文96儲(chǔ)氣庫(kù)射孔方式及射孔參數(shù)研究

宋 寧，吳春紅，王 寧，周曉妮

（1.中原石油工程有限公司地球物理測(cè)井公司，河南濮陽(yáng)457001；2.中原油田分公司采油一廠，河南濮陽(yáng)457001；3.勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院，山東東營(yíng)257000)

文96儲(chǔ)氣庫(kù)射孔方式及射孔參數(shù)研究

宋 寧*1，吳春紅2，王 寧3，周曉妮1

（1.中原石油工程有限公司地球物理測(cè)井公司，河南濮陽(yáng)457001；2.中原油田分公司采油一廠，河南濮陽(yáng)457001；3.勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院，山東東營(yíng)257000)

地下儲(chǔ)氣庫(kù)用于隨時(shí)調(diào)節(jié)天然氣供應(yīng)量和消費(fèi)量之間的平衡、協(xié)調(diào)供求關(guān)系的變換和戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備等，目前世界上以建立了多種類(lèi)型的儲(chǔ)氣庫(kù)：枯竭油氣藏儲(chǔ)氣庫(kù)、含水層儲(chǔ)氣庫(kù)、鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)等。文96儲(chǔ)氣庫(kù)就是利用枯竭油藏地層而形成的儲(chǔ)氣庫(kù)?？萁咝陀蜌獠貎?chǔ)層滲透率低，經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)發(fā)，儲(chǔ)層底層壓力低、滲透率低，在鉆井和完井過(guò)程中，不可避免對(duì)地層造成污染，嚴(yán)重降低氣體的注（采）速度。射孔是儲(chǔ)氣庫(kù)投產(chǎn)中關(guān)鍵一環(huán)，用以溝通地層和井筒的流體流動(dòng)通道。射孔參數(shù)的優(yōu)化可以為枯竭型低壓儲(chǔ)層提供一種高效能并且地質(zhì)效果好的射孔工藝，增加儲(chǔ)氣庫(kù)的天然氣注采速度，減小流動(dòng)阻力，提高調(diào)峰能力。

低壓低滲；儲(chǔ)氣庫(kù)；射孔參數(shù)優(yōu)化

針對(duì)文96枯竭型儲(chǔ)氣庫(kù)具有地層厚度大、地層壓力低、地層滲透率低等特點(diǎn)，射孔技術(shù)的高低、射孔質(zhì)量的好壞將直接影響儲(chǔ)氣庫(kù)單井產(chǎn)能的發(fā)揮。該文章分析了各種射孔方式及射孔參數(shù)對(duì)射孔產(chǎn)率的影響，針對(duì)文96儲(chǔ)氣庫(kù)的射孔參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行展開(kāi)。

1 射孔參數(shù)優(yōu)化技術(shù)路線

文96儲(chǔ)氣庫(kù)井射孔參數(shù)優(yōu)化是在滿(mǎn)足氣井工程和地質(zhì)要求的前提下，通過(guò)分析氣井產(chǎn)能各影響因素，清楚各種射孔參數(shù)較合理的取值區(qū)間；根據(jù)優(yōu)選的射孔槍規(guī)格，結(jié)合各射孔參數(shù)在射孔器制造工藝和技術(shù)上實(shí)現(xiàn)的難易程度和相互影響，最終確定射孔器類(lèi)型和射孔參數(shù)。

2 射孔參數(shù)對(duì)產(chǎn)率比的影響

2.1 孔深的影響

射孔深度（簡(jiǎn)稱(chēng)孔深）是指射孔穿透套管、水泥環(huán)進(jìn)入地層中形成一個(gè)孔道，孔道延伸的長(zhǎng)度叫孔深。射孔深度是影響油井產(chǎn)能的一個(gè)重要因素，許多研究都論述了孔深的影響作用。

在無(wú)污染的地層中，產(chǎn)率比隨孔深的增加而增加，計(jì)算孔深范圍在5～5000mm，但在1m左右它增加的幅度是總增加幅度的一半，這說(shuō)明它是一條減速遞增曲線，開(kāi)始增加的幅度大，也就是說(shuō)這時(shí)孔深對(duì)產(chǎn)能影響較大。

