等孔徑射孔器穿孔性能評(píng)價(jià)方法探討

李東傳,金成福,孫成艷,張偉

(1.石油工業(yè)油氣田射孔器材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心, 黑龍江 大慶 163853;2.中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠, 黑龍江 大慶 163513)

0 引 言

等孔徑射孔技術(shù)以其在非常規(guī)油氣的開發(fā)中較好的壓裂效果而得到廣泛應(yīng)用。在套管上產(chǎn)生基本一致的穿孔孔徑的方法主要有2種:①通過優(yōu)化設(shè)計(jì)聚能射孔彈結(jié)構(gòu),降低射孔器、套管之間的間隙對(duì)射流在套管上擴(kuò)孔的影響,以在套管上獲得基本一致的孔徑[1-5];②利用扶正裝置保持射孔器居中,避免間隙不均對(duì)射流在套管上擴(kuò)孔的影響,以獲得均一的孔徑[6]。這2種方法存在本質(zhì)不同,利用扶正裝置保持聚能射孔器居中只是一種施工方法,應(yīng)歸類于工藝;利用等孔徑射孔彈組裝的射孔器在套管上產(chǎn)生相對(duì)均一孔徑,是一種全新的產(chǎn)品。因此,將等孔徑射孔器定義為由特殊設(shè)計(jì)的射孔彈組裝形成的、在偏靠條件下能在套管上形成基本一致孔徑的射孔器。

國(guó)內(nèi)外對(duì)孔徑對(duì)壓裂效果的影響、等孔徑產(chǎn)品檢驗(yàn)及評(píng)價(jià)方面進(jìn)行了大量的研究。在孔徑對(duì)壓裂效果的影響研究方面,姜民政等[7]通過壓裂液在射孔孔眼處損失規(guī)律研究后認(rèn)為,相同壓裂條件下,泵入排量、有效孔眼數(shù)及射孔直徑是射孔孔眼局部位置處壓力損失的主要影響因素,排量越大、有效孔眼數(shù)越少及射孔孔眼直徑越小,孔眼位置處壓力損失越大[8-10]。謝榮華等[11]認(rèn)為,水平井由于射孔槍偏心、套管偏置及水泥環(huán)上下不均導(dǎo)致不同方向射孔不均勻時(shí),當(dāng)向上的射孔穿深小于3倍井筒半徑時(shí),就會(huì)出現(xiàn)壓不開的現(xiàn)象;對(duì)于水平井同一段壓裂井段,假設(shè)上下孔眼位置的巖石物性相同,對(duì)于已壓開的裂縫,裂縫延伸端部的壓力相同,則從井筒到上下孔眼裂縫端部的壓力損失相同,可推導(dǎo)出了流經(jīng)水平井上下孔眼的流量關(guān)系。以上研究均沒有給出對(duì)孔徑均一性的具體或一般性要求。在產(chǎn)品性能檢測(cè)評(píng)價(jià)方面,使用參數(shù)有孔徑差異度[6]、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差[2,5]、變異系數(shù)(Coeffcient of Variation)和相對(duì)波動(dòng)范圍(Range)[12]、相對(duì)偏差[13]等。但孔徑一致性評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)沒有得到生產(chǎn)商和油田用戶的廣泛認(rèn)同(受生產(chǎn)商、用戶的描述側(cè)重點(diǎn)、使用習(xí)慣不同等因素影響),且沒有關(guān)于等孔徑射孔器穿孔深度、穿孔孔徑等與聚能射孔器具有共同特點(diǎn)的一般性能的評(píng)價(jià)描述。

目前,中國(guó)使用GB/T 20489—2006[14]標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)聚能射孔器材的性能,未涉及等孔徑射孔器的評(píng)價(jià)。本文利用地面條件下混凝土靶射孔試驗(yàn)[15]模擬等孔徑射孔器在井下套管中位置檢測(cè)其穿孔性能,在分析等孔徑射孔器的穿孔深度、穿孔孔徑及孔徑一致性特點(diǎn)、整體水平及接受程度的基礎(chǔ)上,探討了評(píng)價(jià)方法、評(píng)價(jià)指標(biāo),希望能形成共識(shí)。

1 相關(guān)評(píng)價(jià)方法、評(píng)價(jià)指標(biāo)

部分生產(chǎn)廠家、服務(wù)公司給出了自己的等孔徑射孔彈的評(píng)價(jià)方法、產(chǎn)品性能指標(biāo)等,并在2016年油氣井射孔技術(shù)交流會(huì)(重慶)進(jìn)行了探討。主要評(píng)價(jià)參數(shù)、指標(biāo)如下。

(1)孔徑差異度。描述穿孔孔徑間的波動(dòng)程度,該指標(biāo)給出孔徑分布范圍占平均值的比例[見式(1)]。給出的外徑89 mm、15孔/m、120°相位射孔器居中放置在套管中的孔徑差異度、穿深差異度分別為8.9%、15.3%[6]。

