定向分簇射孔技術(shù)在煤層氣水平井的應(yīng)用

楊登波, 陳鋒, 唐凱, 陳華彬, 任國(guó)輝, 李奔馳

(1.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司測(cè)井公司, 重慶 400021;2.中國(guó)石油集團(tuán)公司測(cè)井重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室射孔技術(shù)研究室, 四川 隆昌 642150)

0 引 言

煤層氣開發(fā)井逐漸由直井向水平井發(fā)展,但煤層原始孔隙度和滲透率低[1-2],一般采用分段壓裂進(jìn)行裂縫復(fù)雜化改造,以優(yōu)化開發(fā)效果。煤層氣水平井分段壓裂前,須先進(jìn)行分簇射孔,但煤層抗拉及抗壓強(qiáng)度低、彈性模量小、泊松比小,易破碎和坍塌[3-5],采用常規(guī)螺旋射孔后進(jìn)行水力壓裂,射孔震動(dòng)、壓裂液的高壓高速突進(jìn)、支撐劑的打磨等易引起頂部煤層垮塌、產(chǎn)出大量煤粉。煤粉會(huì)堵塞天然裂縫或支撐劑充填孔隙,導(dǎo)致煤層滲透率降低,產(chǎn)能衰減;煤粉還會(huì)引起卡泵和頻繁的檢泵作業(yè),從而破壞排采過程連續(xù)性,影響產(chǎn)氣潛力[6-7]。因此,煤層氣水平井分簇射孔提出了定向需求,即射孔方位避開水平段頂部,避免壓裂裂縫在煤層頂部擴(kuò)展以及支撐劑返吐。此外,定向分簇射孔還能減小煤層壓裂裂縫彎曲程度,降低壓裂摩阻。

傳統(tǒng)的水平井定向射孔主要采用油管傳輸方式,不具備分段分簇功能。為適應(yīng)煤層氣水平井分段壓裂改造及減少煤粉產(chǎn)出和支撐劑返吐的需要,研制了電纜泵送定向分簇射孔技術(shù)。

1 工藝技術(shù)設(shè)計(jì)

(1) 分簇選發(fā)設(shè)計(jì)。定向分簇射孔器的彈架是動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)的,為保證點(diǎn)火通線連接可靠而不受彈架轉(zhuǎn)動(dòng)影響,分簇選發(fā)設(shè)計(jì)將控制分簇點(diǎn)火的電子選發(fā)器和雷管一起封裝在彈架中隨彈架一起轉(zhuǎn)動(dòng)。

(2) 密封與絕緣設(shè)計(jì)。定向分簇射孔要保證上一簇射孔槍發(fā)射后其他未點(diǎn)火射孔器的密封和絕緣可靠。定向分簇射孔器靠雙公接頭滿足簇間連接,并采用密封圈和密封絕緣引線柱實(shí)現(xiàn)簇間密封、導(dǎo)電、絕緣功能(見圖1)。

圖1 定向分簇射孔器簇間密封及絕緣設(shè)計(jì)

(3) 定向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。利用偏心配重定向原理,在彈架內(nèi)設(shè)置偏心配重塊并在彈架兩端加裝軸承來控制定向分簇射孔器彈架的重心,再根據(jù)射孔相位需要布置裝彈孔,從而實(shí)現(xiàn)射孔彈射流方向的定向。

(4) 動(dòng)態(tài)導(dǎo)電設(shè)計(jì)。電子選發(fā)器在隨彈架動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),要求接地、絕緣、導(dǎo)電正?？煽?為此設(shè)計(jì)了射孔器簇間動(dòng)態(tài)導(dǎo)電機(jī)構(gòu)(見圖2),并進(jìn)行了功能性試驗(yàn),可保證彈架轉(zhuǎn)動(dòng)過程中射孔器簇間密封可靠并能實(shí)現(xiàn)尋址檢測(cè)及點(diǎn)火信號(hào)正常導(dǎo)通。

圖2 定向分簇射孔器動(dòng)態(tài)導(dǎo)電機(jī)構(gòu)

(5) 射孔彈優(yōu)選。煤層易破碎垮塌,因此其鉆井井徑擴(kuò)大率較大,固井水泥環(huán)較厚,容易導(dǎo)致射孔有效孔眼少或孔徑小,進(jìn)而產(chǎn)生較大的孔眼摩阻,導(dǎo)致壓裂施工壓力過高或加砂困難,為此,煤層氣水平井定向分簇射孔選用性能優(yōu)異的先鋒彈。

(6) 扶正接頭設(shè)計(jì)。水平井射孔,射孔器在套管中處于偏心狀態(tài),以射孔相位為0°、180°、240°和300°89型定向分簇射孔器在Φ139.7 mm×7.72 mm套管內(nèi)射孔為例,套管上的射孔孔眼分布范圍為147°,為盡可能地?cái)U(kuò)大孔眼分布范圍,增大儲(chǔ)層壓裂改造體積,同時(shí)考慮管串最大外徑對(duì)水力泵送的影響,在定向分簇射孔管串中設(shè)計(jì)了Φ106 mm扶正接頭(見圖3)。加裝扶正接頭后套管上的射孔孔眼分布范圍為163°,儲(chǔ)層壓裂改造范圍擴(kuò)大10.88%。

