海上水平井大尺寸射孔器變密度定向射孔技術應用

黃偉，馮大龍，李艷飛,李三喜,王友春

1.中海石油（中國）有限公司上海分公司（上海 200335）

2.中海油田服務股份有限公司上海分公司（上海 200335）

0 引言

隨著東海海上油氣田勘探開發的不斷深入，整裝優質油氣藏愈來愈難以發現。為深入挖潛，近年來薄層油氣藏、底水油氣藏的開發日漸增多。目前，此類油氣藏的開發，水平井完井是增加油氣泄流面積、提高油氣采收率的關鍵環節，是實現油田增產穩產的技術手段之一[1-2]。水平井水平段在儲層中一般延伸較長，對于底水或非均質油氣藏，受水平段滲透率分布、水平段井筒流動摩阻的影響，油氣流動剖面起伏波動，易產生出水甚至水淹等問題[3]。

定向射孔是一種能夠在井下實現朝某一指定方位或方向進行射孔的技術[4]。其主要靠射孔槍身的重力實現定向[5]，分為外定向和內定向兩種方式。目前，該技術在陸地油氣田應用較多，海上油氣田部分139.7 mm(5?″)小尺寸尾管水平井也有所應用，但244.5 mm(9 ?″)套管內定向射孔海上尚無應用，亟需通過大尺寸定向射孔器材實施定向變密度射孔，實現大尺寸定向射孔工藝技術突破，延長底水油氣藏的無水采油期、提高油氣采收效益。

1 井況與射孔難點分析

東海海域團結亭構造為受平湖主斷裂控制的斷背斜構造，油氣藏總體受構造控制，局部受巖性影響，H6層段為構造底水油藏，H4層段為受巖性控制的弱邊水油藏。為落實儲層的含油性，部署鉆探了T 井，井身結構如圖1 所示，該井為水平井，井深3 650 m，穩斜段井斜為87°，最大井斜94°。

圖1 東海T井井身結構示意圖

團結亭氣田花港組為陸相湖泊三角洲沉積體系，主要目的層H6層為辮狀水道沉積，H4層為沿岸砂壩沉積。射孔段H4、H6 層平均孔隙度為20.7%，滲透率為（50～141.7）×10-3μm2，屬于中孔中滲油藏，油藏測井解釋見表1，壓力系數為0.99，井底溫度為105 ℃，射孔跨度為442 m，兩層普合電泵合采，為實現控制底水目的，水平段以244.5 mm(9 ?″)套管內定向變密度射孔方式完井，采用177.8 mm(7″)定向射孔槍提高控水效果，H4層常規射孔，H6層3 465～3 485 m、3 485～3 515 m采用變密度定向射孔。

表1 油藏測井解釋

通過分析上述井況資料，射孔作業面臨如下難點與挑戰：①定向射孔段為底水油藏，底界與底水距離較近，射孔參數及射孔精度要求高；②海上無178型定向射孔應用先例，無經驗借鑒，器材加工精度要求高、難度大；③未隨鉆進行水平段滲透率剖面測量，需以電阻率擬合滲透率剖面，進而模擬確定射孔密度；④射孔跨度大，實射段短，夾層段長，斷爆風險大。

2 關鍵技術

2.1 定向方位優選

定向方位是定向射孔能否實現控水的關鍵[6]。T 井開采層位為底水油氣藏，為了最大限度控制底水錐進速度，滿足水平段采用定向射孔達到控水目的，綜合井眼軌跡、器材選型、相位角對產能影響因素、裝槍、孔密設等幾個方面考慮，采用如圖2 所示的向上兩相位（夾角60°）的定向方位設計。

圖2 兩相位60°定向射孔示意圖

1）87°大井斜的井眼軌跡，井筒斜向下穿過儲層。較水平相位180°或向上大夾角相位（如120°），向上兩相位60°能最大限度增大井筒與底水的距離，延長無水采油期。

2）本井采用超深穿透射孔彈，相比垂直向上相位，向上兩相位60°時，射孔彈穿深受影響相對較小。且考慮本井井筒不貼近儲層頂部，60°的夾角射孔，可避免射孔孔道進入上部蓋層，確保射孔孔道孔眼的穩定性。

