多簇壓裂井射孔技術研究現狀及其發展方向

鄧躍 盧宇＊ 周賢東

重慶科技大學 重慶 434000

射孔是壓裂井高壓液體作用與地層的連通渠道，射孔所形成孔眼的優劣對壓裂裂縫起裂及擴展有著重要影響，將直接影響儲層改造效果。隨著射孔技術的發展，逐漸形成了螺旋射孔、定向射孔、定面射孔、限流射孔、極限限流射孔、等孔徑射孔、分簇射孔等不同的射孔工藝技術來配合壓裂進行施工作業。本文將簡要介紹非常規油氣藏多簇壓裂中常用的分簇射孔、限流射孔技術的應用現狀，并探討其發展方向。

1 分簇射孔技術研究現狀

1.1 分簇射孔技術

分簇射孔技術是針對非常規致密儲層水平井分段壓裂提出的一種新型射孔方法。在一個壓裂段內，通過精確控制射孔位置，以一定射孔簇間距一次射開多個射孔簇，每簇形成多個射孔孔眼，以期在壓裂時形成段內形成多條裂縫或者復雜縫網，進而最大化提升裂縫與儲層接觸面積，從而提高油氣井產量[1-2]。分簇射孔施工過程中可以配合新型定向和定面技術如圖1所示，在確定確定原地應力場方位后，利用裂縫優先垂直于最小水平應力擴展原理，通過改變射孔槍的角度和方向，在有利射孔方位射孔形成初始孔道，進而降低壓裂過程中射孔起裂壓力、提高射孔簇效率[2-3]。在精細化分段分簇優化壓裂位置和射孔簇位置的基礎上，利用定向射孔或定面射孔技術實現在不同方向上進行射孔，能滿足非常規油氣藏復雜地質特征條件下的射孔需求，當前已較好應用于頁巖油氣的開發。

圖1 定向、定面射孔示意圖[3]

1.2 極限限流射孔技術

多簇壓裂過程中簇間誘導應力影響下，多簇間非均衡擴展嚴重，限流射孔可有效改善簇間干擾。Somanchi等人在2017年基于限流射孔基礎上提出了極限限流射孔技術（XLE），即限制能讓壓裂液體通過的射孔孔眼數量，將簇間的限流射孔摩阻提高到1500 psi以上，顯著提升井底施工壓力，有效壓裂開啟各個射孔簇，可提高各簇起裂效率和裂縫均衡擴展程度。可實現避免部分射孔簇過早起裂或僅集中破裂某些射孔簇而造成的段內改造效果不佳的問題[4-5]。極限限流射孔技術中因射孔孔數有限，對適合的射孔孔徑大小要求較高，在一定孔徑條件下，根據壓裂段內所需摩阻通過統一降低各簇射孔孔密或非均勻孔數布孔進行限流設計，實現段內更好的起裂、均衡裂縫擴展的壓裂目的。

2 分簇限流射孔技術應用

射孔簇參數與多簇間的裂縫競爭起裂擴展存在顯著關系，是分簇射孔技術的關鍵。射孔簇參數包括射孔簇位置、簇間距、射孔孔徑、孔密、相位等。分簇限流射孔技術主要在其他射孔參數確定基礎上展開孔數或孔徑的優化限制。

2.1 限流射孔油田應用案例

XLE技術分為1.0和2.0兩個階段，1.0版本目標是找到每個壓裂段的最大簇數量，同時仍能提供良好的射孔簇效率和裂縫改造均勻性。例如，在巴肯和三叉井地層中使用XLE技術進行分簇射孔，壓裂段內設計30～32段，每段6～15簇，每英尺2～3孔，簇間距33英尺，以超過1500 psi的射孔摩阻設計。XLE 2.0設計壓裂25～27段，每段8～20簇，每英尺1孔，超過1500 psi的射孔摩阻設計，簇間距低于30英尺。XLE 1.0射孔簇效率達到73%～95%，而XLE 2.0簇效率則為85%～100%，通過極限限流控制射孔簇摩阻的設計進一步提升簇效率低限[4-5]。射孔摩阻過高受到壓裂泵組施工能力的限制，因此，需要考慮各射孔簇所有可能方向上的孔眼直徑大小，能有效打開的孔眼數量與段內總孔數間的匹配關系。在Marcellus頁巖油氣藏中，常用射孔設計方案包括常規射孔設計、極限射孔設計、錐形射孔設計[5]。傳統設計采用均勻射孔孔眼布置，以覆蓋整個目標層段，然而這種射孔模式在該頁巖地層中無法有效形成裂縫網絡，從而限制了單井改造效果的提升。通過對比實驗和數值模擬發現，極限限流設計可以提高簇效率，并在最大泵送排量下實現較好改造效果，但需結合極限限流摩阻需求，綜合考慮射孔孔眼數量、射孔位置、孔徑等影響，形成配套極限限流射孔參數。錐形設計通過在射孔孔眼周圍形成錐形凹槽，增加了套管和地層中穿透的射孔孔眼的面積和流通能力，可有效提高壓裂時裂縫的擴展效果和連接性，從而提高壓裂改造效果。實踐表明，該頁巖地層中，段內10簇XLE設計比段內7簇錐形設計壓裂效果表現更好，錐型射孔為該區塊的射孔效率提升提供了新思路。然而，關于錐形和限流設計組合使用，在Marcellus頁巖地層目前還需要進一步的研究和探索[5-6]。針對國內頁巖氣藏的開發中分簇射孔的應用，如長寧龍馬溪組頁巖氣區塊通常采用等孔徑射孔，段內主體簇數6～8簇，簇長度0.5m，孔數控制在6～8孔/簇左右，配合暫堵壓裂施工，目前逐步探索使用的差異化布簇射孔參數優化等嘗試也取得了較好壓裂效果。

