多簇壓裂井射孔技術(shù)研究現(xiàn)狀及其發(fā)展方向

鄧躍 盧宇＊ 周賢東

重慶科技大學(xué) 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(yōu)劣對(duì)壓裂裂縫起裂及擴(kuò)展有著重要影響，將直接影響儲(chǔ)層改造效果。隨著射孔技術(shù)的發(fā)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(shù)來(lái)配合壓裂進(jìn)行施工作業(yè)。本文將簡(jiǎn)要介紹非常規(guī)油氣藏多簇壓裂中常用的分簇射孔、限流射孔技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，并探討其發(fā)展方向。

1 分簇射孔技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 分簇射孔技術(shù)

分簇射孔技術(shù)是針對(duì)非常規(guī)致密儲(chǔ)層水平井分段壓裂提出的一種新型射孔方法。在一個(gè)壓裂段內(nèi)，通過(guò)精確控制射孔位置，以一定射孔簇間距一次射開(kāi)多個(gè)射孔簇，每簇形成多個(gè)射孔孔眼，以期在壓裂時(shí)形成段內(nèi)形成多條裂縫或者復(fù)雜縫網(wǎng)，進(jìn)而最大化提升裂縫與儲(chǔ)層接觸面積，從而提高油氣井產(chǎn)量[1-2]。分簇射孔施工過(guò)程中可以配合新型定向和定面技術(shù)如圖1所示，在確定確定原地應(yīng)力場(chǎng)方位后，利用裂縫優(yōu)先垂直于最小水平應(yīng)力擴(kuò)展原理，通過(guò)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(jìn)而降低壓裂過(guò)程中射孔起裂壓力、提高射孔簇效率[2-3]。在精細(xì)化分段分簇優(yōu)化壓裂位置和射孔簇位置的基礎(chǔ)上，利用定向射孔或定面射孔技術(shù)實(shí)現(xiàn)在不同方向上進(jìn)行射孔，能滿足非常規(guī)油氣藏復(fù)雜地質(zhì)特征條件下的射孔需求，當(dāng)前已較好應(yīng)用于頁(yè)巖油氣的開(kāi)發(fā)。

圖1 定向、定面射孔示意圖[3]

1.2 極限限流射孔技術(shù)

多簇壓裂過(guò)程中簇間誘導(dǎo)應(yīng)力影響下，多簇間非均衡擴(kuò)展嚴(yán)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(chǔ)上提出了極限限流射孔技術(shù)（XLE），即限制能讓壓裂液體通過(guò)的射孔孔眼數(shù)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(kāi)啟各個(gè)射孔簇，可提高各簇起裂效率和裂縫均衡擴(kuò)展程度。可實(shí)現(xiàn)避免部分射孔簇過(guò)早起裂或僅集中破裂某些射孔簇而造成的段內(nèi)改造效果不佳的問(wèn)題[4-5]。極限限流射孔技術(shù)中因射孔孔數(shù)有限，對(duì)適合的射孔孔徑大小要求較高，在一定孔徑條件下，根據(jù)壓裂段內(nèi)所需摩阻通過(guò)統(tǒng)一降低各簇射孔孔密或非均勻孔數(shù)布孔進(jìn)行限流設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)段內(nèi)更好的起裂、均衡裂縫擴(kuò)展的壓裂目的。

2 分簇限流射孔技術(shù)應(yīng)用

射孔簇參數(shù)與多簇間的裂縫競(jìng)爭(zhēng)起裂擴(kuò)展存在顯著關(guān)系，是分簇射孔技術(shù)的關(guān)鍵。射孔簇參數(shù)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(shù)主要在其他射孔參數(shù)確定基礎(chǔ)上展開(kāi)孔數(shù)或孔徑的優(yōu)化限制。

