油氣井射孔技術現狀及發展探析

陳鋒,楊登波,唐凱,袁吉誠

(中國石油集團測井有限公司西南分公司,重慶400021)

0 引 言

射孔在油氣開發中扮演的角色經歷了從打開油氣通道,到保護油氣層以提高完井效果,再到與增產措施結合以進一步解放油氣層的變化。尤其是隨著非常規油氣資源的開發,射孔不再是獲得產能的直接手段,而是加砂壓裂或酸化壓裂等增產措施的一個前置環節,射孔孔眼在經過了壓裂流體沖蝕和支撐劑打磨之后才變成最終的油氣產出通道。因此,射孔首先直接影響增產措施實施和效果,再間接影響油氣井產能。

射孔的角色變化是伴隨著射孔器技術、射孔檢測及評價技術、射孔工藝技術、射孔優化及軟件技術等發展的,從這些方面對射孔技術進行梳理總結,對比中國與國外技術現狀并找出差距,探析發展方向,以推動射孔技術發展,使其能夠更好地為油氣開發服務。

1 射孔基礎研究現狀

在射孔基礎研究方面,國外油服公司大多建立了具備高溫高壓檢測、射流CT掃描分析、射孔流動效能評價等功能的射孔實驗室,具有完整的研究體系和成熟的理論基礎,擁有大量的試驗數據對理論模型進行支撐,開發了成熟的射孔軟件系統。中國在射孔理論研究、射孔模擬軟件開發、模擬地層條件下的射孔器性能測試評價等方面較落后,射孔技術及產品的原創能力較差。

中國模擬地層條件射孔打靶的試驗裝置最高耐壓210 MPa、最高耐溫260 ℃,與國外先進試驗裝置最高耐壓345 MPa、最高耐溫288 ℃有較大差距。受限于分析評價手段不足,中國射孔器地面打靶性能評價仍以常溫常壓API水泥靶測試(API RP 19B 第1部分)為主,而國外更加注重真實地層條件下的模擬巖石打靶測試分析(API RP 19B 第4部分),射孔器性能評價與特定巖石物理及儲層條件結合更加緊密。在射孔器井下性能測試評價方面,Glyn Roberts EV[1]在2018年北美射孔研討會上提出了一種利用井下實時高清視頻及圖像處理技術測量射孔孔徑的方法。大慶油田有限責任公司試油試采分公司研發了一種利用機械動力裝置和金屬探針測量井下射孔孔道深度的檢測技術[2],但還處于初步應用階段。

國外更加注重射孔與地質、工程一體化的結合,即綜合利用地質、物探、測井、錄井、壓裂等多專業知識開展射孔方案優化。中國的射孔—地質一體化研究還處于萌芽階段,國外通過大量的基礎研究、室內及現場試驗,開發了功能強大的模擬軟件并商業化應用。任嵐等[3]建立了分簇裂縫擴展下的動態儲層改造體積(Stimulated Reservoir Volume,SRV)計算模型,提出了射孔簇間距優化設計方法。單清林等[4]采用數值計算與真三軸水力壓裂物模實驗相結合的方法,研究了水平井射孔參數對近井筒裂縫形態及孔眼處起裂壓力分布規律的影響,提出了射孔參數優化方法。斯倫貝謝公司在多個非常規油氣區塊開展了地質模型、力學模型和壓裂模型的三維建模技術研究,開發了Mangrove軟件,能根據每口井的地質工程資料,完成射孔分段分簇優化設計。

2 射孔技術現狀

2.1 常規射孔技術現狀

2.1.1 常規射孔器

常規射孔器主要朝著高溫、高壓、深穿透方向發展。目前中國射孔器最高耐溫230 ℃/72 h,斯倫貝謝公司射孔器最高耐溫260 ℃/100 h,哈里伯頓公司射孔器最高耐溫250 ℃/100 h,貝克休斯公司射孔器最高耐溫243 ℃/100 h,中國較國外水平還有一定差距。中國石油集團測井有限公司研制的射孔器最高耐壓245 MPa,與國外處于同一水平。Dyna Energetics公司推出的114型DP3射孔彈穿深達到1 814 mm,代表國外最高水平,大慶油田射孔器材有限公司2018年研制的127型超深穿透射孔彈穿深達2 091 mm,處于世界領先水平。

