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射孔完井工艺设计

发布:多吉利        来源:www.duojili.cn  

射孔完井工艺设计

射孔完井是油气井的主要完井方式之一,在采用射孔完成的油气井中,井底孔眼是沟通产层和井筒的唯一通道。如果采用合理的射孔工艺和正确的射孔设计,并高质量的完成射孔作业,就可以使射孔对储层的伤害降到最小,井底完善程度高,从而获得期望的产能。
多年来人们对射孔工艺、射孔枪弹器材与配套设备、射孔伤害机理及检测评价方法、射孔优化设计和射孔液等进行了大量的理论、实验和矿场试验研究,尤其是近十几年来,射孔技术取得了迅速的发展。人们已经认识到,射孔是完井工程的一个关键性环节。为此,采用先进的理论和方法,针对储层性质和工程实际情况,把射孔完井作为一项系统工程来考虑,优选射孔设计,是搞好完井必不可少的基本条件。

一、射孔工艺

应针对油气藏地质特征、流体特性、地层伤害状况、井类型(直井、斜井或水平井)、套管程序和油气井试油投产或完井目标,选择与之相适应的射孔工艺。

1.电缆输送射孔工艺(WCP)

电缆输送射孔(wireline conveyed perfroating)就是利用钢丝铠装电缆将射孔器输送到目的层进行射孔。按工艺的不同可分为普通电缆输送射孔工艺、电缆输送过油管射孔工艺(常规式和张开式)和电缆输送密闭式射孔工艺。
普通电缆输送射孔工艺是在井口只装放炮闸门情况下进行射孔,这种射孔工艺的射孔器直径可选范围大。缺点是建立负压差比较困难,防喷能力较差,如遇井喷只能关闭放炮闸门,切断电缆。这种方法主要用于低压油藏。
常规电缆输送过油管射孔工艺是利用电缆将射孔器从油管下到目的层进行射孔的一种工艺,这一工艺的优点是在井口安装防喷装置后进行射孔,所以有较好的防喷能力;射孔后可直接投产,可避免压井造成产层污染。适合于生产井不停产补孔和打开新层位,海上作业应用此工艺可避免起出生产管柱。缺点是油管的内径限制了射孔器的外径,使射孔弹的装药量受到影响,所以射孔弹穿深较浅。
为了克服这一缺点,在此基础上又发展了过油管张开式射孔,它是用电缆输送射孔枪,可在不起出油管的情况下,把大能量射孔弹用电缆输送到射孔目的层后,由地面对释放雷管发出电讯号,释放雷管起爆解锁后,射孔弹在弹簧拉力的作用下,旋转90°,与弹架轴线成垂直状态,然后由地面对电雷管发出起爆电讯号,雷管引爆导爆索,导爆索引爆射孔弹,从而实现过油管深穿透射孔。这样就能在不取油管的情况下相当于使用一种大直径套管射孔枪,其弹药量不小于23g,穿深可达到原51枪的4倍以上,有效发挥油气井产能。
密闭式电缆输送射孔工艺是指在井口安装防喷装置后利用电缆将射孔器下到目的层进行射孔。优点是可用大直径的射孔器进行射孔,提高射孔弹穿透深度。缺点是井口防喷装置庞大,安装困难;增加了注脂泵车,施工较复杂。主要适用于常压或高压油气藏。

2.油管输送射孔工艺(TCP)

油管输送射孔工艺(Tubing conveyed perforating)是利用油管将射孔枪下到油层部位射孔。油管下部联有压差式封隔器、带孔短节和引爆系统,油管内只有部分液柱造成射孔负压。通过地面投棒引爆、压力或压差式引爆或电缆湿式接头引爆等各种方式使射孔弹爆炸而一次全部射完油气层。
油管输送射孔的深度较正一般采用较为精确的放射性测井校深方法。在管柱总成的定位短节内放置一粒放射性同位素,校深仪器下到预置深度(约在定位短节以上100m),开始下测一条带磁定位的放射性曲线,超过定位短节约15m停止。将测得的放射性曲线与以前测得的校正的放射性曲线对比,换算出定位短节深度,并在井口利用油管短节进行调整。
油管输送射孔具有可一次打开所有储层、高孔密深穿透、防喷能力强、通过不同的工具组合可满足各类油气井射孔的优点。适用于高压油气井射孔、长井段射孔以及水平井射孔。缺点是工艺比较复杂、成本较高。

