定方位射孔對壓裂和防砂的影響分析

畢勝宇，柳貢慧，李軍

（1.中國石油大學，北京昌平102249；2.中海油田服務股份有限公司，河北燕郊065203）

定方位射孔對壓裂和防砂的影響分析

畢勝宇1，2，柳貢慧1，李軍1

（1.中國石油大學，北京昌平102249；2.中海油田服務股份有限公司，河北燕郊065203）

分析定方位射孔地層適應性，采用巖石力學理論和分析方法分析定方位射孔在降低起裂壓力和提高出砂臨界壓差方面的效果。建立了破裂壓力計算模型和出砂臨界壓差計算模型，給出了具體計算方法。針對海上某油田的實際情況進行了計算，與常規射孔進行對比，論證了定方位射孔降低起裂壓力和提高出砂臨界壓差的效果。認為在起裂壓力高的儲層或者易出砂的儲層均可以采用定方位射孔技術。該研究為油田后續作業與增產提供一條可行的途徑。

定方位射孔；破裂壓力；出砂臨界壓差；計算模型；常規射孔；防砂

0 引 言

越來越多的“三高二低”，即含水率高、采出程度高、采油速度高、儲采比低、采收率低的油田投入開發。常規射孔工藝已經不能滿足這類油田開發過程中完井的需要，為此技術人員開發了一系列針對低孔隙度低滲透率油田開發需要的射孔新技術，其中包括定方位射孔。定方位射孔是在常規油管輸送式射孔管柱的基礎上，在起爆器和深度短節之間加入1個定方位短節，以便在射孔作業前可以根據井下儀器和測井數據確定射孔方位，沿最大水平主應力方向實施射孔。

常規的射孔方式為螺旋布孔模式，其主要缺點是射孔方位的隨機性。定方位射孔可以在射孔前調整射孔角度，使其對準最有利的射孔方位，達到降低破裂壓力和抑制出砂的效果，有利于油氣井的開采工作。因此，對定方位射孔進行理論研究是非常有必要的。

1 地層適應性分析

1.1 裂縫性油藏

裂縫性油藏的巖石類型主要是變質巖、碳酸鹽、火成巖等。油氣的儲存空間是孔隙、裂縫。定方位射孔可以提供2排方位一致的射孔孔眼，這些孔眼容易互相連通，形成更大規模的垂直裂縫，使該裂縫與天然的宏觀裂縫相垂直并連通，可以最大限度地提高產能。

1.2 易出砂油藏

地層的出砂是有方向性的。以最大主應力方向為軸的正向θ角和反向θ角內的方向是不易出砂的方向（θ在10°左右），超出這個范圍就容易出砂。因常規射孔孔眼的方向是隨機的，易射向容易出砂的方位。

1.3 起裂壓力較高油藏

進入油氣田開采后期，在壓裂開采過程中易出現起裂壓力高、生產周期短等現象，有的儲層甚至會出現起裂壓力過高而無法實施壓裂改造。井下井壁上的最小啟動壓力的方向就是最大主應力的方向，因此如果把射孔的能量集中在最大主應力方位上進行射孔作業，此時最易壓裂開地層。

1.4 實施壓裂改造油藏

裂縫的延伸方向是在與最大水平主應力方向夾角10°的范圍內，如果在其他方向利用射孔進行造縫，這種裂縫向前延伸一段距離后會發生轉向，最后沿著最大水平主應力方位延伸。沿最大主應力方位的射孔孔眼是壓裂改造過程中的最佳造縫孔眼。

2 定方位射孔力學模型及計算

2.1 井下應力分布關系

總結前人研究的理論公式，建立數學模型。研究裸眼井與射孔井的應力分布情況，并分別計算定方位射孔和常規射孔起裂壓力與出砂臨界壓差。假設：① 地層均勻各向同性；② 地層是線彈性多孔材料；③ 井壁圍巖處于平面應變狀態；④ 不考慮射孔孔道內液體的壓力損失。

井壁圍巖處于平面應變狀態，地層深部主要受到三向主應力的影響，上覆地層應力、水平最大主應力、水平最小主應力。井壁圍巖所受的應力狀態分布可用垂直應力σz、徑向應力σr、周向應力σθ、剪切應力來表示τθz，其中包括液柱壓力引起的應力pi；最大水平地層應力引起的應力σH、最小水平地層應力引起的應力σh、上覆地層壓力引起的應力、鉆井液滲流效應引起的應力σv［1］。井壁上的周向應力可以由以上部分應力疊加得到

2.2 破裂壓力計算模型的建立

根據式（1）對于垂直井壁的應力分布，當r＝R時，且井壁有滲透時，最小的周向應力為最大水平主應力方向，即

巖石存在2個有效應力：本體有效應力和結構有效應力。本體有效應力決定巖石的本體變形，結構有效應力決定巖石的結構變形（包括巖石的破壞和斷裂）。結構有效應力的公式為［2］

