郭長(zhǎng)永,曹瑞國(guó),劉敬偉

(1.中國(guó)石油新疆油田公司工程技術(shù)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(shí)在套管上的孔眼也是水力壓裂增產(chǎn)作業(yè)中支撐劑、攜帶液的入口[1]。因此,射孔器在儲(chǔ)層巖石中的有效穿孔深度及孔道特性是影響后續(xù)壓裂施工及油氣井產(chǎn)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(jì)落實(shí)三級(jí)石油地質(zhì)儲(chǔ)量12.4×108t[4],瑪湖油田已經(jīng)成為當(dāng)前中國(guó)最為現(xiàn)實(shí)的增儲(chǔ)上產(chǎn)接替區(qū)。瑪湖油田礫巖油藏儲(chǔ)層地質(zhì)條件較為特殊[5],礫石含量在50%以上,多數(shù)礫石粒度在8～32 mm,礫石以凝灰?guī)r與花崗巖為主,礦物成分以石英為主,硬度較高,最小主應(yīng)力50～58 MPa[6]。礫巖儲(chǔ)層對(duì)射孔彈的金屬射流形成復(fù)合裝甲效應(yīng)[7],極大地影響了穿孔深度及孔道狀態(tài)。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(wěn)定,不能作為標(biāo)準(zhǔn)靶達(dá)到定量試驗(yàn)分析目的,目前還沒(méi)有模擬礫巖儲(chǔ)層的標(biāo)準(zhǔn)人工靶體。

射孔彈應(yīng)用炸藥破甲原理,用高速金屬射流在靶體中進(jìn)行穿孔。混凝土標(biāo)準(zhǔn)靶制作方法中,采用的石英砂粒徑小于1.6 mm,可認(rèn)為混凝土標(biāo)準(zhǔn)靶是均質(zhì)靶。目前檢測(cè)及試驗(yàn)用的其他鋼、鋁、天然砂巖等各種靶體也都是均質(zhì)靶性質(zhì)。

圖1 采用SDP39型與SDP40型射孔彈射孔后壓裂壓力及排量對(duì)比圖

射孔器給定的穿深及孔徑參數(shù)采用國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn),混凝土標(biāo)準(zhǔn)靶制作采用射孔器材國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 20488—2006)及美國(guó)石油學(xué)會(huì)(American Petroleum Institute,API)標(biāo)準(zhǔn),給定的參數(shù)為86/89型射孔器適配5.5 in套管(鋼級(jí)L-80,標(biāo)稱壁厚7.72 mm)或5 in套管(鋼級(jí)L-80,標(biāo)稱壁厚7.52 mm)制作的混凝土標(biāo)準(zhǔn)靶檢測(cè)數(shù)據(jù)。瑪湖油田水平井由于特殊地質(zhì)狀況油層套管多數(shù)采用5 in套管(鋼級(jí)TP-125V,標(biāo)稱壁厚11.1 mm)完井,礫巖儲(chǔ)層為非均質(zhì)復(fù)合靶性質(zhì),與混凝土標(biāo)準(zhǔn)靶性質(zhì)差異較大;同時(shí)高鋼級(jí)厚壁套管也影響射孔孔眼大小及穿深,瑪湖礫巖儲(chǔ)層的實(shí)際射孔穿深及套管孔徑與現(xiàn)有混凝土標(biāo)準(zhǔn)靶檢測(cè)數(shù)據(jù)相差較大,影響了射孔器材研發(fā)試驗(yàn)及射孔優(yōu)化效果。

受復(fù)合裝甲效應(yīng)、高鋼級(jí)厚壁套管及小井筒等因素影響造成射孔器炸高不足,導(dǎo)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(yè)成本,還延長(zhǎng)了壓裂施工作業(yè)時(shí)間。因此,針對(duì)高鋼級(jí)厚壁套管及礫巖儲(chǔ)層對(duì)射孔孔徑及穿深的影響展開研究。

1 前期試驗(yàn)情況

1.1 瑪湖油田礫巖油藏水平井射孔彈對(duì)比試驗(yàn)

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(jìn)行了水平井射孔試驗(yàn),瑪湖油田正常射孔使用的是SDP40型射孔彈。二者性能參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1,穿深及孔徑指標(biāo)顯示SDP39型射孔彈更好。

表1 射孔彈對(duì)比試驗(yàn)參數(shù)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(duì)比圖,試驗(yàn)對(duì)比了6段射孔段。在同樣的射孔工藝參數(shù)下,應(yīng)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(shí)排量有明顯提高,平均排量達(dá)到2.6 m3/min,提高40%左右,有個(gè)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),我們認(rèn)為增加射孔彈穿深及孔徑對(duì)礫巖儲(chǔ)層壓裂能起到一定的效果。但是現(xiàn)有射孔彈產(chǎn)品沒(méi)有針對(duì)礫巖儲(chǔ)層及特殊油層套管進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),地面試驗(yàn)時(shí)采用均質(zhì)靶及常規(guī)套管,需要對(duì)射孔彈進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)。