3.模块枪电缆射孔工艺

模块枪电缆射孔技术是针对地层压力大的高压油气井,利用电缆输送方式实现油管输送式射孔完井过程,达到防喷的目的,并且能够实现定方位射孔。
该工艺是将模块枪用电缆分段下井,锚定在套管壁上,引爆模块枪一次射开全部射孔段,悬挂器和模块枪将自动释放丢到井底,然后通过电缆防喷器,井口带压操作捞出射孔枪。该工艺的最大优点是,射孔枪不需要电缆或油管连接,能自行锚定在射孔目的层位,一次射开超长射孔井段并自动丢枪到井底,从而实现全通径生产完井管柱。该工艺可在负压情况下射孔,保护了储层,能最大限度地提高油气井生产能力。

4.油管输送射孔联作工艺

1)油管输送射孔与投产联作
       国外对自喷井普遍采用这种工艺,既安全又经济,射孔与投产只下一次管柱就完成;管柱的结构和使用的封隔器因井而异,一般都采用丢枪的方式。比如贝克休斯公司油管输送与投产联作系统。它采用电缆将生产封隔器坐封在油层套管上,然后下入带射孔枪的管柱,管柱的导向接头下到封隔器位置时,循环冲洗管柱,将管柱内的积渣和污物冲洗干净;然后继续下管柱,当管柱总成坐封后,井口投棒撞击枪头的起爆器,使之射孔;射孔后射孔枪及其残渣被释放至井底,随后转入投产。
2)油管输送射孔和地层测试联作
将油管输送的射孔枪、点火头、激发器等部件接到单封隔器测试管柱的底部。管柱下到待射孔和测试井段后,进行射孔校深、坐好封隔器并打开测试阀,引爆射孔后转入正常测试程序。国内基本上都采用旁通传压技术进行TCP测试联作。根据地层测试工具的不同类型可进行四种主要形式的组合。即TCP+MFE(多流测试器)联作测试、TCP+PCT(环压控制测试器)联作测试、TCP+HST(水力弹簧测试器)联作测试、TCP+APR(全通径测试器)联作测试。
这种工艺特别适合于自喷井,可缩短试油周期,降低成本,保护储层。目前在探井、评价井中应用极为广泛。例如在塔里木深井和超深井中取得成功应用,其射孔层段深度均在4500m以下,地层压力系数在1.1~1.2之间,地层温度在120º~150º之间,采用了环空加压引爆与MFE联作测试,在100多井次中成功率达90%。其工作程序是,环空压力经封隔器上面的旁通孔传递到起爆器活塞,活塞受压剪断销钉后下行,撞击起爆药饼引爆射孔;射开地层后流体经过环空由筛管进入管柱,即转入正常测试流程。
3)油管输送射孔与水力压裂、酸化联作
这种工艺在我国四川气田、长庆油田获得了成功的应用。完井时下一次管柱,能完成射孔、测试、酸化、压裂、试井等工序。
4)射孔与抽油泵联作工艺
该技术根据选用抽油泵的类型采用不同的负压起爆方法。例如杆式泵可采用投棒起爆,管式泵可采用油管内加压起爆,螺杆式抽油泵则只能采用油管外加压起爆。该工艺不仅可避免射孔后压井液对地层造成的二次污染,而且具有一定增产效果。大庆试油试采分公司和胜利测井公司成功进行了的射孔抽油泵联作施工。
5)射孔与高能气体压裂联作工艺
射孔与高能气体压裂的基本原理是在射孔弹架内装填惰性炸药(常用固体或液体推进剂),利用油管或电缆把射孔装置下到目的层位,通过投棒或电引爆射孔枪。由于射孔弹从引爆和形成射流的时间是毫秒级,而装填的火药从引爆到完全燃烧是秒级,利用爆速与燃速的时间差,射孔弹引爆后形成的射流首先穿透套管,在地层中形成孔眼,而延迟燃烧的枪身内的推进剂随后产生高温高压气体,对刚形成的射孔孔眼进行冲刷和延伸,并产生不受地应力控制的裂缝,裂缝长可达2-8m,形成较完善的井底沟通。形成裂缝的条数与作用时间和峰值压力有关。
6)油管输送射孔与防砂联作工艺
对于弱/非胶结地层而言,地层极不稳定,易受外界扰动因素影响而出砂,此时可采用油管输送与防砂联作工艺,一趟管柱实现射孔与防砂作业,减少施工成本和作业时间,并有利于保护储层。它采用了带螺旋片的施工管柱,能大排量地循环清除井内砂粒而不卡枪,并有效地向孔眼进行砾石充填。其施工流程是先在套管内射孔段底部坐封封隔器,然后将上部带封隔器和下部带螺旋片射孔枪的管柱(该管柱在地面试验能满足8315N×m的扭矩),下至油层底部,校深后使封隔器坐封后射孔;解封上部封隔器,然后大排量循环清洗孔眼,再由管内注入携砂液,经旋转管柱将砂液掺入孔眼,在地面可观察压力和砂液返出情况;最后旋转管柱至砂面以上循环后,再起出施工管柱。
为了进行有效的砾石充填作业,射孔应采用大孔径、高孔密。

