前配套清水；②通井后使用清水頂替井筒液體；③測井前進行相應的地面測試，檢查攝像頭完好；④入井之前進行工具與設備配套測試；⑤下井過程中，信號及時采集，采取下測+上測方式；⑥控制井口壓力稍高于放噴關井壓力，減少氣層出氣量，降低水平段含氣率。

2 射孔壓裂效果評價體系

使用進砂分布（Sand Entry Distribution，SED）公式對單段射孔內進砂量進行計算［10］：

Ms=γAe（1）

式中：Ae為炮眼沖蝕面積，cm2；γ為進砂系數（Sand Entry Coefficient，SEC），t/cm2；Ms為穩定侵蝕過程中的總進砂量，t。

其中，γ可以表示為：

γ=ρmHC2p1+ε0.146 1λppfρs（2）

式中：ρm為套管密度，g/cm3；ρs為支撐劑密度，g/cm3；ε為射孔段侵蝕系數平均值；H為套管壁厚，cm；Cp為射孔段流量系數的平均值，在穩定侵蝕中，其值在0.90～0.95之間；λ為某一階段的動力侵蝕系數，s2/cm2；ppf為射孔處侵蝕壓降，MPa。

井下電視測井視頻數據采用圖像識別算法進行增強、劃分，識別后可得到所有炮眼的面積、直徑數據，通過深度校驗可確定炮眼的所屬層位，采用如圖4所示的計算邏輯即可計算出各孔的進砂量。

此次引入欠壓炮眼、飽壓炮眼和過壓炮眼［11-12］的概念，單個炮眼進砂量為Y，段內炮眼平均進砂量為Y。定義Ylt;Y為欠壓炮眼，Y≤Y≤nY為飽壓炮眼，Ygt;nY為過壓炮眼。其中n的取值取決于壓裂設計、仿真和油藏特性。

壓裂效果與裂縫發育的均勻程度直接相關，而裂縫的發育又與支撐劑進入地層的量呈現正比關系，因此進砂質量的分布是反映壓裂效率的重點。為了對壓裂效果進行評估，需要考察段、簇內各炮眼的進砂量的均勻程度，也即是當段、簇內炮眼進砂均勻，則壓裂改造效果好，反之改造效果差。引入均布方差和FEI指數IFE來表征改造效果，均布方差其實際意義是段、簇內各個炮眼進砂量的均方差指數，FEI指數是均布方差的歸一化值。

σSC=∑MSC-MSC2N（3）

IFE=σSCMSC（4）

式中：σSC為段、簇內的各孔進砂量的標準差，t；MSC為段、簇內的各孔進砂量，t；MSC為測井區間段、簇內炮眼的平均進砂量，t；N為段、簇的數量。

由式（4）可知，IFE即某一段的入砂質量標準差除以該段射孔的平均入砂質量。大量壓裂作業表明：IFE指數在0.7以下分布較好，說明壓裂效果較好；IFE在0.7～1.0范圍內呈平均分布，表明壓裂效果處于平均水平；IFE在1.0以上的分布較差，說明該段壓裂效果較差。

3 井下電視測井射孔壓裂效果評價及效果

3.1 候選井介紹

X井是位于長寧背斜構造中奧頂構造南翼的一口重要生產井，最大井深4 999.1 m，采用φ139.7 mm套管完井，最大井斜80.80°。該井壓裂設計主體采用段內多簇、大排量施工、高強度加砂工藝，壓裂段長1 460 m，平均段長71 m，設計壓裂21段，采用可溶性橋塞作為分段工具，主體采用變黏度滑溜水體系，支撐劑采用212/109 μm石英砂+380/212 μm石英砂組合。圖5所示為現場采用連續管輸送儲存式井下電視對壓裂后炮眼面積尺寸進行測量以對壓裂改造效果進行評估。

3.2 井下可視化施工

此次作業包含1趟清洗井口、1趟洗井、1趟測井，共計3趟。累計入井時間50 h，累計泵注48 h，泵注清水1 114 m3，洗井液5 m3。其中洗井用液536 m3，測井用液578 m3。需要提前準備足量的清水保證施工順利進行。

