張虎, 黎濤, 章松橋, 門媛媛, 同劍, 劉謙

(中國(guó)兵器工業(yè)第213研究所, 陜西 西安 710061)

0 引 言

多級(jí)脈沖射孔技術(shù)是在單脈沖高能氣體壓裂技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種復(fù)雜巖層地應(yīng)力松弛的新方法。該技術(shù)可以克服單脈沖高能氣體壓裂對(duì)地層作用時(shí)間短、壓裂縫長(zhǎng)不足的缺點(diǎn),受到了越來(lái)越廣泛的重視[1-4]。目前,直井多級(jí)脈沖氣體加載壓裂施工工藝已基本成熟,但在海上油田裸眼水平井上進(jìn)行多級(jí)脈沖氣體加載壓裂技術(shù)在中國(guó)未見(jiàn)報(bào)道。

裸眼水平井完井射孔參數(shù)的設(shè)計(jì)多級(jí)脈沖與套管完井情況下完全不同,因?yàn)樵诼阊劬绕涫锹阊鬯骄?井眼的不規(guī)則性和易垮塌性很容易造成射孔后埋槍的工程事故。因此,要根據(jù)不同的井況設(shè)計(jì)不同的射孔參數(shù),研究復(fù)合射孔器火藥在井下的燃燒特征。本文對(duì)海上油田裸眼水平井B-××井進(jìn)行了嚴(yán)格的設(shè)計(jì),成功運(yùn)用多級(jí)脈沖增效射孔技術(shù),射孔后地層壓裂效果顯著。

1 平湖油田后續(xù)油氣產(chǎn)能的開(kāi)發(fā)

平湖油田自1998年11月投產(chǎn)已連續(xù)生產(chǎn)十幾年,各井產(chǎn)量遞減嚴(yán)重,采出程度約45%,綜合含水達(dá)95%左右。天然氣的大量產(chǎn)出,地層壓力下降較多。目前在生產(chǎn)的十幾口油(氣)井對(duì)已開(kāi)發(fā)的油(氣)藏都有了較高程度的動(dòng)用,為了充分動(dòng)用儲(chǔ)量,保證后續(xù)油氣產(chǎn)量的穩(wěn)定,提出了開(kāi)發(fā)P11層。該次射孔的B-××井是首期開(kāi)發(fā)井中的第3口,是老井加深的生產(chǎn)氣井,設(shè)計(jì)井深(主井眼)4 705.5 m,地層壓力系數(shù)約1.3,射孔層溫度137 ℃。針對(duì)以上復(fù)雜地層因素,采用多級(jí)脈沖復(fù)合射孔技術(shù),對(duì)火藥延時(shí)點(diǎn)火、火藥的燃速控制及裝藥量等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。B-××井井身結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

2 射孔器材優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 射孔槍規(guī)格確定

射孔槍外徑主要是根據(jù)裸眼井尺寸選擇,該井目的層比較深并且在水平裸眼段。目的層裸眼井段的井徑為152.4 mm且第1次復(fù)合射孔。針對(duì)這種裸眼水平井,有Φ114 mm和Φ127 mm這2種規(guī)格的射孔槍可供選擇。若使用Φ127 mm的射孔槍,射孔彈和射孔槍的配合更趨合理,穿孔深度和孔徑比較大,射孔效果較好?？紤]到目的層射孔段為裸眼水平井,射孔器爆炸后會(huì)發(fā)生膨脹和彎曲變形,水平井射孔槍在井下處于平躺狀態(tài),下放或上提的摩擦阻力高,裸眼井坍塌易造成射孔槍被埋,上提射孔槍至“狗腿彎處”或縮頸點(diǎn)存在卡槍的風(fēng)險(xiǎn),射孔槍外徑越大,風(fēng)險(xiǎn)越大。適當(dāng)降低射孔槍尺寸,“以空間換安全”是必須的,因此最終選擇了Φ114 mm的雙盲孔射孔槍。同時(shí)要求射孔槍最好選用抗內(nèi)壓大于70 MPa,以盡可能減小射孔后槍的膨脹性和毛刺高度。另外,考慮到裸眼下射孔管柱可能會(huì)遇阻,需要下壓或大張力上提震擊,下井工具全部設(shè)計(jì)成抗擠壓、抗拉、抗壓的器材。

2.2 彈架設(shè)計(jì)

通常情況下Φ114 mm的射孔槍配材料為Q195,Φ65 mm×1.5 mm的直縫焊管作為彈架管,該規(guī)格的彈架在縱向沖擊力的作用下易發(fā)生彎曲或斷裂。采用材料Q235、壁厚2 mm彈架的抗拉能力比1.5 mm壁厚的彈架管能提高45%[5]。為了提高彈架的強(qiáng)度,增加彈架的抗破壞能力,Φ114 mm射孔槍采用材料為Q235、Φ65 mm×2 mm的直縫焊管作為彈架。彈架在射孔槍內(nèi)通過(guò)定位槽定位,采取徑向扶正措施,防止射孔器在井下劇烈震動(dòng)導(dǎo)致固彈系統(tǒng)遭受損害。固定彈架兩端設(shè)計(jì)導(dǎo)爆索螺口鎖緊機(jī)構(gòu),對(duì)導(dǎo)爆索密度影響小,方便調(diào)整,防止人為操作失誤造成導(dǎo)爆索損傷。