5.超正压射孔工艺

超正压射孔工艺EOP(extreme overbalance perforating)是国外Orxy能源公司的Handren等人于90年代提出的新工艺技术,由于其良好的施工效果在北美地区至少进行了1000口井现场应用,得到了很好发展。
该工艺是在射孔前,使用液体或氮气或混合气液柱向井筒加压,使井底压力至少等于地层破裂压力。在射孔瞬间压缩气体的能量直接转化为作用于地层的压力,加压液体以非常高的速度进入射孔孔眼。由于在射孔瞬间,聚能射孔作用本身于孔眼尖端的压力已高达上万兆帕,这样高的压力大大超过了地层岩石的主应力和抗张强度,必然在孔眼壁面产生高度的应力集中,使得孔道壁面产生大量裂纹。因而随后高速的流体冲击会使裂纹延伸扩展,形成有效井底沟通。射孔后继续注液氮、注酸、注携砂液都可起到增产效果;也可射孔后继续注树脂固结地层砂而起到化学防砂的作用。
该工艺对碳酸盐岩地层来说,如果井筒流体介质采用酸液,通过酸液溶蚀能力,最终形成地层和井底的有效沟通,这对于提高低渗或裂缝性碳酸盐岩储层的油气井产能将起到积极作用。对于低渗、非均质严重或污染严重或低压的砂岩油气层,由于达不到清洗孔眼需要的负压差,它是替代常规负压射孔的极好方法,大大提高了射孔工艺对不同地质条件的适应性。对于低渗、非均质严重、完井后需要压裂投产的井,EOP技术也可作为压裂的先导技术或井底流动条件改善的有效技术。
由于EOP工艺是高压作业,要考虑井下管柱、井口和设备的承压能力,强化安全措施。此外,液体要进入地层,必须保证完井流体与地层岩石和流体有良好的配伍性,以避免产生新的储层伤害。
一般来讲,EOP工艺主要适用于(1)中低渗油藏的压裂施工预处理;(2)中高渗油藏解堵;(3)碳酸岩油藏(需添加酸液);(4)天然裂缝性油藏;(5)非均质严重油藏;(6)已射孔井的高压冲击解堵。

6.水平井射孔工艺

自八十年代初水平井在油田开发中开始得到应用以来,与水平井相关的配套技术与理论也得到了长足的进步。在水平井射孔技术理论与实践方面,国外各主要石油公司,例如斯仑贝谢、西方阿特拉斯、哈里伯顿和阿莫科等都在深入广泛地开展射孔技术的研究工作。目前国内通过不断探索和学习,不仅能完成长井段、深井的定向射孔作业、而且能完成水平井的射孔与测试联作、水平井重复射孔、水平井限流压裂射孔、水平井的氮气超正压射孔等作业。水平井射孔已经逐渐变成一项常规射孔作业。
在不易垮塌地层的水平井中,为了有效防止气、水锥进,便于分层段开采和作业,目前大都采用射孔完井方式。水平井射孔枪的传输方式一般采用油管或连续油管输送。
需要特别提及的是,近年来国外水平井或大位移井连续油管输送射孔发展很快。由于连续油管(coiled tubing)施工安全、快捷和对油气藏特有的保护作用等特点,在国外油气田开发中获得了广泛的应用。国内各大油田也相继引进了连续油管及其作业车,并成功解决了油田生产中的一些特殊难题,连续油管的应用范围已扩展到修井、完井、测井、增产措施、钻井、管输等多个领域。

