增產型射孔技術在渤海油田的研究與應用

張明，李進，付建民，韓耀圖，張啟龍

中海石油（中國）有限公司 天津分公司（天津 300459）

渤海油田經過多年的勘探與開發，部分油田逐年遞減率高達14%，面臨嚴峻的穩產增產形勢，在開發過程中面臨諸多技術難題，如儲層污染、高含水、大斜度井作業難度大、低滲低效等。目前，渤海油田常用的增產措施主要包括酸化壓裂和新型射孔增產技術。但酸化壓裂動用資源多、成本高，而新型射孔增產技術具有工序簡單、可操作性強和成本低的特點和優勢。通過“十三五”科技攻關和創新實踐，渤海油田射孔技術經歷了“為生產而射孔”到“為增產改造而射孔”的技術提升，在射孔建立油氣通道的同時，兼顧孔道清潔和油井增產的作用[1-4]，形成了包含動態負壓射孔技術、自清潔射孔技術、水淹層控水射孔技術等多項技術在內的新型射孔增產技術體系，有效提高了射孔完井增產效果和作業效率，延長了油田開發壽命。

1 油田開發技術難點

近年來，渤海油田因儲層污染、高含水、出砂和低滲等原因導致的低產低效井逐年增多[5]，調整井已逐漸成為渤海老井挖潛增產的主要手段，然而隨著油田的逐步開發，調整井地上地下條件日益復雜，部分油田在調整實施階段，油井產能低、效果較差，具體技術難點表現在以下幾方面：

1）中深部地層致密，物性復雜，儲層敏感，射孔過程應以降低儲層污染、提高和改善滲流能力為目標。

2）沙河街儲層油井產能不穩定，易出現低產、產能降低快等現象；東營組合明化鎮組儲層部分井鉆遇泥巖夾層，泥質含量高，儲層物性不均，礫石充填防砂效果差，影響油井產能。

3）大斜度井條件下，常規射孔技術需要射孔單獨返涌，工序復雜、作業工期長、儲層浸泡時間長，易導致產能降低[6]。同時，常規射孔技術孔徑不均勻，影響充填效果。

4）“雙高階段”油田開發呈現高含水、高采出程度特征，綜合含水高達80%，很大一部分井投產3個月內含水迅速上升至90%。“雙高油田”開發過程中壓力梯度復雜，鉆井及固井過程儲層保護難度大，射孔技術需兼顧完善程度；雙高油田剩余油挖潛、復雜邊底水儲層、薄油層、非均質儲層高效開發，需要更精準的射孔技術，注重產能建設。

5）以BZ34-2B 平臺沙河街/東營儲層為例的油田，巖性致密，產量遞減快，酸化等措施效果不佳。

2 新型射孔增產技術體系

為了滿足上述技術難點需求，通過增產型射孔技術的應用，最大程度地釋放油井產能，需結合油藏地質特點，優化射孔技術方案，實現射孔技術與油氣藏類型、地質條件、完井工藝和壓裂改造等密切結合[7]，關注油井產能及生命周期，提升油田開發效果。針對渤海油田射孔技術需求，通過“十三五”科技攻關、理論研究和現場創新實踐，通過改良射孔工藝及射孔彈，通過負壓降低對射孔帶壓實的污染，新型射孔彈突破以往傳統射孔彈的思維局限，形成了一系列新型射孔增產技術（圖1），如動態負壓射孔技術、自清潔射孔技術、等孔徑射孔技術、高性能氣體壓裂射孔技術和水淹層控水射孔技術，在連通地層的瞬間便起到炮眼清潔及炮眼造縫的功能，對解堵增產起到積極作用。增產型射孔技術的應用，一方面提高了射孔完井和增產效果及作業效率，另一方面通過保護儲層，延長油田開發壽命。

圖1 增產型射孔技術體系

2.1 動態負壓射孔工藝技術

動態負壓射孔的基本原理是在射孔彈爆轟瞬間，在井筒內形成低壓區域，和地層壓力形成負壓差，在壓差的作用下射孔碎屑向井筒流動，清潔孔道，同時在高負壓作用下，破除射孔壓實帶，提高孔道滲流能力[8-10]。采用動態負壓射孔時，需采用專門的負壓彈和射孔槍的組合，在較低的負壓或正壓條件下產生一個較大的瞬時動態負壓值。動態負壓射孔過程中的井筒壓力變化曲線如圖2、圖3 所示。由圖2、圖3可知，靜態負壓射孔對壓實帶的改善和孔道清潔作用不如動態負壓射孔，動態負壓在涌流沖洗作用下形成清潔孔道，孔道直徑（寬度）明顯加大。對比平衡壓力射孔，動態負壓射孔能將射孔孔道內清理干凈，射孔孔徑明顯優于平衡壓力射孔[11]。