在存在鉆井污染的地層中，孔深的作用與無(wú)鉆井損害時(shí)相比有相同之處，亦有些不同之處。相同之處是：隨著孔深的增加產(chǎn)率比增加。其產(chǎn)率比曲線在孔深較小時(shí)斜率較大，當(dāng)孔深較大時(shí)，斜率變小、變平。不同之處是：當(dāng)孔深達(dá)到鉆井污染帶深度時(shí)，曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)。也就是說(shuō)，當(dāng)射孔深度超過(guò)鉆井污染帶時(shí)，產(chǎn)率比能有較大幅度的提高，曲線變陡。這就意味著適當(dāng)提高射孔穿透深度，使其射穿鉆井污染帶，將會(huì)產(chǎn)生較大的產(chǎn)能效益，但這種效益隨著孔深的增加而逐步減少。因此，無(wú)限制地追求深穿透亦是不必要的。

2.2 孔徑的影響

孔徑是指射孔形成孔道的直徑。

從圖1整體變化趨勢(shì)看，它雖然也是一條減速遞增曲線，但總的來(lái)說(shuō)，孔徑對(duì)產(chǎn)能的影響較小，相對(duì)而言是一個(gè)不太重要的因素。目前所用彈型的孔徑的變化范圍較小，由于射孔彈的炸藥量及能量均是一定，故一般都傾向于犧牲孔徑（孔徑為10m左右即可）來(lái)?yè)Q取較大的孔深。但這個(gè)結(jié)論不適用于稠油層、易出砂等特殊儲(chǔ)層。

2.3 孔密的影響

孔密是指單位長(zhǎng)度射孔器所裝射孔彈的數(shù)量。

圖1 產(chǎn)率比隨孔徑變化曲線（rp-孔徑）

圖2 產(chǎn)率比隨孔密變化曲線

從圖2可以看出，它也是一條減速遞增曲線，對(duì)產(chǎn)率比的影響較大，從10孔/m增加到16孔/m時(shí)，產(chǎn)率比增加10%以上，而從25孔/m增加到31孔/m，產(chǎn)率比卻只增加不到3%，說(shuō)明在孔密較低時(shí)，增加孔密是一種提高射孔效果的好辦法，但無(wú)限度地追求高孔密卻是沒(méi)有意義的。

2.4 相位角的影響

相位角是指相鄰兩個(gè)射孔彈之間的角度。相位角是影響產(chǎn)能的一個(gè)重要因素。在無(wú)污染無(wú)壓實(shí)情況下研究得出結(jié)果：0°相位角性能最差，180°相位角比0°相位角產(chǎn)率比高20%，而最佳相位角60°時(shí)比0°的產(chǎn)率比高30%。相位角的優(yōu)劣次序?yàn)?0°、90°、120°、180°、0°，并且60°、90°、120°的效果相差不大。

2.5 壓實(shí)厚度的影響

套管、水泥環(huán)、巖石在射孔后變形、破碎和壓實(shí)，在射孔孔道的周?chē)蜁?huì)形成一個(gè)壓實(shí)損害帶，這個(gè)壓實(shí)損害帶的厚度叫做壓實(shí)厚度。壓實(shí)厚度對(duì)產(chǎn)率比的影響比較大，尤其是壓實(shí)厚度在2cm以?xún)?nèi)時(shí)，而實(shí)際各種彈性的壓實(shí)厚度一般均在此范圍內(nèi)，因此對(duì)于射孔彈的生產(chǎn)而言如何減少壓實(shí)厚度是提高射孔彈性能及射孔效果的重要途徑。

2.6 壓實(shí)程度的影響

壓實(shí)程度（Kc/Ke）為壓實(shí)帶滲透率與地層滲透率的比值，隨著孔深的增加，壓實(shí)程度對(duì)產(chǎn)率比的影響變大，壓實(shí)程度從強(qiáng)到弱，產(chǎn)率比逐漸增大，但其增幅呈減小趨勢(shì)。

2.7 污染深度的影響

在鉆井過(guò)程中鉆井液浸泡地層，形成一個(gè)地層污染帶，這個(gè)污染帶的厚度叫做污染深度。

圖3是產(chǎn)率比隨污染深度變化的曲線圖，該圖是在孔深25.4cm情況下做出的。通過(guò)對(duì)曲線分析可以看出：當(dāng)污染深度大于孔深（即未射穿污染帶）時(shí)產(chǎn)率比一直較低，即使污染深度有較大降低，產(chǎn)率比的增加也是很有限的；當(dāng)污染深度小于孔深（即已射穿污染帶）時(shí)，產(chǎn)率比有很迅速的增加，因此如何減小污染深度，使得污染帶能夠被現(xiàn)有的射孔彈射穿（或提高射孔彈穿深，使其射穿污染帶）是提高射孔井產(chǎn)能的重要途徑。