2.1.2 常規射孔配套工具

國外近年來出現了智能聲波起爆裝置、自動起爆系統、智能電子起爆系統、槍間延時射孔系統、防碎屑裝置、放射性深度定位裝置等。中國研發了超高溫超高壓壓力起爆裝置、高溫高壓伽馬-磁定位組合儀、增壓裝置、編碼控制聲波多級起爆裝置、智能控制多級起爆裝置等。與國外相比,國產射孔配套工具在耐高溫高壓及耐高頻震動性能、智能控制水平等方面還有待提高。

2.1.3 常規射孔配套軟件

國外油服公司開發了功能完善的射孔軟件,如斯倫貝謝公司的SPAN射孔分析軟件、哈里伯頓公司的PerfPro及PulseFrac優化設計軟件、貝克休斯公司的Terra系列軟件,可為射孔方案優化、施工安全保障提供重要支撐。中國針對射孔設計優化、管柱安全分析等問題也開發了配套軟件。大慶油田有限責任公司研發了常規射孔、復合射孔、水平井射孔、動態負壓射孔優化及射后產能預測軟件;中國石油大學(華東)開發了多級脈沖氣體加載壓裂水平井模擬計算軟件[5];中國石油集團測井有限公司開發了管柱傳輸射孔激動壓力計算、射孔管柱及套管動態響應分析軟件。國產射孔配套軟件與國外相比仍然存在一定差距,主要表現為軟件功能單一、系統集成性較差、缺乏大量的基礎試驗數據作修正,整體成熟度不高。

2.1.4 常規射孔工藝

在超高溫超高壓射孔方面,國外油服公司作業能力領先于中國。貝克休斯公司的超高溫超高壓射孔技術在墨西哥灣應用最高作業壓力238 MPa,最高井溫243 ℃。中國石油集團測井有限公司的210 ℃/210 MPa超高溫超高壓射孔技術[6]在KS134井、CT3井分別創造了中國管柱傳輸射孔最高作業壓力183.5 MPa、最高井溫210 ℃施工紀錄。

圖1 兩種等孔徑射孔器射孔孔道對比

在聯作射孔方面,國外的射孔測試聯作技術應用廣泛,一趟管柱可實現多個層段的分層射孔測試,使其對勘探井地層的認識更詳盡、更準確,也為開發井的優化設計提供了更真實的依據。中國石油大港油田公司勘探開發研究院聯合中國石油集團測井有限公司研發了一趟管柱分層分時射孔測試聯作技術[7],在大港油田進行了初步應用,實現了兩層射孔測試分層分時作業,但與國外技術水平還有一定差距。川慶鉆探工程有限公司針對高溫超高壓超深井試油難點,發展了投球型射孔酸化測試聯作、射孔酸化測試封堵聯作、射孔酸化測試完井投產聯作等工藝[8-9]。中海油田服務股份有限公司開發了隨鉆測量射孔聯作、電潛泵射孔聯作等工藝。中石化江漢石油工程有限公司測錄井公司開發了全通徑射孔下抽油泵聯作、全通徑射孔酸化(加砂)壓裂聯作、全通徑射孔(酸化)壓裂測試聯作等工藝[10]。

在負壓射孔及復合射孔方面,中國與國外技術水平差距較小,國外在安全控制及基于產能預測的參數優化等方面做得更好。大慶油田有限責任公司將機械開孔式動態負壓射孔[11]與復合射孔聯作,實現了“正壓造縫”與“負壓清洗”的有機結合。中海石油(中國)有限公司研發了超長跨距多點起爆負壓射孔技術[12],具備一趟管柱負壓射開大間距多層段的能力。中石化勝利石油工程有限公司測井公司將動態負壓射孔與負壓反排技術結合,實現了射孔、反排的二次負壓效果。在內置式復合射孔方面,北方斯倫貝謝油田技術(西安)有限公司開發了三級裝藥的多脈沖射孔器,在避免三級火藥燃燒峰值壓力疊加對槍體造成破壞的同時,延長了火藥有效作用時間。