圖2 動態負壓射孔過程中的井筒壓力變化圖

圖3 靜態負壓與動態負壓對比圖

高效負壓清潔炮眼射孔通過在常規平衡射孔管柱槍管內加裝開孔負壓彈，射孔前槍管內壓力為大氣壓，射孔同時負壓彈對槍管開孔（不射開套管），射孔后儲層與井筒溝通，地層壓力瞬間沖擊回流至槍管內，反向沖洗射孔孔道及壓實帶。動態負壓值取決于壓降的速度和大小，射孔槍管開孔面積越大，射孔槍內容積越大，液體回流至槍管內越快，時間越長，動態負壓效果越大。

動態負壓射孔技術在應用時，根據地層聲波時差或體積密度，將地層分為致密地層和非致密地層。動態負壓值選取原則：致密地層（聲波時差小于328 μs/m）不易出砂，宜采用大負壓值；非致密地層（聲波時差大于328 μs/m）有出砂可能，選取適度的負壓值防止出砂。

針對致密地層，采用Behrmann公式計算最小負壓值，最大負壓值取套管或者井下工具強度的70%。

當K＞100 ×10-3μm2時，最小負壓值計算方法見式（1）：

式中：Δp為負壓值，MPa；φ為孔隙度，%；D為射孔孔徑，mm；K為地層滲透率，10-3μm2。

2.2 自清潔射孔技術

研究表明，常規射孔彈射孔后，在射孔壓力擠壓作用下在孔道附近形成射孔壓實帶，其滲透率僅為原始地層滲透率的1/5～3/10，嚴重降低滲透率，影響油井產能[12]。因此，目前的常規做法是在射孔作業完成后再進行造負壓返涌，消除射孔壓實帶和射孔碎屑對孔道流體滲漏的影響，但該種方法工序復雜，對放噴時間依賴較大[13]。

通過射孔彈的結構和彈藥類型的改進與優化，研制射孔后可自動清潔孔道壓實帶和射孔碎屑的自清潔射孔彈，可最大限度保護儲層，降低射孔對儲層的傷害。該技術原理是通過在藥型罩內側采用一種特殊含能材料，在射孔過程中，隨射流進入孔道，并在孔道內瞬間產生高溫高壓氣體，在主孔道附件產生微小裂縫，增加射孔孔道的滲流能力，如圖4所示。同時，因高溫高壓氣體的產生，孔道內壓力遠超于井筒壓力，在壓差作用下，高壓氣體攜帶射孔碎屑快速噴向井筒，返排出孔道碎屑，達到自清潔的效果。此外，自清潔射孔彈采用低碎屑射孔彈技術，與常規超深穿透射孔彈起爆后產生碎屑量相比大幅降低，孔容平均增加110.9%。

圖4 自清潔射孔彈射孔孔道示意圖

2.3 等孔徑射孔彈技術

等孔徑射孔彈技術主要適用于解決因井斜大導致的射孔槍不居中，從而使得沿井周的射孔孔眼孔徑大小不一致的情況。因孔徑的差異，會影響后續壓裂充填或水力壓裂裂縫的起裂和延伸，也會影響壓裂充填防砂的效果。為解決上述偏心射孔孔道不均勻的難題，渤海優選采用等孔徑射孔彈，使得在射孔槍偏心狀態下（如178 型射孔器最大槍套間隙差為7.2～49.8 mm）各相位的穿孔孔徑及穿深保持均勻，保證了后續正常壓裂，實現低滲透油氣井的增效生產。

為了實現等孔徑射孔目的，射孔彈原理采用聚能效應，炸藥爆炸后壓垮藥型罩，使藥型罩沿法相方向拉伸成高速金屬射流進行穿孔。藥型罩采用多元角度結構與藥型罩多配方相結合的方案，設計合理的彈殼結構，優化裝藥形狀，最大化利用炸藥能量，使藥型罩產生的射流形狀發生變化，從而調整射流擴孔段長度，達到等孔徑效果。

2.4 高性能氣體壓裂射孔技術

高性能氣體壓裂射孔技術是射孔與地層壓裂相結合的一種增產型射孔工藝技術，通過在射孔彈內添加火箭推進劑，使得射孔過程中產生高能氣體壓裂射孔孔道，從而實現環節聚能射孔對地層所造成的壓實帶傷害，有效改善儲層孔道的滲透性和導流能力，達到油氣井增產增注目的。高性能氣體壓裂射孔技術的作用機理包括機械作用、震動脈沖作用、高溫熱作用和化學作用等方面。