7.定方位射孔工艺

定方位射孔技术(oriented perforating technology)主要应用于裂缝性油藏射孔、水平井射孔、欲压裂井射孔和防砂射孔作业。一般对准裂缝发育方位或正交于最小水平地应力方位射孔,有利于防砂或进行压裂施工作业,提高作业的成功率和效果。
国外定向射孔系统(直井或水平井)已大量应用于油气田生产实践中,并取得了良好效果。例如哈里伯顿公司新推出的G- Force 精确定向射孔系统。该系统上的定向旋转仪位于枪身的保护性环境内,其先进性主要表现在它克服了老的定向系统受到的一些限制,如不依赖于特殊的串联翼翅、偏心短接和旋转环,所有这些都受到枪工作时产生的摩擦和扭矩的影响,导致定向精度低。
该系统设计主要用于井斜在25°以上的井。枪身长6.7m,彼此紧密咬合,使系统排列成一条直线,它不需要旋转短接。其内部定向系统含在枪架内。这种紧凑的结构可以将其放置在其它枪因与套管或障碍物摩擦而不能到达的位置。系统可通过连续油管、电缆、钢丝或铰链管来传送。由于不需要使用多个定向短接, 射孔枪可在井眼内居中,显著提高了射孔效率。
国内除水平井采用重力定向射孔有较多应用外,其他与国外有较大差距。四川测井公司曾经研制的定方位仪采用加速度计作为定向系统,同时采用小直径金属保温瓶和井下自动导向系统,用于井斜大于等于2°的井,配陀螺短节后可进行直井定向。辽河测井公司也研制了采用陀螺定向的直井定向射孔仪。要达到期望的效果还需要作大量工作。技术关键在于地层裂缝或主应力方位的确定、定向控制方法、配套工具开发、数据传输采集与处理以及定向监测评价技术。

二、垂直井射孔设计方法

垂直井射孔参数的优化设计主要考虑三个方面的问题:各种可能参数组合的产能比、套管伤害情况和孔眼的力学稳定性。产能比是优化目标函数,后两者是约束条件。

1. 射孔弹性能数据准备

全国射孔检测中心定期都公布全国各种射孔弹的基本数据,主要包括混凝土靶的穿深、孔径、抗压强度等。在优化设计时需要知道射孔弹的压实伤害参数CZH和CZC,应根据每种射孔弹岩心打靶的孔深Lp、孔径dp、贝雷岩心靶长度Lc、岩心直径dc和射孔岩心流动效率CFE,计算压实参数。
压实程度CZC(Kcz/ko)对射孔优化设计有重要的影响。可使用射孔弹穿透贝雷岩心靶的各项数据(孔深、孔径、流动效率等)通过射孔岩心靶有限元分析软件计算出压实伤害程度CZC。
射孔参数优化设计时,也要调查射孔枪的参数。射孔枪参数包括枪外径、适用孔密、相位角、枪的工作压力和发射后外径(包括毛刺)以及适用射孔弹型号。配套使用射孔枪弹效果最好,因为配套射孔枪能保证射孔弹炸高在一个合理的范围内。

2. 射孔弹孔深与孔径校正

       射孔弹厂家公布的射孔弹性能数据目前大都是混凝土靶数据,它并不表示在实际地下情况的穿透数据,只有地下实际情况下的穿透数据才能用来评价射孔井的动态。因此,针对特定地层条件进行射孔优化设计时必须进行射孔弹性能参数校正。
       以前通过大量的实验,已经获得了贝雷砂岩靶的校正方法。针对目前大量使用混凝土靶的现状,必须进行混凝土靶的校正方法研究。方法之一是寻找混凝土靶向贝雷砂岩靶的转换方法,其二是研究混凝土靶数据直接向实际地层穿透数据的校正方法。
1)根据混凝土靶穿透数据转换为贝雷岩心靶数据。
一些油田建立了简易的混凝土靶以检验射孔弹性能。要将混凝土靶穿透数据折算为贝雷岩心靶数据,这个数据对优化设计、产能预测和动态分析是有用处的。根据大庆检测中心各年来公布的数据,分析发现混凝土靶和贝雷砂岩靶穿透数据之间有较明显的关联性。
2)射孔弹井下穿深和孔径的校正。
虽然根据混凝土靶可以近似得到贝雷靶数据结果,但实际井下条件下,穿深和孔径与地面贝雷砂岩靶的数据可能会有很大的不同。由贝雷靶向实际地层的校正应该包括六个方面,即枪套间隙、套管级别和层数、岩石抗压强度、射孔液垫压力、下井时间和井下温度、射孔弹存放环境和时间等。下面是具体的经验校正方法。
(1)枪与套管的间隙d校正
最佳间隙为0~13mm。若d=16~24mm,应将地面孔深和孔径数据乘以0.95。若d>25mm,应再乘以0.95。枪套间隙对孔深的影响要小于对孔径的影响,设计时若需要大孔径弹,则枪套间隙影响最好通过实验确定。
(2)下井时间和井内温度校正
常用炸药都存在耐温与耐时问题,如果射孔环境超过炸药的耐温耐时极限,射孔弹炸药将会降解,严重影响射孔弹性能。若可能超过耐温、耐时范围,应将地面孔深乘以0.95~0.85。实际设计时,最好根据实际井下环境,利用射孔弹炸药的耐温耐时曲线,选择合适的炸药类型。    
(3)射孔液静水压力校正
根据前苏联格里戈和美国L.A.Berhrman等人的研究表明,射孔液压增大会使孔深和孔径减小。这是由于聚能射流在穿过液层时会在液体中形成空腔。射孔液压力越大,空腔收缩回原始状态的时间就越短,使穿透能力下降。
因目前国内岩心靶测试是在“井”内压力10.5MPa下进行的,若实际井下压力不同则需校正。当井底压力pw<10.5MPa,应将地面穿深和孔径乘以1.05。若pw=15~24MPa时,应乘以0.95。若pw≥>25MPa时,应再乘以0.95。
(4)产层套管级别和层数校正
套管强度对孔眼尺寸有直接影响,对于高速射流深穿透射孔弹,不同套管钢级下的孔眼大小可由下式计算。           
对于油层多层套管的情形,孔径随第二层或第三层套管的变化随弹型的不同而不同。对深穿透射孔弹来说,一般估计第二层套管孔径比第一层套管的孔径下降10%-30%,第三层套管孔径比第二层套管孔径下降10%。遇到这种情形最好采用地面打靶实验进行确定,特别是有特殊用途(防砂或砾石冲填等)的大孔径聚能射孔弹。
穿深的校正可根据套管类型经验地确定。若为N80套管,地面数据应乘以0.95;若为P110,乘以0.90。双层套管时,地面孔深应乘以0.6;三层套管时,地面孔深应乘以0.4。
表10-4 套管级别及其物理性质
套管
级别
洛氏硬度
“B”
布氏硬度
“C”
布氏硬度
Brinell
屈服强度
MPa
J-55
81-95
 