2.1 限流射孔油田應(yīng)用案例

XLE技術(shù)分為1.0和2.0兩個(gè)階段，1.0版本目標(biāo)是找到每個(gè)壓裂段的最大簇?cái)?shù)量，同時(shí)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(shù)進(jìn)行分簇射孔，壓裂段內(nèi)設(shè)計(jì)30～32段，每段6～15簇，每英尺2～3孔，簇間距33英尺，以超過(guò)1500 psi的射孔摩阻設(shè)計(jì)。XLE 2.0設(shè)計(jì)壓裂25～27段，每段8～20簇，每英尺1孔，超過(guò)1500 psi的射孔摩阻設(shè)計(jì)，簇間距低于30英尺。XLE 1.0射孔簇效率達(dá)到73%～95%，而XLE 2.0簇效率則為85%～100%，通過(guò)極限限流控制射孔簇摩阻的設(shè)計(jì)進(jìn)一步提升簇效率低限[4-5]。射孔摩阻過(guò)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(kāi)的孔眼數(shù)量與段內(nèi)總孔數(shù)間的匹配關(guān)系。在Marcellus頁(yè)巖油氣藏中，常用射孔設(shè)計(jì)方案包括常規(guī)射孔設(shè)計(jì)、極限射孔設(shè)計(jì)、錐形射孔設(shè)計(jì)[5]。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)采用均勻射孔孔眼布置，以覆蓋整個(gè)目標(biāo)層段，然而這種射孔模式在該頁(yè)巖地層中無(wú)法有效形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，從而限制了單井改造效果的提升。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，極限限流設(shè)計(jì)可以提高簇效率，并在最大泵送排量下實(shí)現(xiàn)較好改造效果，但需結(jié)合極限限流摩阻需求，綜合考慮射孔孔眼數(shù)量、射孔位置、孔徑等影響，形成配套極限限流射孔參數(shù)。錐形設(shè)計(jì)通過(guò)在射孔孔眼周?chē)纬慑F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(shí)裂縫的擴(kuò)展效果和連接性，從而提高壓裂改造效果。實(shí)踐表明，該頁(yè)巖地層中，段內(nèi)10簇XLE設(shè)計(jì)比段內(nèi)7簇錐形設(shè)計(jì)壓裂效果表現(xiàn)更好，錐型射孔為該區(qū)塊的射孔效率提升提供了新思路。然而，關(guān)于錐形和限流設(shè)計(jì)組合使用，在Marcellus頁(yè)巖地層目前還需要進(jìn)一步的研究和探索[5-6]。針對(duì)國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣藏的開(kāi)發(fā)中分簇射孔的應(yīng)用，如長(zhǎng)寧龍馬溪組頁(yè)巖氣區(qū)塊通常采用等孔徑射孔，段內(nèi)主體簇?cái)?shù)6～8簇，簇長(zhǎng)度0.5m，孔數(shù)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(shù)優(yōu)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(shù)中另外一個(gè)影響壓裂改造效果的參數(shù)，Cramer等[7]人研究表明，在壓裂段內(nèi)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(tài)和壓后孔眼形態(tài)如圖2所示，無(wú)論是采用極限限流射孔（XLE）還是錐形射孔設(shè)計(jì)，跟端射孔簇孔眼均模式更為嚴(yán)重。這可能是由于射孔槍套間隙差異、支撐劑流經(jīng)跟端的更多或孔眼在跟部簇中的位置相對(duì)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(shè)計(jì)時(shí)需考慮磨蝕跟趾偏差沖蝕孔眼的問(wèn)題。復(fù)雜儲(chǔ)層地質(zhì)特征條件下段內(nèi)多簇壓裂時(shí)，段內(nèi)各射孔簇間力學(xué)差異、非均勻地應(yīng)力差異顯著，射孔孔眼磨蝕進(jìn)一步加劇對(duì)多簇裂縫非均衡擴(kuò)展的不利影響。尤其是在XLE和錐形射孔設(shè)計(jì)時(shí)，更需綜合考慮跟部射孔簇中的孔眼磨蝕的影響，進(jìn)一步優(yōu)化分簇射孔參數(shù)設(shè)計(jì)，降低段內(nèi)射孔簇的跟趾偏差和射孔孔眼磨蝕的不利影響，實(shí)現(xiàn)均衡支撐劑展布，從而提高壓裂效果。

圖2 壓前孔眼形態(tài)和壓后孔眼形態(tài)[6]

3 分簇射孔技術(shù)展望

分簇射孔技術(shù)在實(shí)踐和應(yīng)用中不斷發(fā)展，其發(fā)展方向包括結(jié)合地質(zhì)工程一體化技術(shù)，圍繞提高多簇壓裂改造效果，展開(kāi)分簇射孔工藝和參數(shù)優(yōu)化技術(shù)的提升。主要體現(xiàn)在結(jié)合目前發(fā)展迅速的大數(shù)據(jù)和人工智能領(lǐng)域技術(shù)，基于區(qū)塊或單井獲取的大量與儲(chǔ)層質(zhì)量和可壓性相關(guān)的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)，建立智能優(yōu)化模型，展開(kāi)精細(xì)化的分段分簇射孔優(yōu)化。結(jié)合目標(biāo)區(qū)塊儲(chǔ)層地質(zhì)力學(xué)特征，采用分簇射孔優(yōu)化配合多輪次暫堵壓裂工藝優(yōu)化。研發(fā)精準(zhǔn)定向和定面技術(shù)、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(zhì)量。另外，針對(duì)大規(guī)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(chǎn)，優(yōu)化分簇射孔參數(shù)合理降低分簇射孔起裂壓力，防止套損、套變發(fā)生是當(dāng)前深層頁(yè)巖氣壓裂面臨的重要問(wèn)題。多簇射孔密切割壓裂已成趨勢(shì)，配合暫堵壓裂促進(jìn)多簇裂縫均衡擴(kuò)展和儲(chǔ)層改造最大化，探索優(yōu)化射孔簇參數(shù)與多簇暫堵炮眼壓裂參數(shù)的匹配關(guān)系也是當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一。多簇壓裂井射孔技術(shù)的提升將為進(jìn)一步提高非常規(guī)油氣藏和致密儲(chǔ)層的壓裂改造效果提供技術(shù)支撐。

4 結(jié)束語(yǔ)

（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(guān)鍵技術(shù)之一。

（2）分簇射孔優(yōu)化研究應(yīng)充分考慮地質(zhì)工程一體化，結(jié)合人工智能展開(kāi)精細(xì)分簇及限流，為多簇壓裂裂縫均衡起裂及擴(kuò)展提供可靠支撐。

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