圖3 產(chǎn)率比隨污染深度變化曲線（Lc-污染深度）

2.8 污染程度的影響

污染程度為污染帶滲透率與地層滲透率的比值。在孔深較淺時(shí)，污染程度對(duì)產(chǎn)率比的影響較大，射孔穿透污染帶顯得格外重要，隨著孔深的增加，污染程度對(duì)產(chǎn)率比的影響變小。換句話說(shuō)，若射孔彈能穿透污染帶，其污染程度的影響將大大降低。

3 射孔槍規(guī)格確定

一般情況下，選擇射孔槍的規(guī)格主要考慮兩方面的因素，一是射孔槍在射孔后的變形不至發(fā)生井下卡槍事故；二是射孔槍的射孔參數(shù)有利于溝通地層和井筒的滲流通道，提高氣井產(chǎn)能。射孔槍的外徑越大，越有利于調(diào)整射孔參數(shù)。防止射孔卡槍和增大射孔槍外徑是一對(duì)矛盾，因此需要優(yōu)選射孔槍規(guī)格，最大程度解決這一對(duì)矛盾。

文96儲(chǔ)氣庫(kù)設(shè)計(jì)井型有直井、定向井、水平井。生產(chǎn)套管均為7″，內(nèi)徑157.1mm，可供選擇的射孔槍型有：外徑114mm、127mm、140mm三種規(guī)格。在國(guó)內(nèi)外射孔施工中，這三種射孔槍在7″套管內(nèi)都有或多或少不等量使用的經(jīng)歷。表1是三種射孔槍在文96儲(chǔ)氣庫(kù)的適應(yīng)性分析。

表1 ?114mm、?127mm、?140mm射孔槍在文96儲(chǔ)氣庫(kù)適應(yīng)性分析

根據(jù)數(shù)據(jù)比較，射孔槍可選用127mm或114mm射孔槍?zhuān)褂?127mm的射孔槍?zhuān)淇讖椇蜕淇讟尩呐浜细吅侠?，穿孔深度和孔徑比較大，射孔效果較好，因此，對(duì)于直井選擇?127mm射孔槍。

對(duì)于水平井或大斜度井（井斜大于45°），推薦選用?114mm射孔槍。主要基于幾方面原因：

（1）對(duì)于斜度大的井，在套管內(nèi)壁上可能殘留有固井水泥漿的殘?jiān)淇灼鞅ê髸?huì)發(fā)生膨脹和彎曲變形，上提射孔槍至“狗腿處”存在卡槍風(fēng)險(xiǎn)，射孔槍外徑越大，風(fēng)險(xiǎn)越大。

（2）對(duì)于水平井射孔，更大的施工風(fēng)險(xiǎn)是射孔管柱遇卡。水平井射孔槍為滿(mǎn)足自動(dòng)定向要求，無(wú)法與非定向射孔槍一樣預(yù)制掩埋射孔毛刺的“盲孔”，射孔后槍身上毛刺較高；水平井射孔槍在井下處于“平躺”狀態(tài)，下放或上提的摩阻高；適當(dāng)降低射孔槍尺寸利于降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

（3）通過(guò)射孔參數(shù)敏感分析，?114mm射孔槍裝配1m彈的射孔參數(shù)對(duì)產(chǎn)能影響不明顯，能滿(mǎn)足地質(zhì)的需要。

4 射孔參數(shù)確定

通過(guò)對(duì)氣井產(chǎn)能的影響因素分析可以看出，采用深穿透、大孔徑、高孔密和低相位角射孔將對(duì)氣井的產(chǎn)能發(fā)揮積極作用，但各種參數(shù)的影響程度很大差別，各種參數(shù)重要程度見(jiàn)表2。

表2 儲(chǔ)氣庫(kù)井產(chǎn)能影響因素重要性的排序

射孔參數(shù)受射孔槍規(guī)格和射孔彈規(guī)格限制，直徑相對(duì)較小的射孔槍不可能獲得較理想的射孔參數(shù)，它們之間又相互抑制，深穿透、大孔徑、高孔密不可能同時(shí)實(shí)現(xiàn)，追求深穿透必定以犧牲大孔徑和高孔密為代價(jià)，同理，高孔密射孔槍必須使用相對(duì)小直徑的射孔彈，穿孔深度和入口直徑都將受到影響。以上分析結(jié)果是通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬得出的，理想的射孔參數(shù)當(dāng)然會(huì)獲得更好的產(chǎn)能，但在射孔器設(shè)計(jì)和制造技術(shù)上很難達(dá)到或不可能達(dá)到理想的射孔參數(shù)。