(2)相對(duì)偏差、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。相對(duì)偏差[見式(2)]與孔徑差異度類似,是孔徑差異度的2倍。相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差描述穿孔孔徑間的波動(dòng)程度,該指標(biāo)給出孔徑標(biāo)準(zhǔn)差(描述出數(shù)據(jù)的分布狀態(tài))占平均值的比例[見式(3)]。給出外徑89、102 mm和127 mm等孔徑射孔器偏靠放置在外徑140 mm和178 mm套管中的孔徑相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為3.98%、4.19%和3.01%[2,5]。

(3)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差、最大孔徑差異度。相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差、最大孔徑差異度描述穿孔孔徑間的波動(dòng)程度[見式(4)],給出的86 mm等孔徑射孔器偏靠放置在140 mm套管中的孔徑相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差、最大孔徑差異度分別為5.9%、18.3%[12]。

(4)相對(duì)偏差、相位孔徑比。將相對(duì)偏差與計(jì)數(shù)抽樣檢驗(yàn)方案配合使用,以評(píng)價(jià)指標(biāo)和判定數(shù)限定波動(dòng)幅度和范圍。相位孔徑比描述不同相位間的孔徑最大孔徑差異情況[見式(5)],指標(biāo)為1.1[13]。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

由于以上參數(shù)、指標(biāo)多數(shù)反映的是某一廠家的產(chǎn)品,僅能作為確定評(píng)價(jià)參數(shù)、指標(biāo)的參考。

2 井下施工對(duì)孔徑均一程度的要求

水平井射孔施工中,選用等孔徑射孔器的目的是在井筒與儲(chǔ)層間建立通道的基礎(chǔ)上,獲得均一的孔徑,以便在后續(xù)的壓裂中盡量減少孔徑對(duì)進(jìn)液量的影響,為壓裂形成基本一致的裂縫規(guī)模創(chuàng)造條件。因此,等孔徑射孔器應(yīng)具有提供較均一的孔徑能力的同時(shí)還要具備常規(guī)聚能射孔器穿孔能力。目前,中國(guó)壓裂施工設(shè)計(jì)中沒有針對(duì)孔眼均勻性的規(guī)定,一般認(rèn)為壓裂裂縫非均質(zhì)延伸控制在20%范圍內(nèi)均可接受。

對(duì)于水平井同一段壓裂井段,假設(shè)上下孔眼位置的巖石物性相同,對(duì)于已壓開的裂縫,裂縫延伸端部的壓力相同,則從井筒到上下孔眼裂縫端部的壓力損失相同,在上下部射孔孔眼數(shù)相同情況下,下部孔眼的進(jìn)液量可達(dá)到上部孔眼的4倍,壓裂裂縫規(guī)模也將近似相差4倍[11]。可以得出不同相位孔徑比與壓裂裂縫規(guī)模比(上部孔眼對(duì)應(yīng)的壓裂裂縫規(guī)模/下部孔眼對(duì)應(yīng)的壓裂裂縫規(guī)模)的關(guān)系成正關(guān)系。水平井壓裂中的普通壓裂宜從整體考慮,相位孔徑比不大于1.1較合理;體積壓裂宜以簇為單位考慮,即為用簇代替相位較合理。考慮到射孔段地層受形成環(huán)境變化的影響而導(dǎo)致的非均質(zhì)性、射孔彈產(chǎn)品受制造工藝水平的限制存在一定的差異、射流運(yùn)動(dòng)過程中的井筒間隙等因素的影響,利用等孔徑射孔器偏靠放置在套管中射孔也不可能形成完全一樣的孔眼。因此,選擇等孔徑射孔器應(yīng)遵循套管上的孔徑總體上均勻一致,允許一定范圍內(nèi)的波動(dòng)。

3 判定指標(biāo)的確定

3.1 等孔徑射孔器的評(píng)價(jià)

統(tǒng)計(jì)了按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20488—2006[14]中地面條件下混凝土靶射孔試驗(yàn)(試驗(yàn)時(shí)等孔徑射孔器偏靠在套管內(nèi)側(cè))結(jié)果和相關(guān)文獻(xiàn)資料(見表1),等孔徑射孔器的穿孔深度和穿孔孔徑的評(píng)價(jià)值均能滿足GB/T 20489—2006的要求。

表1 等孔徑射孔器相關(guān)評(píng)價(jià)參數(shù)/指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

注:1-據(jù)論文數(shù)據(jù)計(jì)算得出,2-論文給出數(shù)據(jù),3-數(shù)據(jù)量少無法計(jì)算,4-原數(shù)據(jù)。