2.2 限流射孔磨蝕

射孔孔徑是分簇限流射孔技術中另外一個影響壓裂改造效果的參數，Cramer等[7]人研究表明，在壓裂段內射孔簇間支撐劑的分配存在跟趾偏差，即跟部較趾部射孔簇聚集了更多的支撐劑。壓前孔眼形態和壓后孔眼形態如圖2所示，無論是采用極限限流射孔（XLE）還是錐形射孔設計，跟端射孔簇孔眼均模式更為嚴重。這可能是由于射孔槍套間隙差異、支撐劑流經跟端的更多或孔眼在跟部簇中的位置相對較低，造成壓裂液攜帶支撐劑的沖涮和磨蝕。因此，在分簇射孔設計時需考慮磨蝕跟趾偏差沖蝕孔眼的問題。復雜儲層地質特征條件下段內多簇壓裂時，段內各射孔簇間力學差異、非均勻地應力差異顯著，射孔孔眼磨蝕進一步加劇對多簇裂縫非均衡擴展的不利影響。尤其是在XLE和錐形射孔設計時，更需綜合考慮跟部射孔簇中的孔眼磨蝕的影響，進一步優化分簇射孔參數設計，降低段內射孔簇的跟趾偏差和射孔孔眼磨蝕的不利影響，實現均衡支撐劑展布，從而提高壓裂效果。

圖2 壓前孔眼形態和壓后孔眼形態[6]

3 分簇射孔技術展望

分簇射孔技術在實踐和應用中不斷發展，其發展方向包括結合地質工程一體化技術，圍繞提高多簇壓裂改造效果，展開分簇射孔工藝和參數優化技術的提升。主要體現在結合目前發展迅速的大數據和人工智能領域技術，基于區塊或單井獲取的大量與儲層質量和可壓性相關的測井數據庫，建立智能優化模型，展開精細化的分段分簇射孔優化。結合目標區塊儲層地質力學特征，采用分簇射孔優化配合多輪次暫堵壓裂工藝優化。研發精準定向和定面技術、新型射孔工具、工藝及增效射孔彈型，降低射孔損傷、提升射孔孔道質量。另外，針對大規模壓裂特別是憋壓較高的限流射孔條件下套管損壞、套變極大影響了油井安全生產，優化分簇射孔參數合理降低分簇射孔起裂壓力，防止套損、套變發生是當前深層頁巖氣壓裂面臨的重要問題。多簇射孔密切割壓裂已成趨勢，配合暫堵壓裂促進多簇裂縫均衡擴展和儲層改造最大化，探索優化射孔簇參數與多簇暫堵炮眼壓裂參數的匹配關系也是當前研究熱點之一。多簇壓裂井射孔技術的提升將為進一步提高非常規油氣藏和致密儲層的壓裂改造效果提供技術支撐。

4 結束語

（1）分簇射孔配合定向、定面、等孔徑射孔及XLE射孔是提高壓裂改造效果的關鍵技術之一。

（2）分簇射孔優化研究應充分考慮地質工程一體化，結合人工智能展開精細分簇及限流，為多簇壓裂裂縫均衡起裂及擴展提供可靠支撐。

（3）分簇射孔優化發展方向包括分簇射孔優化防止套變，配合暫堵壓裂射孔優化，及研發新型射孔工具和增效射孔彈型等。