3）從射孔槍裝槍設計上，采用60°夾角，布彈時能最大程度地避免導爆索繞曲嚴重的現象，保證導爆索傳爆的成功。

2.2 變密度射孔優化

T井水平段H6層射孔段3 465～3 515 m，實際射孔50 m。時移電阻率方法擬合得出滲透率表明，水平段滲透率差異大：3 465～3 475 m 滲透率在（20～80）×10-3μm2之間；3 475～3 485 m 滲透率較低，在（10～25）×10-3μm2；3 485～3 490 m 滲透率較高，約在（50～200）×10-3μm2之間；3 490～3 500 m 滲透率較低，約在（15～40）×10-3μm2之間；3 500～3 505 m滲透率較高，約在（60～150）×10-3μm2之間；3 505～3 515 m滲透率約在（35～90）×10-3μm2。

由于射孔段長度較短，水平段跟端與趾端生產壓差差異很?。ǎ?.1 MPa），主要根據水平段滲透率剖面，結合避水高度的大小，對水平井段的射孔密度進行了優化模擬，流量剖面及孔密模擬對比如圖3 所示。優化模擬變孔密方案為：3 465～3 485m（18孔/m），3 485～3 515 m（12孔/m）。

圖3 變密度射孔模擬優化

2.3 射孔管柱與加壓點火方式優化

2.3.1 射孔管柱優化設計

射孔作業是套管井完井的重要程序，其首要保障是管柱安全[7]。由于T井常規射孔與定向射孔段跨度442 m，采用二級壓力延時點火設計，配置4個壓力延時點火頭，減少斷爆風險。此外，通過旋轉裝置上下接頭的相對旋轉，實現釋放管串扭距的目的，并通過縱向減震器有效地緩沖射孔槍起爆，對整個管柱的縱向沖擊。射孔管柱設計如圖4所示。

圖4 射孔管柱示意圖

2.3.2 加壓點火方式

負壓射孔是降低射孔損害、減少孔道堵塞、提高油氣產能的最佳方式[8]。但由于本井存在射孔跨度大、水平段長、封隔器坐封需旋轉管柱等難點，優選正加壓平衡射孔點火方式?？紤]因素如下：

1）負壓射孔需要正轉管柱8～12圈坐封RTTS封隔器，帶動射孔槍旋轉，射孔段87°井斜段較長、摩阻大，下部射孔槍會出現局部憋扭，影響導爆索傳爆，甚至斷爆，射孔管柱安全風險非常大。

2）若采用244.5 mm(9 ?″)非旋轉封隔器可實現不旋轉管柱坐封，但該封隔器換位行程為1.50 m，遠大于環空加壓裝置密封傳壓桿長度0.50 m，不能過封隔器傳遞環空壓力，即不能實現環空加壓負壓射孔。

2.4 大尺寸射孔器材優選

根據244.5 mm(9 ?″)套管參數、儲層溫壓特點，結合油藏開發控水要求，優選射孔火工品器材。

1）射孔槍。H4 層選用178 型射孔槍，40 孔/m，相位45°/135°，抗外壓80 MPa，抗拉強度34 300 kg，質量62 kg/m，扣型6?″-5ACME。H6層選用178型射孔槍，2～18孔/m，定位方式為內旋轉定向，定向精度±8°。

2）射孔彈。選用178型深穿透SDP45RDX39-2，穿深1 290 mm，孔徑大于10.4 mm，耐溫120 ℃/48 h。

2.5 后效體增效射孔工藝

本井選配后效體以提高射孔效果。后效射孔技術是一種新型的增效射孔工藝技術，近年來，海上及陸地油氣田在逐步推廣應用。其利用串聯在常規射孔彈尾端的后效體，由常規射孔彈起爆后的金屬射流帶入孔道后瞬間激發，超高速射流尾部形成的渦流場引力將后效粒子高速曳入到孔道內，進而在孔道內相互摩擦、撞擊，在數毫秒內從爆燃轉至螺旋爆轟，實現孔道內二次做功。

后效射孔技術的優勢在于解除常規聚能射孔產生的壓實污染[9-10]，優化射孔孔道形態，清潔孔道，改變近井污染帶的應力分布，使相鄰孔道通過微裂隙溝通，恢復油氣井自然產能。

3 大尺寸定向射孔槍地面旋轉定位試驗

3.1 試驗目的

1）檢驗水平井178型定向射孔槍的裝配樣品機械結構。

2）檢驗水平井178型定向射孔槍轉動及是否能夠準確定位。

3.2 試驗器材

1）內旋轉定向射孔槍。178型定向射孔槍2支，采用內定向、配重塊旋轉方式，每支射孔槍長3 m，內部彈架分3段，段間安裝軸承，裝彈46發，向上60°兩相位。內旋轉定向射孔槍結構示意如圖5所示。