152-209
379
K-55
93-102
14-25
203-256
379
C-55
93-103
14-26
203-261
517
L-80
93-100
14-23
203-243
552
N-80
95-102
16-25
209-254
552
C-95
96-102
18-25
219-254
655
S-95
 
22-31
238-294
655
P-105
 
25-32
254-303
724
P-110
 
27-35
265-327
758
 
(5)岩石孔隙度校正
射孔弹的穿透能力随岩石孔隙度减小(抗压强度增大)而减小。国内根据国外公司诺模图,利用回归分析方法给出了以下校正关系。用ff 表示地层孔隙度(百分数),fb表示贝雷砂岩靶的孔隙度(百分数),C表示校正系数。

3. 钻井伤害参数的计算

钻井伤害主要表现在固相侵入和滤液侵入,并由此而引起物理和化学伤害,使产层在一定径向深度的范围内渗透率降低。就射孔而言,钻井伤害参数(伤害深度、伤害程度)是影响射孔优化设计的两个重要参数。目前确定钻井伤害参数的方法有裸眼中途测试方法、测井方法、反求法、经验法以及根据实际测试资料进行拟合等。若有条件就采用裸眼中途测试法测定或借用同一地层相同钻井条件的邻井中途测试资料。若无中途测试条件可根据钻井数据用经验法确定,国内的射孔优化设计软件已提供经验计算方法。

4. 射孔参数优化设计

射孔参数优化必须建立在对各种地质、流体条件下射孔产能规律的正确认识基础上,或者说必须建立起正确的模型,获得定量化的关系。参数优选时,根据定量关系,计算各种可能的孔密、相位、射孔弹配合下的产能比,并计算出每种配合下套管抗挤能力降低系数,在保证套管抗挤毁能力降低不超过5%的前提下,选择出使产能比最高的射孔参数配合。
对裂缝性储集层、砂泥岩交互薄层和疏松砂岩储层等,要建立各自相应的产能模型,根据这些储集层射孔的特殊性,进行参数优选。
下面简要总结射孔参数优选步骤:
⑴ 建立各种储层和产层流体条件下射孔完井产能关系数学模型,获得各种条件下射孔产能比定量关系;
⑵ 收集本地区、邻井和设计井有关资料和数据,用以修正模型和优化设计;
⑶ 调查射孔枪、弹型号和性能测试数据;
⑷ 校正各种弹的井下穿深和孔径;
⑸ 计算各种弹的压实伤害参数;
⑹ 计算设计井的钻井伤害参数;
⑺ 计算和比较各种可能参数配合下的产能比和套管抗挤毁能力降低系数,优选出最佳的射孔参数配合;
⑻ 计算选择方案下的产量及表皮系数;
⑼ 计算出最小和最大负压,推荐施工负压;
⑽ 选择合适的射孔工艺和射孔液;
⑾ 设计施工管柱和编写施工设计书。
上述各种计算的工作量很大,查诺模图的精度也很有限,国内研究射孔优化设计软件可以方便、快速、较准确地进行优化设计。