在特殊射孔工藝方面,中國推動了同層嚙合射孔[13]、同孔重復射孔[14]等技術的發展,發明了二次爆炸射孔技術[15]、后效復合射孔技術[16]、非爆擴容射孔技術[17]、定方位定射角射孔技術[18,19]、投棒輸電多級射孔技術[20]。國外發展了高溫高壓全通徑射孔技術,拓展了技術應用范圍,研發了模塊化的定方位射孔技術,施工效率更高。

2.2 非常規射孔技術現狀

2.2.1 非常規射孔器

北美地區約70%的非常規油氣射孔使用等孔徑射孔器,斯倫貝謝公司的Stimstream系列、哈里伯頓公司的MaxFrac系列、貝克休斯公司的TrueJet系列等孔徑射孔器孔徑偏差為2.1%～9.2%。中國研發了多種型號的等孔徑射孔器,其孔徑偏差一般在10%以內[21],在川南頁巖氣分簇射孔中得到全面推廣。四川石油射孔器材有限責任公司研發了89型自清潔等孔徑射孔器,射孔孔道容積較常規89型等孔徑射孔器提高36.5%(見圖1)。

國外公司針對非常規油氣井壓裂需求,開發了特殊射孔器,如貝克休斯公司推出了FracConnect壓裂射孔系統,GeoDynamics公司研發了FracPlane Alpha平面射孔器,Allied-Horizontal公司開發了FocusShot集中射孔器,Hunting Titan公司推出了可實現100級點火的H-2平面射孔系統。中國開發了系列定面、定向分簇射孔器,現場應用效果顯著。中國石油勘探開發研究院和中國石油吉林油田公司融合定面射孔、定射角射孔及定方位射孔技術優勢,研發了3D射孔技術[22]。

在模塊化射孔槍方面,斯倫貝謝公司已從第1代Fractal Flex模塊槍發展到第2代TEMPO多參數儀模塊槍,Hunting Titan公司開發了全觸點連接的H-1模塊化射孔槍,哈里伯頓公司研發了Velocity模塊化射孔槍,均有較廣泛的應用。中國石油集團測井有限公司研發了中國首套模塊化射孔槍,在川南頁巖氣初步應用1 500余套。國產模塊化射孔槍在應用規模及技術成熟可靠度方面與國外還有一定差距。

2.2.2 非常規射孔配套工具及裝備

非常規射孔作業主要以電纜傳輸為主,因此,離不開電纜及防噴裝置。在北美頁巖油氣區塊,鎧裝鋼絲電纜逐漸被光滑電纜代替,其中,斯倫貝謝公司約90%橋射聯作使用光滑電纜,哈里伯頓公司應用光滑電纜占比約為50%。光滑電纜無需注脂密封,簡化了電纜防噴設備,還能減小起下摩阻,提高電纜運行效率。目前,中國石油集團測井有限公司引進了光滑電纜,但還未見應用報道。中國的橋射聯作仍以8 mm鎧裝鋼絲電纜為主,配套使用電纜防噴裝置。在引進和消化國外技術的基礎上,中國推出了插拔式井口快速連接裝置,在工廠化橋射聯作中推廣應用(見圖2)。

橋射聯作分段工具大致經歷了易鉆復合橋塞、大通徑橋塞、可溶橋塞(球座)等發展階段,北美地區主要以易鉆復合橋塞、可溶橋塞應用為主,中國以可溶橋塞應用為主(見圖3)。在橋塞坐封工具方面,國外已普遍采用一次性坐封工具,裝配長度短、效率高,目前中國也有同類產品,并在多個非常規油氣區塊初步應用。

特殊工具方面,國外配套完善了井下張力、可釋放短節等工具,并根據井況及甲方需求選擇性應用。中國石油集團測井有限公司將井下張力、可釋放短節(見圖4)及震擊解卡器等納入了橋射聯作輔助工具標準化配置,但應用較少。