圖5 內旋轉定向射孔槍結構示意圖

2）模擬射孔彈。采用模擬射孔彈46 發，形狀、大小與作業所用的射孔彈692D-178R-1樣彈相同，如圖6所示。

圖6 內旋轉定向彈架與模擬射孔彈

3.3 試驗過程

試驗共裝配射孔彈架2 支：其中1 支滿槍裝模擬射孔彈，做旋轉定位試驗；另1 支部分裝彈，作為靜態觀察。分別在射孔彈架的兩端定位盤及軸承上作豎直標記線。

3.3.1 射孔槍內彈架旋轉定位試驗

將裝滿模擬彈的射孔彈架置于水平放置的角鐵內，旋轉彈架接近90°角度，恢復靜止后，受配重塊向下重力限制，軸承與定位盤豎直標記線上下吻合。實物試驗如圖7所示。

圖7 射孔槍內彈架旋轉定位試驗

該試驗可直觀觀察裝有配重塊的彈架旋轉情況，并通過標記線吻合度定量檢查靜止后彈架定位盤與軸承定位準確度，確保射孔彈朝向與設計一致。

3.3.2 射孔槍管水平滾動定位試驗

將裝配好的射孔槍置于水平架上，滾動射孔槍管，使其在水平架上滾動數周，待射孔彈架管靜止后，在配重塊向下重力的作用下，軸承與定位盤標記線吻合，如圖8所示。

圖8 射孔槍管水平滾動定位試驗

水平滾動定位試驗是為了檢驗彈架裝入槍身水平滾動后，射孔彈架在配重塊重力作用下的靈活轉動情況，模擬檢驗射孔槍在水平段發生徑向滾動的定位準確度。

3.3.3 射孔槍管傾斜滾動定位試驗

將裝配好的射孔槍置于傾斜狀態（傾斜角約30°），滾動射孔槍管，待射孔彈架管靜止后，在配重塊向下重力的作用下，軸承與定位盤標記線吻合。如圖9所示。

圖9 射孔槍管傾斜滾動定位試驗

受水平段井斜及套管下入居中度影響，177.8 mm（7″）射孔槍在244.5 mm（9 ?″）套管內可能會有一定的傾斜角度，該試驗是為了驗證槍身在一定傾斜角度下，能否實現靈活定位。

3.4 試驗效果

通過以上3項試驗檢驗，178型射孔槍彈架旋轉自如，無卡滯現象。彈架靜止后，豎直標記線角度誤差均小于±8°，滿足設計與作業要求。

4 現場應用及效果

2020年東海T井244.5 mm(9?″)套管射孔完井應用177.8 mm（7″）定向變密度射孔技術，綜合考慮大跨度、長水平段、管柱安全等因素，采用TCP油管傳輸平衡射孔正加壓方式，且點火頭采用冗余設計，4 個延時點火頭確保常規射孔段和定向射孔段的點火成功率。射孔槍均采用178 型，裝配深穿透SDP45RDX39-2射孔彈，定向射孔段加裝后效體，提高射孔效果；為了滿足避水、控水要求，定向段采用12～18孔/m變孔密設計，向上60°兩相位。

本井完井液比重1.04 g/cm3，采用甲酸鹽完井液體系，采用過濾海水配置，井筒替入完井液前采用多功能過濾器、強磁、套管刷等高效清潔工具清潔井眼，確保射孔管柱的順利下入至水平段。射孔管柱到位后校深調整管柱，正加壓點火鉆臺檢測射孔現象明顯；出井檢查射孔管柱，射孔發射率100%，槍身孔眼方位準確，夾層槍完好。本井施工全過程安全、順利，水平井177.8 mm（7″）大尺寸定向變密度射孔技術在東海T 井水平井完井成功應用。

該技術的成功應用，填補了海上大尺寸定向射孔工藝應用的空白，射孔增效遠超預期。該井2020年6 月投產，電潛泵泵抽原油產量超配產近1.5 倍，目前已正常生產近一年半，未發生明顯出水問題，產出含水率在1%以下，延長了無水采油期，實現了底水油藏的有效開發。

5 結論

1）通過分析海上水平井定向射孔的技術難點與需求，針對底水油氣藏控水要求，優化設計了大尺寸射孔器的定向方位、孔密及配套射孔管柱。

2）對于水平井或大斜度井，綜合射孔段距底水油氣藏上部蓋層的距離與射孔穿深等因素，向上兩相位60°夾角能增大射孔孔道與底水的距離，并確保有效穿深、保障泄流面積。

3）大跨度、多夾層、長水平段射孔，通過多級點火方式配合旋轉接頭進行正加壓平衡射孔，可有效規避射孔管柱下入過程中憋扭、旋轉斷裂及射孔過程中斷爆的風險，提高了射孔管柱的安全性和射孔的成功率。