5. 射孔液优选

目前常规射孔液体系主要有无固相清洁盐水射孔液、聚合物射孔液、油基射孔液和酸基射孔液。而高密度、耐高温完井/射孔液体系主要有高密度清洁盐水射孔液(溴盐盐水射孔液、非溴盐盐水射孔液、有机酸盐盐水射孔液)、水基无粘土射孔液、改性钻井/完井/射孔液等。
随着油气勘探开发的重点已由浅层转向深层,射孔液的适用温度由低温转向超高温及高密度方向发展,同时由于环境保护的严格要求,完井液/射孔液中各种添加剂又必须具有无毒或低毒和易生物降解的性能。因此射孔液的设计应包括:(1)能够有效控制地层压力,实现密度可调;(2)与储层岩石和流体具有良好配伍性,防止粘土膨胀和结垢等;3)低腐蚀性,有利于保护油管、套管及设备;(4)在地面和井下具有良好的稳定性;(5)清洁环保;(6)成本低廉、货源广等等。
射孔液的合理选择必须结合具体的储层潜在伤害机理、通过大量的室内实验来优化射孔液配方,使射孔液尽量与储层具有良好的配伍性、环保性,保证最佳的射孔效果。

三、水平井射孔优化设计

优化水平井射孔完井设计,完善水平井流动动态,是一项十分复杂又具有重要实际意义的工作。我们必须弄清楚在不同情况下影响水平井射孔完井流动动态的主要因素,并采用相应的技术措施来消除不利因素的影响。研究表明,钻井伤害、射孔伤害以及流体流入孔眼的流线汇聚引起的附加表皮系数是影响水平井产能主要因素。

1. 一类射孔参数优化

       一类射孔参数主要指射孔打开段的射孔枪弹参数的优化。其数据准备和基本步骤和直井优化过程类似,一般是在下述二类射孔参数优化结果(宏观优化)的基础上进行局部打开段的射孔优化(局部优化),或二者相互结合直接进行优化设计计算与选择。
根据国内外研究结果,射孔枪弹参数的选择及其产能比评价应遵循以下设计原则。
(1)孔密对产能指数有显著的影响,但达到最优产能比的射孔密度比垂直井低得多。也就是说水平井射孔完井没有必要追求高孔密。
(2)孔眼深度对水平井产能比的影响比垂直井中更为显著。在低孔密和各向异性较高的条件下,孔眼深度的影响更为显著。深穿透射孔效果明显。
(3)在各向异性地层中,射孔相位角对产能指数的影响尤为显著。180°相位比90°相位要好。而对于各向同性地层,相位角的影响很小,可以忽略。
(4)限制钻井污染深度对于提高产能是非常重要的,以便它能够被射孔所穿透。如果射孔未能穿透污染带,则污染带渗透率和地层渗透率比值对井产能的影响变得尤为严重。因此严重的钻井污染要求深穿透射孔。
(5)在井底使用高孔密和深穿透射孔可以帮助获得最大的产能。相反,为了控制气水锥进,获得较均一的流入剖面,必须根据实际水平井钻遇情况、渗透率分布和污染评价,利用油藏和井筒的耦合模型,对沿井筒的射孔参数分布进行优化。
(6)对油井来说,非达西流的影响可以忽略。而对于气井,非达西流动影响十分明显,必须考虑其对产能的影响。