圖2 插拔式井口快速連接裝置及現場應用

圖3 橋射聯作分段工具

圖4 可釋放短節

2.2.3 非常規射孔配套軟件

國內外針對非常規射孔作業均設計開發了泵送程序及泵送狀態監測軟件,技術水平相當。如斯倫貝謝公司的Tool Planner軟件、美國國民油井華高公司的Cerberus軟件,具備泵送排量及速度設計、地面及纜頭張力計算、管串通過能力分析等功能。哈里伯頓公司的泵送狀態監測軟件將各項參數集成到一個可視化軟件平臺,便于泵送操作手準確、及時地了解泵送狀態,提高了施工安全性。中國石油集團測井有限公司自主開發了管串通過能力分析軟件、泵送模擬軟件、智能泵送系統,在多個非常規油氣區塊推廣應用。中石化勝利石油工程有限公司測井公司聯合中國石油大學(華東)開發了水平井射孔與橋塞聯作管串泵送排量設計軟件[23],具有三維井眼軌跡建模、泵送起始深度及地面電纜張力計算、排量設計等功能。

2.2.4 非常規射孔技術

非常規射孔主要有連續油管傳輸分簇射孔、牽引器輸送分簇射孔及電纜泵送橋射聯作等。連續油管傳輸分簇射孔技術主要有內置電纜式、智能起爆式及火工隔板延時式3種[24]。中國主要以火工隔板延時式為主,與國外的差距在于還未實現橋塞坐封與分簇射孔聯作。在智能起爆式方面,國產智能點火系統的穩定可靠性與國外有較大差距。在牽引器輸送分簇射孔方面,國內外的技術差距在于爬行速度,斯倫貝謝公司的TuffTRAC牽引器最大爬行速度可達975 m/h,國產牽引器大多速度僅為300～600 m/h。在電纜泵送橋射聯作工藝方面,國外因井況條件好、輔助工具設備軟件配套完善、工藝技術指標先進等原因,施工時效和人員工作效率高于中國。以斯倫貝謝公司為例,單班作業人數僅有3～4人,電纜直井段起下及水平段泵送速度約為9 000 m/h,在井深6 000 m井作業,單段時效2.0～2.5 h,單井日均施工6～8段,平臺井日均施工6～18段;中國一般單班作業人數6～8人,電纜直井段起下速度6 000 m/h,水平段泵送速度4 000～6 000 m/h,在井深6 000 m井作業,單段時效2.7～3.2 h,單井日均施工3～6段,平臺井日均施工6～12段。

3 射孔器制造及標準化發展現狀

3.1 射孔器制造技術現狀

國外大部分廠家基本實現射孔器制造自動化,射孔彈壓罩壓力、裝藥重量、壓彈重量等均由自動控制系統實現精準控制,產品質量穩定。國產射孔器的自動化制造能力與國外差距正在縮小,四川石油射孔器材有限責任公司、大慶油田射孔器材有限公司均建立了射孔彈自動化生產車間,但目前只實現了藥型罩壓制、射孔彈壓裝等單個工序的自動化。北方斯倫貝謝油田技術(西安)有限公司通過引進國外生產線實現了射孔彈全自動化生產,并經過自主優化改進將生產效率提升30%。

3.2 射孔器材標準化發展現狀

國外提出了射孔器材超市的新概念,并廣泛應用在模塊槍生產中,射孔槍、射孔彈等均按照統一接口和標準生產,通用互換性強。近年來,中國加強了射孔器材的標準化工作。長城鉆探工程有限公司開展了射孔器材設計標準化、質量檢驗及驗收規范化等工作[25],使射孔器材共享和保供效率明顯提升。中國石油天然氣集團有限公司發布了《油氣井通用射孔器材設計規范》,規定了射孔槍及配件、射孔彈外形、配套工具的設計要求,實現了射孔器材的通用互換。

4 射孔技術發展探析

完善射孔技術研究體系,提高射孔技術基礎研究水平和原始創新能力,是射孔技術高質量發展的基礎。中國應加強射孔技術基礎研究實驗室建設及設備配套,開展射孔爆轟測試、射流分析、爆炸力學分析等基礎研究,將射孔模擬分析與爆炸力學試驗結合,通過試驗數據優化模型,建立更加完善的射孔基礎研究體系。中國石油集團測井重點實驗室射孔技術研究室作為中國唯一的射孔重點實驗室,應加強與高校及同行之間的合作交流,共同將實驗室打造為中國射孔行業技術研發及基礎試驗的重要平臺。