圖3 扶正接頭對(duì)射孔孔眼分布范圍的影響

2 定向分簇射孔仿真分析

使用流體-結(jié)構(gòu)耦合仿真技術(shù),對(duì)比分析煤巖0°、180°、240°和300°相位定向分簇射孔和60°相位螺旋射孔在壓裂時(shí)的應(yīng)力分布,煤巖物理參數(shù)見表1[8]。煤巖有限元模型厚1 m,外徑1.5 m,內(nèi)徑0.14 m。以89型射孔器的性能參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)建立射孔孔道,穿透深度950 mm,孔徑10 mm。

表1 煤巖物理參數(shù)

對(duì)煤巖模型劃分六面體網(wǎng)格,然后采用Fluent對(duì)其進(jìn)行流體力學(xué)仿真,得到壓裂液在井眼和射孔孔道內(nèi)流動(dòng)產(chǎn)生的壓強(qiáng)(見圖4)。其中定向分簇射孔模型的最大壓強(qiáng)為59.38 MPa,螺旋射孔模型的最大壓強(qiáng)為44.32 MPa。

圖4 壓裂液在井眼和射孔孔道內(nèi)流動(dòng)產(chǎn)生的壓強(qiáng)分布

在流體載荷的基礎(chǔ)上,對(duì)井眼和射孔孔道表面加載60 MPa壓力,煤巖模型加載15 MPa圍壓,上下端固定約束,進(jìn)行流體-結(jié)構(gòu)耦合分析(見表2),定向分簇射孔模型射孔孔道內(nèi)的應(yīng)力明顯大于常規(guī)螺旋射孔。同等壓裂條件下孔眼應(yīng)力越大意味著煤層破裂越容易,因此,定向分簇射孔比螺旋射孔更有利于煤層氣水平井的壓裂增產(chǎn)改造。

表2 2種射孔模型壓裂時(shí)井眼及孔道應(yīng)力分布

圖6 X-P2井和X-P3井第1段壓裂過程對(duì)比

3 定向分簇射孔技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 應(yīng)用概況

定向分簇射孔技術(shù)在煤層氣水平井應(yīng)用34井次,成功率100%。為對(duì)比定向分簇射孔與常規(guī)螺旋射孔在煤層氣水平井的應(yīng)用效果,以同區(qū)塊位置相鄰的X-P03井和X-P02井為例進(jìn)行說明。2口井均為鉆達(dá)二疊系山西組5號(hào)煤層的L型水平井,其中X-P03井水平段為1 090～1 956 m,采用89型定向分簇射孔孔密為12 孔/m,相位為0°、180°、240°、300°;X-P02井水平段為1 161～1 950 m,采用89型常規(guī)螺旋分簇射孔,孔密為12 孔/m,相位為60°(螺旋)。

檢查X-P03井定向分簇射孔效果,發(fā)現(xiàn)各簇射孔槍的射孔孔眼相位高度一致,從射孔管串外壁的摩擦痕跡判斷定向準(zhǔn)確(見圖5)。

圖5 X-P03井定向分簇射孔效果

3.2 應(yīng)用效果

3.2.1 壓裂效果

圖7 X-P2井和X-P3井第3段壓裂過程對(duì)比

將X-P03井和X-P02井各段壓裂情況進(jìn)行對(duì)比,展示2口井部分井段的壓裂曲線(見圖6至圖7),具體壓裂情況對(duì)比見表3。明顯地,在壓裂排量相當(dāng)?shù)臈l件下,采用定向分簇射孔的X-P03井的壓裂破壓、壓裂摩阻比螺旋射孔的X-P02井更小,壓裂施工泵壓更低,這與前面的仿真分析結(jié)論一致。

3.2.2 排采情況

采用定向分簇射孔的X-P03井壓裂排液后產(chǎn)氣達(dá)到13 400 m3/d,較常規(guī)螺旋射孔后的X-P02井9 800 m3/d的產(chǎn)氣量高出36.73%,X-P03井排采過程中的煤粉產(chǎn)出及支撐劑返吐情況優(yōu)于X-P02井,平均檢泵周期較X-P02井延長(zhǎng)7個(gè)月。

表3 X-P02井與X-P03井壓裂效果對(duì)比

4 結(jié) 論

(1) 定向分簇射孔技術(shù)采用選發(fā)分簇、偏心配重定向、簇間動(dòng)態(tài)導(dǎo)電等設(shè)計(jì),解決了射孔器360°范圍任意相位定向、簇間密封、點(diǎn)火信號(hào)簇間動(dòng)態(tài)導(dǎo)通等難題,在煤層氣水平井成功應(yīng)用,定向分簇射孔器定向準(zhǔn)確、簇間射孔孔眼相位一致。

(2) 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明采用定向分簇射孔的煤層氣水平井的壓裂破壓、壓裂摩阻比采用螺旋射孔的水平井更小,壓裂施工泵壓更低,與流體-結(jié)構(gòu)耦合仿真分析結(jié)論一致。

(3) 定向分簇射孔技術(shù)在煤層氣儲(chǔ)層壓裂增產(chǎn)改造、避免煤層垮塌、減少煤粉產(chǎn)出及支撐劑返吐、保證排采連續(xù)性等方面具有明顯優(yōu)勢(shì),目前已在多個(gè)煤層氣區(qū)塊推廣應(yīng)用。

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