2. 二类射孔参数优化

二类射孔参数主要指孔眼分布参数的优化。对于水平井,相同的第一类射孔参数,位置不同,产率比不同;打开程度不同,产率比也不同;射孔方位不同,产率比也不同。
1)打开程度和打开位置
根据水平井射孔完井产能规律的研究结果,由于井筒的流动动态和油气藏渗流的共同作用,使得射孔打开程度、打开段的位置和分布直接影响水平井的生产能力。水平井打开位置和打开程度优化是通过耦合产层流入动态和水平井筒的多相流动模型利用数值方法或格林源函数法求解完成的,它必须结合实际油藏和井身数据来进行分析。
可以看出分段打开时单段的流量贡献比全部打开对应井段的流量贡献要高,如果打开程度合适,分段打开和全部打开时水平井产能相差不会很大。具体打开程度多大合理必须进行结合具体油气藏进行相应的分析计算。
       水平井根端的打开段流量贡献最大。因此,如果分段射开,在给定打开程度下分多少段、各段位置也必须根据具体油气藏情况、井身轨迹、钻遇情况和测井解释等进行相应的模拟器计算,并结合射孔工艺的实施情况综合决定。对均质地层打开段离水平井根端越近,产能相对越高。
       打开程度和打开位置优化在假定不同射孔局部打开表皮因子的基础上进行的。
       2)打开方位
       水平井和直井射孔优化设计不同点除了射孔打开位置和程度两个方面外,还在于地层非均质性和孔眼方位的影响与直井完全不同。研究表明,如果孔眼方向与地层最小渗透率一致,那么油气井的射孔完井的表皮系数将最低。也就是说,对大多数各向异性地层来讲,孔眼最好是垂向180°定向射孔。
对各向异性地层,60°、90°或120°相位确实没有180°有效,但是如果提高孔密,则也可能获得与180°相似的结果,同时这对精确定向要求不高,有利于施工。
对于底水油藏,则应根据避水高度要求,合理选择选择布孔格式,并根据污染评价、渗透率分布和流入剖面预测,优化完井参数。

3. 三类射孔参数优化选择

这里指合理射孔压差确定,主要根据选择的射孔工艺进行设计。对于常规负压射孔,必须在确定出最小负压和最大负压后,选择合适的施工负压。对于负压射孔与测试联作,射孔压差一方面要满足负压射孔要求,同时必须满足合理测试压差的需求。对于超正压射孔,射孔压差必须根据地层破裂压力和模拟计算综合确定。

四、其他特殊井射孔设计原则

前面讨论了常规直井、水平井射孔优化设计方法。对于一些特殊井,比如欲压裂井射孔、防砂井、高温高含H2S井、注水井、稠油井等,它们的射孔设计是有不同要求的。

1. 压裂井射孔参数设计

射孔参数的选择对于水力压裂、酸压和基质酸化的施工质量有重要影响。压裂井射孔参数优化的目的是尽可能地降低压裂施工时以及油气井投入生产时的近井筒压力区域损失。近井区域压力损失影响的因素主要有孔眼摩阻、射孔相位与PFP面不匹配造成的微环局部限流扭点、多裂缝的产生以及裂缝面迂曲度等。
1)孔眼深度
追求射孔深穿透是不必要的,因为裂缝一般都是在接近砂面孔眼的部分起裂并逐渐向PFP扩展,并且射孔枪的穿透性能与套管上孔眼直径尺寸的大小相互制约。
2)孔眼直径
当对压裂井选择射孔弹时,穿深和孔眼尺寸必须进行较好协调。保证足够大的孔眼尺寸对于防止脱砂、防止孔眼和孔眼附近区域支撑剂桥堵则十分重要。过早的脱砂会大大降低裂缝长度和支撑剂体积。孔眼直径的另一影响是孔眼摩阻,当然它与其他射孔参数如孔密、打开厚度等有关,孔眼摩阻是压裂设计特别是限流压裂设计的关键参数。
3)射孔孔眼密度
水力压裂的地面施工马力限制了所能提供的最大施工流量,与裂缝相连的孔眼数目决定了通过每一孔眼的平均流量。对0o相位和180o相位射孔,每个孔眼都能与裂缝沟通(定向射孔的情形)。对120o度相位射孔,只有2/3的孔眼可能与裂缝沟通,而对于60o度的孔眼,则可能只有1/3的孔眼与裂缝相连。
4)射孔相位
对射孔相位和水力裂缝扩展之间的关系已经作了大量研究。理想的压裂施工条件是,孔眼和储集层的最大主应力方向一致,因此从孔眼处起裂的裂缝将沿着最小阻力的PFP平面扩展。
对于已知裂缝平面的情况,采用180°相位定方位射孔,可以大大减少射孔孔眼摩阻和提高压裂施工处理效果。如果不能保证定向射孔精度,孔眼和PFP平面夹角最好不要超过30°。如果裂缝平面方位未知或射孔枪定向不具备条件时,推荐使用60°相位角。