在射孔器材研發方面,建議基于地層及油氣藏特征,綜合考慮射孔穿深、孔徑、孔密等參數,使射孔效果達到最優。在深層油氣井中,儲層壓力增大對射孔穿深衰減的影響非常大,為此有必要研制特深穿透射孔器。針對非均質性強、地層條件復雜的儲層,如瑪湖砂礫巖儲層,研發高孔密深穿透射孔器[26]。為適應非常規油氣水平井壓裂“短段多簇”的發展思路,建議開發無導線及無導爆索的平面射孔器,減少中間連接環節,增加單趟管柱射孔簇數。

在射孔器性能檢測評價方面,應完善模擬儲層環境的射孔器性能評價技術和標準,開展模擬儲層條件下的射孔打靶測試,同時發展井下射孔效果檢測技術,建立射孔器與各種地層的適用性關系,為射孔器優化設計及施工器材優選提供更有價值的參考依據。

在射孔器制造方面,建議加快建設射孔槍及配套器材自動化加工車間,建成射孔彈全工序自動化生產線,提高生產效率,提升產品質量穩定性。在射孔器材標準化方面,中國還需要打破企業間的標準壁壘,實現整個行業的器材標準統一,擴大油田用戶的器材選擇范圍,實現優化組合,提升經濟效益。

在射孔軟件開發方面,建議對現有的軟件進行深度融合,開發集射孔參數優化、射孔井筒壓力計算、射孔管柱和套管安全性評價、射孔對壓裂效果影響分析及射后產能預測等功能于一體的射孔軟件平臺,完善射孔研發及生產支撐技術體系。

在射孔工藝研究方面,針對深層、超深層油氣井射孔作業壓力高、井溫高(超過230 ℃)、管柱受力復雜等難點,攻關研究245 MPa/260 ℃超高溫超高壓射孔技術。針對非常規油氣藏,重點開展降低地層破裂壓力、誘導壓裂裂縫走向、提高縫網復雜程度的配套射孔工藝研究,同時需要進一步加強新工藝新技術推廣以提升作業效率、降低人工成本。針對套變井況,還需進一步完善連續油管傳輸射孔作業能力,實現橋塞坐封與分簇射孔聯作,減少連續油管下井次數,以提高套變井施工效率。針對薄差層、含邊底水油層、水淹層剩余油等邊際油氣藏,開展一趟管柱分層分時射孔測試聯作、定向/變密度控水射孔[27-28]等特殊工藝研究及應用。針對特殊施工需求,如套管外布設有光纖,射孔必須避開光纖,對射孔方位的控制要求相當高,尤其是長水平段井分簇射孔,避開光纖射孔難度更大,目前中國還沒有成熟技術,亟需攻關,開展非火工類射孔技術研究也是長遠發展方向。

在射孔交流合作方面,對內應加強與油田用戶及各專業化公司的交流合作,多專業協作推動技術發展以滿足生產需求;對外應借助中俄國際測井學術研討會、北美射孔研討會等平臺,加強與國際先進油服公司的交流,及時跟進國外技術發展方向,積極推介中國優勢技術及產品,提高國際同行對中國射孔技術發展成果的認可度,努力爭取國際性行業標準的制修訂話語權,提升中國油氣井射孔技術在全球行業的地位。

5 結束語

隨著油氣資源開發對象的豐富,射孔技術的內涵在不斷發展,射孔在油氣開發環節中的作用和地位也在不斷變化。射孔是一項涉及多學科內容的特殊技術,其發展是整個系統的進步。只有堅持基礎理論研究、研發創新、生產制造、工程應用、效果評價及技術優化等全方位一體化發展思路不改變,才能不斷適應油氣開發對射孔提出的各種挑戰。

致謝:國外射孔技術現狀數據主要來源于中國石油工程技術分公司赴美國射孔新技術考察報告,在此表示感謝。