4.1 孔深和孔密的確定

文96氣田經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期開(kāi)采，地層壓力系數(shù)降至0.1～0.3，低壓地層在鉆井和完井過(guò)程中不可避免地遭受泥漿和水泥漿的污染，低滲透地層一旦污染很難解除。所以要求在射孔時(shí)盡量提高穿孔深度，參考文109井鉆井污染深度200mm，那么文96儲(chǔ)氣庫(kù)井射孔時(shí)穿透深度不應(yīng)低于200mm，最好在300mm以上，但穿孔深度超過(guò)400mm后，產(chǎn)能增加的趨勢(shì)變緩。

射孔彈廠家公布的射孔器性能數(shù)據(jù)目前大都是混凝土靶數(shù)據(jù)，它并不表示在實(shí)際地下情況的穿透數(shù)據(jù)，只有地下實(shí)際情況下的穿透數(shù)據(jù)才能用來(lái)評(píng)價(jià)射孔井的動(dòng)態(tài)。到目前為止，還不能準(zhǔn)確測(cè)量射孔彈在井下實(shí)際穿深，但經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究，已經(jīng)獲得了貝雷砂巖靶向?qū)嶋H地層穿透數(shù)據(jù)的校正方法，對(duì)文96儲(chǔ)氣庫(kù)地層，射孔在井下實(shí)際穿深和貝雷砂巖靶穿深數(shù)據(jù)接近，混凝土靶穿深數(shù)據(jù)和貝雷砂巖靶穿深數(shù)據(jù)關(guān)系見(jiàn)圖4。由此可以折算，若要求地層中穿深達(dá)到300～400mm，則射孔彈在混凝土靶上的穿孔深度必須達(dá)到800～1000mm。

圖4 根據(jù)混凝土靶穿深折算貝雷靶穿

儲(chǔ)氣庫(kù)注采井必須滿(mǎn)足強(qiáng)注強(qiáng)采要求，由于采氣強(qiáng)度大，容易造成地層出砂，高孔密射孔對(duì)防止或減少出砂有明顯的效果，而且產(chǎn)率比隨著射孔密度的增加而增加，在增加到16孔/m后，產(chǎn)率比增加速度變緩?？紤]到較高的射孔密度是以犧牲穿孔深度和入口直徑為代價(jià)的，所以射孔密度在16～25孔/m比較合理。

儲(chǔ)氣庫(kù)新鉆井采用7″生產(chǎn)套管，目前與127槍配套的深穿透射孔槍彈有DP44RDX38-1彈、DP44RDX-5彈，防砂用的大孔徑射孔槍有114槍裝配BH48RDX-2彈、127槍裝配BH54RDX-3彈。性能指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 深穿透和防砂用射孔槍彈性能

從滿(mǎn)足注采井產(chǎn)能，兼顧防砂需要，進(jìn)行深穿透、高孔密的射孔槍彈優(yōu)選。從表3可以看出，127槍DP44RDX-5彈射孔穿深最高，可達(dá)856mm；127槍DP44RDX38-1彈射孔穿深次之，但孔密最高可達(dá)20孔/m；防砂用射孔槍彈（114槍BH48RDX-2彈、127槍BH54RDX-3彈）射孔穿深均較小，但射孔孔密最高可達(dá)到40孔/m。

由于射孔密度從20孔/m增加到40孔/m產(chǎn)率比增幅不大，而射孔密度40孔/m的射孔器穿深只有200mm左右，折合到地層中實(shí)際穿深不足100mm，所以不予考慮。

對(duì)于穿深達(dá)到726mm的DP44RDX38-1射孔彈，彈殼外徑已達(dá)到46～48mm，雖然可以實(shí)現(xiàn)在長(zhǎng)度1000mm空間內(nèi)安裝20發(fā)射孔彈，但射孔彈外殼間距低于5mm，加之彈殼壁厚較薄，彈間干擾加劇，影響穿深和孔道質(zhì)量；DP44RDX-5射孔彈殼體外徑達(dá)到52mm，抗彈間干擾能力強(qiáng)，按16孔/m裝配，彈間距還有10.5mm，有效避免彈間干擾，而且孔徑?12.2mm，比DP44RDX38-1射孔彈形成的孔徑?10.8mm大1.4mm；儲(chǔ)氣庫(kù)要求安全運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，高孔密射孔不利于套管強(qiáng)度的長(zhǎng)期保持（射孔參數(shù)對(duì)套管強(qiáng)度影響見(jiàn)圖5）。因此綜合考慮優(yōu)選射孔密度為：16孔/m。