2 高鋼級(jí)厚壁套管對(duì)孔徑及穿深影響試驗(yàn)

2.1 86型/89型射孔器適配不同套管工藝參數(shù)對(duì)比

瑪湖油田礫巖儲(chǔ)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(jí)TP-125V,標(biāo)稱壁厚11.1 mm,實(shí)測(cè)可以達(dá)到11.4～11.8 mm)。表2為86型/89型射孔器適配不同套管時(shí)工藝參數(shù)變化情況。

表2 試驗(yàn)射孔彈裝不同射孔器匹配不同套管尺寸參數(shù) 對(duì)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(yàn)對(duì)比

為了明確射孔彈對(duì)高泵壓的影響因素,試驗(yàn)對(duì)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(hào)射孔彈穿深變化情況(見(jiàn)表3)?，敽吞镞x用射孔參數(shù)時(shí),由于水平井5 in油層套管內(nèi)徑較小,為了安全只能選擇86型射孔器,槍身內(nèi)徑較小,導(dǎo)致一樣的射孔彈槍內(nèi)炸高變小。射孔彈炸高變小、套管鋼級(jí)和厚度增大對(duì)穿深及孔徑產(chǎn)生較大負(fù)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(dòng)能較低,穿透套管過(guò)程中射流動(dòng)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(shí)SDP40-1型射孔彈優(yōu)化了藥型罩結(jié)構(gòu)及裝藥結(jié)構(gòu),提高了射流整體速度,射流攜帶的動(dòng)能較高,穿透套管過(guò)程中射流動(dòng)能損失比例較低。為了試驗(yàn)更有針對(duì)性,后續(xù)試驗(yàn)套管均采用5 in套管(鋼級(jí)TP125-V,標(biāo)稱壁厚11.53 mm)。

表3 薄厚壁不同鋼級(jí)套管穿深及孔徑對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

2.3 藥型罩配方對(duì)比試驗(yàn)

為了探究高密度金屬含量對(duì)射孔彈射孔參數(shù)的影響,進(jìn)行了藥型罩配方試驗(yàn)。不同藥型罩配方,在高鋼級(jí)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(shè)計(jì)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(hào)配方進(jìn)行對(duì)比,試驗(yàn)后得到的穿深及孔徑試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。1號(hào)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(hào)配方綜合性能較好,穿深較深,同時(shí)孔眼形狀效果最好,射流能量沒(méi)有浪費(fèi)在套管上,形成的孔道為規(guī)整的圓柱型,在新研發(fā)的試驗(yàn)彈上最終采用該配方;3號(hào)配方加入了較大比例的鉍粉、鉬粉,孔眼出口外翻過(guò)大,能量浪費(fèi)嚴(yán)重,穿深降低(見(jiàn)圖2);4號(hào)配方中鎢含量達(dá)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(duì)比試驗(yàn)(靶強(qiáng)55 MPa) 結(jié)果

圖2 不同藥型罩配方孔徑對(duì)比圖

3 礫巖儲(chǔ)層對(duì)射孔彈穿深影響

3.1 制作礫巖靶

根據(jù)瑪湖油田取心樣塊統(tǒng)計(jì),瑪湖油田礫巖粒度分布范圍為2～64 mm,細(xì)礫巖(粒度2～8 mm)較少,多數(shù)礫巖粒度為8～32 mm。根據(jù)取心統(tǒng)計(jì),儲(chǔ)層以礫石為主,占51.1%～57.1%,砂質(zhì)成分36.9%～44.6%,礫石成分中以凝灰?guī)r為主,其次為花崗巖。根據(jù)礫巖特性制作了礫巖靶,選取10～30 mm鵝卵石,分成3個(gè)目數(shù)段進(jìn)行配比,其余成分比例應(yīng)用混凝土標(biāo)準(zhǔn)靶制作工藝。

3.2 礫巖靶對(duì)比試驗(yàn)

礫巖靶達(dá)到養(yǎng)護(hù)周期、強(qiáng)度趨于穩(wěn)定后測(cè)試抗壓強(qiáng)度為52～62 MPa,選取性能較為穩(wěn)定的DP41RDX25-1型射孔彈作為標(biāo)準(zhǔn)彈,礫巖靶射孔平均穿深285 mm,標(biāo)準(zhǔn)偏差小于35 mm。在混凝土標(biāo)準(zhǔn)靶檢測(cè)中,射孔彈平均穿深739 mm,標(biāo)準(zhǔn)偏差87 mm,平均孔徑9.9 mm。和混凝土標(biāo)準(zhǔn)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(shí)礫石經(jīng)過(guò)粒度及成分篩選,嚴(yán)格按照儲(chǔ)層粒度特性進(jìn)行配比。射孔彈在礫巖靶穿深較為穩(wěn)定,可以作為礫巖標(biāo)準(zhǔn)靶進(jìn)行試驗(yàn),同時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,重新進(jìn)行射孔彈藥型罩結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),應(yīng)用新型藥型罩配方,通過(guò)數(shù)值模擬以及試驗(yàn)驗(yàn)證得到優(yōu)化產(chǎn)品SDP39-M型射孔彈。地面試驗(yàn)時(shí),SDP39-M型射孔彈適配5 in高鋼級(jí)厚壁套管,API混凝土標(biāo)準(zhǔn)靶穿深867 mm,礫巖靶穿深及孔徑數(shù)據(jù)見(jiàn)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(duì)比表