式中，φc為巖石觸點孔隙度，%。

式（2）、式（3）聯立可得井壁上最小周向結構有效應力

當最小周向結構有效應力達到巖石的拉伸應力強度St時，巖石即產生裂縫，此時

裸眼條件下巖石的起裂壓力

對于射孔完井情況有些類似。用σz和σθ代替σH和σh，可得射孔完井條件下的起裂壓力為

將σθ和σz帶入式（7）并簡化推導得到射孔完井條件下井壁出現破裂所需要的壓力

2.3 出砂臨界壓差計算模型的建立

對于射孔完井條件下，為簡化計算，取θ′＝0°，并假設井壁沒有滲透，令Δp＝pp－pi（生產壓差），并把σr，σθ和σz帶入式（1），化簡得到

其中，

解方程可以得到Δp的計算式

式中，A，B，C是有關射孔方位角的表達式。根據射孔方位與出砂臨界壓差之間的關系可計算得到Δp。

2.4 破裂壓力與出砂臨界壓差的計算方法

利用測井數據可以計算出井下巖石的基本參數，這些參數主要包括：彈性模量、泊松比、黏聚力、內摩擦角以及巖石的抗拉強度等。通過以上參數計算最大最小水平主應力［4］。

利用式（6）至式（8）計算出測井數據中每個測量點的破裂壓力pf，min，即沿最大水平主應力方位射孔，同時計算出每個測量點沿最小水平主應力的破裂壓力pf，max。定方位射孔采用180°平面格式布孔，常規射孔采用90°相位螺旋格式布孔（見圖2）。

為簡單計算，破裂壓力取射孔段的平均破裂壓力，其中5個射孔孔道是沿最大水平主應力，5個沿最小水平主應力，即

定方位射孔的破裂壓力同樣取平均值，10個射孔孔道均沿最大水平主應力，即

定方位射孔和常規射孔出砂臨界壓差的計算方法類似。

圖2 常規射孔與定方位射孔計算對比圖

3 實例計算

3.1 起裂壓力實例計算

為了研究定方位射孔對井下起裂壓力的影響規律，選取某海上油田2 400～2 450m的常規密度測井數據，利用所建的模型，分別計算了定方位射孔和常規射孔的井下起裂壓力，其中定方位射孔采用的是180°平面布孔格式，射孔方位沿最大水平主應力方位，常規射孔采用的是90°相位螺旋布孔格式。計算結果見圖3、圖4。

從圖3、圖4可見，沿井深地層的起裂壓力有較大的不同，定方位射孔降低井底的起裂壓力效果明顯，其中在2 403m左右聲波傳播速度較快，聲波時差較小，此處的巖石巖性為泥頁巖地層，采用定方位射孔降低起裂壓力最為明顯，降低了34MPa；而在2 422m附近聲波時差較大，此處巖石巖性為石灰巖，定方位射孔對降低井底起裂壓力也有較大影響，降低了6MPa。

3.2 出砂臨界壓差實例計算

采用某海上油田的密度測井數據，分別對定方位射孔和常規射孔的出砂臨界壓差進行了計算，計算結果見圖5、圖6。

圖5 定方位射孔與常規射孔出砂臨界壓差對比

圖6 定方位射孔對臨界壓差提高程度

從圖5、圖6可見，沿井深各點的出砂臨界壓差各不相同，有些地方差別較大，但定方位射孔的出砂臨界壓差總是大于常規射孔的出砂臨界壓差，其中在井深2 423m處聲波時差較大，其巖石巖性較強，此處為石灰巖，其出砂臨界壓差較大，不易出砂，但通過圖4可見，在此處如果采用定方位射孔，提高的出砂臨界壓差比其他井段提高的效果明顯，提高了0.74MPa，其余井段提高了0.51MPa左右。定方位提高出砂臨界壓差效果比較明顯［5］。

4 結 論

（1）在射孔作業過程中，定方位射孔比常規射孔的降低起裂壓力效果明顯；在某些井下地層難以起裂的井段，可采用定方位射孔，達到起裂地層的效果。

（2）定方位射孔同樣可以提高井下出砂臨界壓差，使其更不易出砂，提高效果較為明顯，為利用加大生產壓差提高油氣井產提供了有效的途徑。

［1］ 陳勉，金衍，張廣清.石油工程巖石力學［M］.北京：科學出版社，2008.

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［3］ 江朝，姜偉，劉書杰，等.考慮射孔方位的出砂預測模型［J］.斷塊油氣田，2010，17（1）：98－101.

［4］ 劉翔.垂直射孔井地應力及破裂壓力研究［J］.鉆采工藝，2008，31（2）：36－38.

［5］ 田紅，鄧金根，王治中，等.定向射孔技術在適度出砂管理中的應用［J］.鉆采工藝，2005，28（5）：35－37.

On Influence of Oriented Perforation on Fracturing and Sand Prevention

BI Shengyu1，2，LIU Gonghui1，LI Jun1
（1.China University of Petroleum，Beijing 102249，China；2.China Oilfield Services LTD.，Yanjiao，Hebei 065203，China）

On the basis of analysing the oriented perforation formation feasibility，the rock mechanics theory and analysis method are used to analyze the effectiveness of oriented perforation to reduce the fracturing pressure and rise the sanding critical differential pressure.Established are the computation models for fracturing pressure and sanding critical differential pressure，and the detailed calculation methods are given.Practical application in an offshore oilfield demonstrates a better effectiveness of oriented perforation in reducing the fracturing pressure and rising the sanding critical differential pressure，the result of which is compared with the regular perforation.The oriented perforation technology can be used in the reservoir with high fracturing pressure and easily sanding.Our study supplies a feasible route for later oilfield perforation operation and optimum production increments.

oriented perforation，fracturing pressure，sanding critical differential pressure，computation model，conventional perforating，sand prevention

TE243 文獻標識碼：A

2011－08－25 本文編輯 王小寧）

中國石油天然氣股份有限公司重大專項“塔里木復雜條件下測井采集與評價技術攻關”，項目編號2010－2110

肖承文，男，1968年生，高級工程師，博士，中國石油天然氣集團公司專家，從事測井理論方法與儲層描述評價研究。