3.3 井下電視射孔壓裂效果評價

累計測試14段，140簇，602個炮眼，其中測試沖蝕炮眼516個。沖蝕炮眼的形態如圖6所示。過壓炮眼沖蝕較為嚴重，炮眼大多不再呈現圓形，為無規則形狀。將井筒分為6個相位區間（0°始終指向高邊）：定義相位0為331°～30°，相位60為31°～90°，相位120為91°～150°，相位180為151°～210°，相位240為211°～270°，相位300為271°～330°。X井測試段相位分布統計如圖7所示。由圖7可以看出，在180相位出現沖蝕炮眼的數量和比例更高，是大概率事件。

各段/簇/孔的進砂量如圖8所示。由圖8可知，22段的累計沖蝕面積為415.71 mm2，是測量段中最低，總體IFE為0.64～2.04之間，均布較好的段為13、14、15、23、24，均布一般的段為17、19、22、25，均布差的段為16、18、20、21。

測試段壓裂效果評價如表2所示。通過對比每段的孔簇設計和壓裂規模，結合射孔設計，由表2可知：

（1）通過以上分析，5段分布較好，其中有3段孔簇設計是8×6，其余段孔簇設計4×12。通過對比2種孔簇設計，8×6的段均布好于4×12。

（2）通過計算壓裂規模，21、22段屬于低液低砂比，均布較差，但是由于22段平均沖蝕面積異常低，所以無法評判。19、20段屬于高液高砂比，其他段屬于中等液量中等砂比，均布好、差都有。因此壓裂規模與均布未見明顯正相關。

唯一沒有暫堵的23段，IFE為0.63，壓裂效果好；低液低砂段中兩段暫堵工藝相同，22段壓裂效果一般，21段壓裂效果差，疑似壓竄；中等液量和砂量段13、14、15、16、17、18、19、23、25，部分段暫堵方式不同，壓裂效果各有區別，未見明顯正相關。可以得出：

（1）21段的累計沖蝕面積1 172 mm2，與19段累計沖蝕相當。而19段加砂310 t；22段累計沖蝕面積僅為419 mm2，平均沖蝕僅為9 mm2，除幾個炮眼進砂外，其他炮眼基本沒有進砂。

（2）考慮到21段6簇3孔的節箍撕裂，存在撕裂處過量進砂的可能。

（3）據此，判斷22段橋塞失封，導致22段砂液重復改造了21段，而22段自身幾乎沒有被改造。由于21段存在一個撕裂節箍，測量到的炮眼進砂量可能低于該段的實際進砂量。即使如此，22段的累計沖蝕仍與高液量段相當，且均布較差同時飽壓炮眼多。

3.4 認識

（1）視頻測井前進行洗井作業是保證測井質量的重要舉措，洗井過程中若出口返液檢測達不到要求則繼續洗井，待測井方工程師確認洗井質量合格后方可開始測井作業。

（2）保證視頻數據質量是連續管視頻測井成功的前提，工具入井前需要用表面活性劑涂抹攝像頭避免油污附著，測井過程必須持續循環清水避免地層流體污染。

（3）數據解釋是測井信號直觀表達的主要手段，采用IFE對炮眼進砂量進行統計，表征油井裂縫生長的均勻程度。

4 結論及建議

X井設計了更多的液體體積和支撐劑，顯然大多數壓裂液并沒有導致更好的進砂分布。SED分析表明，在單段總孔數相同的前提下，合理設置較少簇數可以改善單段壓裂進砂分布。并且可以得到以下結論：

（1）未見高液量砂量與壓裂效果的正相關。由于壓竄，無法判斷低液量砂量與壓裂效果的相關性。現有壓裂規模足夠實現建縫，增加規模將提高選擇性，但并不能實現更好的均布。

（2）作業者可以通過SED分析，優化壓裂參數獲得更好的進砂分布，從而提高產能，但仍需大量的作業和改造后的生產記錄來驗證該方法的有效性。

（3）需要完善井下可視化技術配套，提高井下到地面的數據傳輸速度和穩定性，研究適應深井、遠距離傳輸的無線或有線通信技術，降低成本，積極參與并推動國內外井下可視化技術相關的行業標準和規范的建立和完善，以利于技術推廣和應用。

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第一鄭磊，工程師，生于1997年，2022年畢業于中國石油大學（北京），獲碩士學位，現從事連續管作業工具及工藝研究。地址：（430024）湖北省武漢市。email：zhengldr@cnpc.com.cn。2024-02-272024-08-14劉 鋒