2.3 射孔參數(shù)優(yōu)化

平湖氣田儲(chǔ)層為深灰色、灰色泥巖,孔隙溶洞發(fā)育,影響油氣井產(chǎn)能的射孔參數(shù)主要有彈型、孔密、相位和鉆井損害程度。從射孔優(yōu)化的角度,將彈型和孔密控制作為首選,在射孔施工必須確保安全可靠的前提下進(jìn)行射孔參數(shù)優(yōu)化。B-××井鉆遇油層埋藏較深,地層溫度高達(dá)137 ℃,故所有的火工品全部采用耐高溫的產(chǎn)品。射孔彈性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

從表1可見(jiàn),DP48HMX45-1彈各項(xiàng)性能指標(biāo)都優(yōu)于DP45HMX38-3彈,但考慮到射孔彈要與Φ114 mm的射孔槍相匹配,裸眼井射孔完井采用DP45HMX38-3彈比較合理。適當(dāng)降低射孔穿深不至于對(duì)生產(chǎn)井的最終產(chǎn)能產(chǎn)生明顯影響,且裝藥量少,在射孔后槍體產(chǎn)生變形小,有利于管柱的上提,提高了射孔管柱的安全性。為了提高射孔后油井產(chǎn)能,在射孔彈間設(shè)計(jì)旁置藥盒。在相對(duì)較低的孔密下,水平井的產(chǎn)率與垂直井相比要高得多,水平井射孔完井在較低孔密下就能獲得期望的產(chǎn)率比,在此基礎(chǔ)上依據(jù)射孔彈的直徑和旁置藥盒的厚度將射孔槍的孔密設(shè)計(jì)為13 孔/m,根據(jù)鉆井軌跡在油層中的位置確定射孔相位為90 °。

3 復(fù)合射孔管柱設(shè)計(jì)

射孔采用TCP多級(jí)脈沖式復(fù)合正壓射孔;射孔段處于水平裸眼段,設(shè)計(jì)的射孔管柱結(jié)構(gòu)為震擊器+鉆桿+單流閥+安全接頭+加重鉆桿+投球丟槍裝置+壓力開(kāi)孔裝置+鉆桿+防沉沙裝置+壓力延時(shí)點(diǎn)火頭+射孔槍+壓裂藥柱+射孔槍+壓裂藥柱。射孔段管柱結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 B-××水平井射孔管柱示意圖

為防止射孔管柱受裸眼井眼不規(guī)則遇阻,即使射孔后埋槍也便于起出,射孔槍以上的工具全部加工成3in*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同鉆桿扣。射孔管柱下到位后,井口正加壓點(diǎn)火,加壓到點(diǎn)火壓力后繼續(xù)打壓到壓力開(kāi)孔裝置的循環(huán)孔打開(kāi),地面放壓,確認(rèn)槍響后,迅速把射孔槍起出射孔段,以防止射孔槍被埋。如果射孔后井壁垮塌管柱被埋,起不出來(lái),需管柱內(nèi)投球,加壓釋放射孔槍,起出丟槍裝置以上的管柱。

4 多級(jí)火藥分裝

4.1 射孔槍內(nèi)裝藥量

根據(jù)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)壓力計(jì)算原理,可以把增效射孔槍視為一個(gè)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥室,槍體內(nèi)開(kāi)孔孔眼面積總和看作是發(fā)動(dòng)機(jī)的噴喉,則增效射孔槍內(nèi)壓力可由火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室內(nèi)壓力公式計(jì)算[6]

pmax=(ρcμ1kn)1/(1-n)

(1)

式中,pmax為槍內(nèi)峰值壓力,kg/cm2;ρ為槍內(nèi)裝藥密度,kg/cm3;c為裝藥的特征速度,m/s;kn為面喉比(kn=S/S1,S為槍體內(nèi)裝藥的總表面面積,S1為槍體孔眼的總面積之和);n為裝藥的壓強(qiáng)指數(shù);μ1為裝藥的燃速系數(shù)。

4.2 射孔槍下掛火藥量的確定

射孔槍二級(jí)增效火藥量取決于火藥燃燒后在井筒內(nèi)產(chǎn)生的峰值壓力大小,該峰值壓力必須高于地層的破裂壓力。在裸眼井不垮塌的前提下,應(yīng)盡量提高峰值壓力。峰值壓力越高,產(chǎn)生的裂縫越長(zhǎng)。根據(jù)火藥做功理論,峰值壓力為

(2)