3.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2019年10月在瑪131井區(qū)3口同平臺(tái)井進(jìn)行多段多簇水平井射孔壓裂試驗(yàn),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(yàn)彈),其余對(duì)比井段全部采用SDP40型射孔彈(常規(guī)彈),API混凝土標(biāo)準(zhǔn)靶穿深大于850 mm。由于瑪湖油田在試驗(yàn)時(shí)已開始上凍,為加快施工進(jìn)度,多數(shù)井段試擠壓力在60～75 MPa就進(jìn)行了加酸處理。該次試驗(yàn)重點(diǎn)分析在壓裂初期試擠階段射孔孔道的進(jìn)液量與壓力的關(guān)系及壓裂作業(yè)時(shí)間變化,酸進(jìn)入地層后的變化不做分析(見(jiàn)表6)。MH1319井同時(shí)進(jìn)行壓裂液量試驗(yàn),設(shè)計(jì)進(jìn)液量與瑪湖油田標(biāo)準(zhǔn)壓裂工藝相比提高40%,在試擠階段不加入滑溜水,壓裂作業(yè)時(shí)間較MH1318井及MH1317井長(zhǎng)。因此,通過(guò)對(duì)比MH1319井試驗(yàn)段與正常作業(yè)段數(shù)據(jù),可以看出,采用試驗(yàn)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(jì)算縮短的泡酸時(shí)間,應(yīng)用試驗(yàn)彈的射孔壓裂段平均每段壓裂作業(yè)時(shí)間縮短33 min。

表6 同平臺(tái)3口井壓裂數(shù)據(jù)對(duì)比表

MH1318井應(yīng)用SDP39-M型試驗(yàn)射孔彈壓裂段與該井正常射孔壓裂段對(duì)比,同時(shí)也與同平臺(tái)的MH1317井射孔壓裂段(全部使用SDP40型常規(guī)射孔彈)進(jìn)行了對(duì)比,壓裂工藝按照瑪131井區(qū)標(biāo)準(zhǔn)施工工藝進(jìn)行,試擠階段加入滑溜水。如圖3所示,應(yīng)用SDP39-M型試驗(yàn)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(jì)算縮短的泡酸時(shí)間,平均每段壓裂作業(yè)時(shí)間縮短39 min。采用試驗(yàn)彈射孔的壓裂段比采用常規(guī)彈的射孔段壓裂作業(yè)時(shí)間平均縮短22.4%,同區(qū)塊正常作業(yè)單段射孔-壓裂作業(yè)總體耗時(shí)約5.22 h,單口井(按30段計(jì)算)耗時(shí)6.5 d。如果全部應(yīng)用試驗(yàn)彈單口井可縮短一天的作業(yè)時(shí)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(shí)間對(duì)比圖

4 結(jié) 論

(1)本文進(jìn)行了射孔彈適配不同套管及礫巖靶射孔對(duì)比試驗(yàn),驗(yàn)證了瑪湖油田礫巖儲(chǔ)層及高鋼級(jí)厚壁套管對(duì)射孔彈穿深及套管孔徑產(chǎn)生的影響。設(shè)計(jì)制作了礫巖靶,能有效針對(duì)礫巖儲(chǔ)層設(shè)計(jì)優(yōu)化高性能射孔彈產(chǎn)品。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證射孔彈性能變化在礫巖儲(chǔ)層對(duì)壓裂的影響,壓裂試擠壓力在60～75 MPa的情況下,試擠排量達(dá)到4 m3/min,已接近不加酸直接壓裂施工的工藝條件。從試驗(yàn)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(shí)泡酸段數(shù),有效縮短壓裂施工時(shí)長(zhǎng),取得較好射孔效果。

(2)伴隨油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域的不斷深入,射孔和地質(zhì)及壓裂等完井工藝結(jié)合不斷加強(qiáng),建立在巖石物理和油藏地質(zhì)條件下的射孔檢測(cè)技術(shù)逐步發(fā)展。隨著中國(guó)致密油氣等資源開采增加,針對(duì)油田特殊區(qū)塊、特殊地質(zhì)狀況進(jìn)行單獨(dú)的射孔彈優(yōu)化設(shè)計(jì)將越來(lái)越受到重視。