該射孔技術具有可降低地層的破裂壓力、改善射孔孔眼附近的導流能力，射孔彈燃燒后主要為氣體，對儲層無污染、壓裂射孔后的裂縫不需要支撐劑、設備少、施工簡單安全等技術優勢，高性能氣體壓裂射孔管柱如圖5所示。該技術主要適用于近井堵塞污染、射孔壓實帶污染、套變或措施困難井、注水井降壓增注等工況。

圖5 高性能氣體壓裂射孔管柱

2.5 水淹層控水射孔技術

為了滿足“雙高油田”開發控水需求，以提高控水增油效果為目的，在油水兩相滲流模型建立基礎上，以一定生產時間內的油井累產含水率最低為目標函數，通過迭代優化表皮系數和射孔參數，在常規射孔思路基礎上，對比產能、水體錐進方式和無水采油期，優化射孔方式，形成水淹層控水射孔優化技術，如圖6所示。

圖6 水淹層控水射孔優化技術

研究表明[14-15]，相比較套管水平井采用均勻孔密射孔技術而言，采用變密度射孔和定向射孔技術能起到更好的控水效果。分析不同射孔方式下的含水率變化情況，由圖7可知，均勻孔密射孔無法有效延緩水體錐進，采用定向射孔方式的含水率曲線明顯較裸眼或螺旋均勻密度射孔延緩，可有效延長無水采油期、延緩油藏見水時間。

圖7 不同射孔方式下的含水率預測曲線

3 現場應用

自“十三五”科技攻關以來，通過現場創新實踐，形成一系列新型射孔增產技術體系，在渤海油田得到廣泛應用，射孔增產效果和降本增效成效顯著，有效滿足了渤海油田射孔增產增效需求。

1）保護儲層、降低射孔污染和改善滲流能力類射孔技術：動態負壓射孔技術在錦州A 油田應用4口井，整體產量提高17%，對比常規負壓射孔作業，省略射孔服務工具及放噴工具，動態負壓射孔單井節省服務費7 萬元，單井節省工期8 h，增產效果見表1；自清潔射孔技術應用于墾利C油田和渤中B油田，共28 口井，改善了導流能力，增產效果顯著，油井的產量提高65.34%～82.57%，增產效果見表2。

表1 動態負壓射孔技術應用增產效果

表2 自清潔射孔技術應用增產效果

2）大斜度井或定向井特色類射孔技術：等孔徑射孔技術主要于旅大A油田和渤中B油田進行了應用，由于該射孔技術的應用，5 口井充填系數提升40%～50%，油井產量整體提高71%，增產效果見表3。

表3 旅大A油田和渤中B油田自清潔射孔技術應用增產效果

3）穩油控水、恢復油井產能類增產射孔技術：新型深穿透射孔技術在渤中D平臺4口井中的應用增產效果顯著，總體超配產51%，年均貢獻產能超配產6.4×104m3，增產效果見表4。高性能氣體壓裂射孔技術主要應用于渤中G 和渤中H 油田，共計應用3 口井，措施后的產能較配產提高322%，增產效果見表5。水淹層控水射孔技術在渤海綏中E 油田、南堡F油田等多個油田進行了規模化應用，穩油控水效果顯著。以南堡F油田F1井應用為例，該井投產產量為配產的167%，含水率僅5.2%，控水增油效果顯著。

表4 深穿透射孔技術應用增產效果

表5 高能氣體壓裂射孔技術增產效果

綜上，渤海油田新型射孔增產技術體系已廣泛應用于渤中G、墾利C、綏中E、錦州A 等多個油田，有效解決了東營沙河街致密地層產能低、射孔儲層傷害、非等孔徑導致礫石充填效果差、雙高油田高含水問題突出等技術難題，現場應用100余口井，增產效果見表6。

表6 渤海油田增產射孔技術應用效果

4 結論

1）結合渤海油田油藏地質特點和油田開發需求，深入分析了渤海油田開發面臨的技術難點，主要包括儲層污染、高含水、大斜度井作業難度大、低滲低效等。

2）為了滿足渤海油田射孔增產的需求，經過“十三五”科技攻關和現場創新實踐，渤海油田形成了一系列新型射孔增產技術，如動態負壓射孔技術、自清潔射孔技術、等孔徑射孔技術、高性能氣體壓裂射孔技術和水淹層控水射孔技術等。

3）新型增產射孔技術在錦州A、渤中B、墾利C等渤海多個油田進行了廣泛應用，在降低射孔對儲層的污染、改善滲流能力、穩油控水、恢復油井產能等方面增產效果顯著，有效滿足了渤海油田射孔增產增效需求。