圖5 孔徑和相位對(duì)套管強(qiáng)度的影響

4.2 相位角的確定

對(duì)提高產(chǎn)能而言，比較合理的相位角是90°和60°，兩者對(duì)產(chǎn)能的影響相差甚微，但90°相位角兩發(fā)射孔彈之間導(dǎo)爆索的距離比60°相位角的長(zhǎng)，不利于減小彈間干擾，所以應(yīng)優(yōu)先選擇60°相位角。

4.3 壓實(shí)帶的改造

所有的聚能射孔彈穿孔后都會(huì)在孔道上形成壓實(shí)帶，壓實(shí)厚度一般1.2～1.3cm，孔隙度下降幅度13.06%～21.79%，滲透率下降幅度71.98%～78.10%。壓實(shí)帶側(cè)面受到的損害遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于頭部損害，軸向流動(dòng)效率高于徑向流動(dòng)效率（見(jiàn)圖6）。

研究表明，射孔孔道壓實(shí)帶對(duì)氣井產(chǎn)能的影響大于對(duì)油井的影響，它可以使氣井產(chǎn)能降低20%～30%，所以，對(duì)射孔壓實(shí)帶的改造直觀重要。負(fù)壓射孔可以從一定程度上解除地層污染，并使孔眼得到部分清洗，但對(duì)壓實(shí)帶的改造效果甚微。目前，廣泛使用的復(fù)合射孔器—聚能射孔器和高能火藥組合可在一定程度上改造孔道壓實(shí)帶，使孔道壓實(shí)帶破碎，并在近井地層形成多條不受地應(yīng)力控制的微裂縫，進(jìn)一步降低地層污染的影響。所以在文96儲(chǔ)氣庫(kù)射孔時(shí)，應(yīng)在原有射孔參數(shù)的基礎(chǔ)上增加以改造孔道壓實(shí)帶和降低地層污染為主要目的的復(fù)合射孔。

圖6 射孔壓實(shí)傷害示意圖

5 射孔參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)文96儲(chǔ)氣庫(kù)地質(zhì)特點(diǎn)和投產(chǎn)工程要求，按照滿(mǎn)足產(chǎn)率比相對(duì)較大、兼顧防砂需要的原則，結(jié)合射孔器設(shè)計(jì)制造技術(shù)，優(yōu)選射孔參數(shù)如下：

射孔器類(lèi)型：深穿透多脈沖復(fù)合射孔器；

射孔槍規(guī)格：直井或大斜度井：?127mm；水平井：?114mm；

射孔彈型號(hào)：DP44RDX-5；

孔密：16孔/m；

相位：60°或90°，水平井采取定向射孔；

布孔方式：螺旋布孔；

對(duì)非均質(zhì)嚴(yán)重的部分氣井，考慮變密度射孔。

6 結(jié)論

對(duì)于儲(chǔ)氣庫(kù)的射孔方式和射孔參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是一件長(zhǎng)期、艱巨的任務(wù)，研究的成果對(duì)油田的持續(xù)開(kāi)發(fā)、效益增長(zhǎng)、安全提高等都有不可限量的作用。

本文根據(jù)已有的理論，針對(duì)枯竭型儲(chǔ)氣庫(kù)地層的射孔方式及射孔參數(shù)進(jìn)一步進(jìn)行了分析和研究：

（1）總結(jié)歸納了常規(guī)的射孔方式，并依此選了針對(duì)枯竭型儲(chǔ)氣庫(kù)而采取的射孔方式。

（2）詳細(xì)概述了射孔參數(shù)對(duì)射孔完井產(chǎn)率比的影響，并量化了產(chǎn)率比與射孔參數(shù)（孔深、孔徑、孔密、相位角、壓實(shí)厚度、壓實(shí)程度、污染程度）的關(guān)系。

（3）針對(duì)文96枯竭型儲(chǔ)氣庫(kù)完井射孔優(yōu)化了合適的射孔參數(shù)組合。

[1]陸大衛(wèi).油氣井射孔技術(shù)[M].2012.

[2]姜必武，程林松，張華.油田動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法研究[J].試采技術(shù)，2003,24（1）.

[3] 李克向.實(shí)用完井工程[M].北京：石油工業(yè)出版社，2012：297-309.

TE972

A

1004-5716(2015)09-0098-05

2014-10-01

2014-10-09

宋寧（1979-），男（漢族），山東曹縣人，工程師，現(xiàn)從事測(cè)井射孔技術(shù)工作。