*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

為了較合理地、全方位地描述等孔徑射孔器孔徑一致性,在分析孔徑差異度、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差、相對(duì)偏差、相位孔徑比的同時(shí),還考慮了相對(duì)偏差等的可行性。穿孔孔徑均一性好的等孔徑射孔器的孔徑相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差≤6.0%、相對(duì)偏差分布范圍±10%、孔徑差異度≤10%,其對(duì)應(yīng)的相位孔徑比一般小于1.1。Chris Sokolove等[15]給出的等孔徑射孔器的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為5.9%、最大孔徑差異度為18.3%、相位孔徑比為1.21,但其在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中壓裂時(shí)破裂壓力降低10%、注入壓力降低15%,效果較好。表明評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定不能僅僅以統(tǒng)計(jì)到的多數(shù)產(chǎn)品的水平來確定,還應(yīng)考慮射孔器材制造整體水平和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。

3.2 分析與探討

理想的等孔徑射孔器的射孔孔徑應(yīng)均一,但受制造技術(shù)等因素的制約無法實(shí)現(xiàn)。由于等孔徑射孔器試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少,統(tǒng)計(jì)分析了普通聚能射孔器+扶正器居中射孔試驗(yàn)結(jié)果,為等孔徑射孔器評(píng)價(jià)指標(biāo)中穿孔深度、穿孔孔徑評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定提供參考。統(tǒng)計(jì)了2016年中國(guó)具有代表性的普通聚能孔器產(chǎn)品,以外徑89 mm射孔器試驗(yàn)結(jié)果為例分析產(chǎn)品整體水平(見表2)。表2中的聚能射孔器滿足GB/T 20489—2006對(duì)聚能射孔器的要求,不同廠家的控制水平不同,穿孔孔徑波動(dòng)幅度不同。

應(yīng)用不同的參數(shù)從不同的側(cè)面描述孔徑的一致性。相位孔徑比、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均可不同程度地反映組內(nèi)個(gè)體的分布情況,如果確定為評(píng)價(jià)參數(shù),能較好地反映整體水平,但也存在可能出現(xiàn)單個(gè)數(shù)據(jù)波動(dòng)很大且無法確定極值數(shù)據(jù)的個(gè)體數(shù)量的現(xiàn)象。如以相位孔徑比≤1.1、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差≤6%為判定值,可能出現(xiàn)單個(gè)數(shù)據(jù)的相對(duì)偏差>10%的現(xiàn)象,如表2中E型產(chǎn)品相位孔徑比1.01、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差4.8%、孔徑差異度10.0%,均較好,但有一個(gè)孔徑相對(duì)偏差>10%的數(shù)據(jù)(13.1%)。(最大)孔徑差異度、相對(duì)偏差分布范圍描述的是組內(nèi)的極值個(gè)體分布范圍,可反映單個(gè)孔徑波動(dòng)幅度,如確定為評(píng)價(jià)參數(shù)則可能出現(xiàn)單個(gè)數(shù)據(jù)波動(dòng)大而影響評(píng)價(jià)結(jié)果的現(xiàn)象。因此,若將反映組內(nèi)個(gè)體的分布情況和個(gè)體極值分布情況結(jié)合使用,可以達(dá)到更合理選擇孔徑均一性的目的,綜合考慮等孔徑射孔器整體水平、數(shù)據(jù)分布情況和接受程度等影響因素,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差、孔徑差異度作為評(píng)價(jià)參數(shù)較合適,指標(biāo)分別為6%、10%。

表2 外徑89 mm聚能射孔器在外徑139.7 mm套管中居中位置射孔試驗(yàn)結(jié)果分析

等孔徑射孔器的穿深分布也存在波動(dòng)現(xiàn)象,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為6.3%～9.0%、孔徑差異度為10.6%～18.7%,主要是由于聚能射孔彈自身性能波動(dòng)造成的,由制造水平造成的,短期內(nèi)無法解決。

4 結(jié)論與建議

(1)等孔徑射孔器的穿孔性能應(yīng)滿足GB/T 20489—2006對(duì)與其相應(yīng)外徑的聚能射孔器的要求。

(2)建議使用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差、孔徑差異度來評(píng)價(jià)等孔徑射孔器的穿孔孔徑一致程度,評(píng)價(jià)指標(biāo)分別為6%、10%。

(3)利用扶正裝置保持聚能射孔器在套管中居中射孔的方法也能形成等孔徑效果,雖不屬于等孔徑射孔器的范疇,作為一種可選的工藝在適當(dāng)?shù)木疀r下也能發(fā)揮較好的效果,其效果的檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)也可參照等孔徑射孔器實(shí)施。

(4)希望該研究能夠引起有關(guān)人員的重視,以有助于進(jìn)一步進(jìn)行該方面的研究,進(jìn)而促進(jìn)中國(guó)射孔器材檢測(cè)水平的提高。