2. 防砂井射孔参数设计

       对于弱非胶结砂岩地层来说,出砂是影响油气井正常生产的主要障碍。常用的防砂技术措施分为两类:无筛管防砂和有筛管防砂。前者主要包括压裂充填防砂、化学固砂和射孔防砂,后者即是井底安装有机械防砂装置,包括常用割缝衬管、各种绕丝或预充填筛管、管内砾石充填、裸眼砾石充填等等。
       1)射孔防砂
这里是指仅仅通过射孔参数的合理选择,保证射孔孔眼的长期稳定,在能够承受的最小出砂量前提下,能够避免生产压差变化、地层压力枯竭、含水率上升带来的油井大量出砂风险。生产压差和地层压力枯竭引起的孔眼周围应力变化是孔道破坏的主要原因,流体的流速是砂运移的动力。大量的理论研究、数值模拟、室内和现场试验研究表明,要实现射孔防砂,射孔参数(主要指孔深、孔密、相位)的优化选择十分重要,基本原则如下。
(1) 孔深
最好选择深穿透射孔弹,因为对于单个孔眼的稳定性来讲,深穿透弹孔眼深而孔径较小,其力学稳定性比大孔径弹的孔道要好得多。
(2) 相位和孔密
除了考虑单个孔眼的稳定性外,还必须考虑孔眼之间的相互作用对稳定性的影响。也就是说,孔眼间距离必须足够大,以避免生产时孔眼附近弹塑性应力区的相互搭接或重叠,防止单一孔眼的坍塌破坏引起连锁反应,从而导致整个射孔井段的坍塌出砂。
孔眼间的间距直接受孔密和相位的影响,孔密越小孔距越大,虽然孔眼间相互干扰小,但会导致单孔流量增大致使砂运移而出砂。因此,一般是将孔密固定在一个合理的范围内,通过优化射孔相位来实现孔距最大化。
       2)套管内砾石充填防砂(IGP)
仅靠合理选择射孔参数来防砂的作用是有限的,因为有时为了防止出砂不得不降低生产压差、牺牲产量来维持,这是大多数油公司无法容忍的。很多油气井采用了管内砾石充填防砂,既可以实现挡砂,也可以采用较大压差生产,以满足实际生产的需要。
套管内砾石充填防砂井射孔参数的选择主要是为砾石充填施工服务,同时保证充填完毕后套管和水泥环处充填孔眼内的流动压力损失很低。如果在生产时没被遮挡住地层砂沿孔眼流入井底而又无法通过井筒排出,滞留在孔道中,那么充填孔眼的流动能力将大大降低。
一般来讲,此时射孔设计的根本是采用大孔径射孔弹,尽量提高井筒可供流动的面积,又保证砾石充填的效率。射孔相位一般采用60°或45°低相位。孔密常用高孔密,如36孔/m、48孔/m、甚至更高的64孔/m。

3. 稠油油藏射孔参数设计

目前稠油油藏开采的主要技术有两大类,即稠油热采和稠油冷采。
热采的方法主要包括蒸汽吞吐(CSS)、蒸汽辅助重力驱(SAGD)、溶剂萃取法(VAPEX)、重力辅助燃烧等,由于大多数稠油油藏由疏松砂岩组成,因此开采过程出砂很严重,一般都采用了防砂完井设计,此时射孔设计应结合具体防砂工艺进行。对于管内砾石充填防砂,射孔设计原则同前,即应采用高孔密、大孔径、低相位(如60°)。
稠油冷采方法是激励地层砂随油藏流体一同产出,通过蚯蚓洞网络机理、溶解气驱机理,经砂岩的高渗孔道产出泡沫油流(泡沫油机理)。射孔设计的主要目标是减少孔眼堵塞、强化初期产砂和稳定后期产油。稠油冷采时应重视上覆页岩层脱落、上覆页岩层坍塌、套管伤害、产砂困难以及底水问题,因此推荐射孔密度不要太高、孔径不能太大,中等穿透。生产时应缓慢增加生产压差,并尽量维持在定压差生产(直到近井筒蚯蚓孔网络已形成并远离井筒),这样有利于地层砂体稳定,能够支撑上覆岩层应力。

4. 高温、高压深井射孔设计

射孔参数的选择和常规井相似。这里强调的是射孔系统的安全。
高温是设计主要考虑的因素,同时注意在较高的静水压力和井口压力以及电缆负荷的急剧增加情况下的引起施工问题。随温度的增加,主要负面影响有:系统部件的性能迅速恶化、金属合金的强度大幅降低、腐蚀速度增加、电动或电子设备的可靠性降低、弹性橡胶失去应有的性能、高爆炸药降解。

5. 高含硫化氢井射孔设计

射孔参数没有特别要求,射孔设计与非硫化氢井一样,这里主要问题是人身安全以及射孔系统潜在的设备失效问题。主要危害是设备的腐蚀和防腐措施。 对于硫化氢浓度<2%的情况,应在暴露元件的表面涂上防硫抑制剂;对于硫化氢浓度>2%,则需要专用设备。比如采用防硫化氢的合金电缆、采用低强度合金钢压力控制元件、使用氟化橡胶等。
 
 
 
 
 
 

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