式中,p0為井筒靜壓力,MPa;m為裝藥量,kg;f為火藥定容火藥力,kJ/kg;φ為與火藥氣態(tài)產(chǎn)物比熱容比有關(guān)的系數(shù),無(wú)量綱;α為推進(jìn)劑藥柱的余容,cm3/kg;V0為增效火藥在套管中燃燒形成的空腔,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。在確定了需要的峰值壓力后,由式(2)即可計(jì)算出二級(jí)增效火藥的裝藥量。

根據(jù)公式計(jì)算并結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),每米射孔槍內(nèi)總裝藥量為500 g,換算成產(chǎn)品每米射孔槍內(nèi)裝13個(gè)前置藥盒和11個(gè)旁置藥盒。二級(jí)增效火藥的總裝藥量為24 kg,該裝藥量在有套管的情況下完全滿足設(shè)計(jì)要求。施工在裸眼水平井射孔完井,如果將全部火藥集中在一起,射孔后火藥爆燃產(chǎn)生的峰值壓力過(guò)高,有可能會(huì)導(dǎo)致井內(nèi)坍塌,射孔管柱被卡的現(xiàn)象。因此,將二級(jí)增效火藥設(shè)計(jì)成分段組裝,中部下掛2個(gè)Φ84 mm×500 mm的快燃速壓裂彈,尾部下掛4個(gè)Φ84 mm×500 mm的慢燃速壓裂彈。通過(guò)設(shè)計(jì)不同燃速的壓裂彈以及分段組裝,有效降低火藥燃燒后產(chǎn)生的峰值壓力,避免裸眼井塌落造成射孔管柱被卡,火藥燃燒產(chǎn)生的氣體對(duì)地層的持續(xù)壓裂脈沖時(shí)間增加,延長(zhǎng)了地層裂縫長(zhǎng)度,有效改善地層的導(dǎo)流效果。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

2011年8月25日對(duì)B-××井進(jìn)行多級(jí)脈沖射孔施工,起爆壓力計(jì)算如下。

(1) 計(jì)算井筒靜液柱壓力

p液=井垂深×壓井液密度×0.0098

(3)

壓井液密度現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值為1.4 g/cm3,則

p液=3689×1.4×0.0098=50.61

(4)

(2) 確定起爆器剪切銷數(shù)量

常溫下單支剪切銷剪切值為3.09 MPa,考慮材質(zhì)強(qiáng)度誤差±4.5%,從剪切銷強(qiáng)度—溫度關(guān)系曲線可查知,油層溫度137 ℃時(shí)單支剪切銷剪切值降低9%。故單支剪切銷剪切值為

τ=3.09×(1±4.5%)×(1-9%)

=2.67～2.95

(5)

按油田射孔作業(yè)規(guī)范的要求,井口附加7 MPa安全起爆壓力,因此實(shí)際剪切銷數(shù)為

n=(p液+7)/剪切銷最小值

=(50.61+7)/2.67

=22

(6)

(3) 確定井口加壓值p

pmax=剪切最大值×n-p液

=2.95×22-50.61

=14.29

(7)

pmin=剪切最小值×n-p液

=2.67×22-50.61

=8.13

(8)

取井口加壓最高值pmax,作用在井底的壓力為pmax+p液=64.9 MPa,小于水平井射孔槍抗外壓力80 MPa,因此設(shè)計(jì)的起爆壓力及地面加壓值合理,能夠保證施工的安全可靠。

現(xiàn)場(chǎng)采用TCP檢測(cè)系統(tǒng),井口加壓時(shí)TCP監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示有明顯疊加的回波信號(hào),該信號(hào)證明射孔槍響(見(jiàn)圖3、圖4)。

圖3 TCP監(jiān)測(cè)信號(hào)圖譜

圖4 B-××井p—t測(cè)試圖

對(duì)B-××井進(jìn)行了多級(jí)脈沖增效射孔技術(shù)優(yōu)化,與同塊區(qū)沒(méi)有進(jìn)行多級(jí)脈沖射孔優(yōu)化的常規(guī)射孔效果對(duì)比分析,平均產(chǎn)液量提高了8.75 t/d,平均產(chǎn)油量提高了2.8 t/d。單井產(chǎn)量超過(guò)或接近預(yù)期產(chǎn)量,成果的應(yīng)用有效提高了單井產(chǎn)能,取得較好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。

6 結(jié) 論

(1) 裸眼水平井完井多級(jí)脈沖射孔參數(shù)的設(shè)計(jì)與套管完井完全不同,要根據(jù)不同的井況設(shè)計(jì)不同的射孔參數(shù),研究復(fù)合射孔器火藥在井下的燃燒特征,在已知井筒能夠承受最高壓力的情況下,可以計(jì)算所需要的火藥量以及裝藥方式。

(2) B-××井采用了多級(jí)脈沖增效射孔技術(shù),射孔后對(duì)地層壓裂效果顯著,測(cè)試結(jié)果超過(guò)預(yù)期產(chǎn)量,而且安全性能良好。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)一步從實(shí)施效果上驗(yàn)證了多級(jí)脈沖加載壓裂技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。該井一次點(diǎn)火成功,為今后裸眼水平井完井射孔參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的參考依據(jù)。

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