等孔徑射孔器穿孔性能評價方法探討

李東傳,金成福,孫成艷,張偉

(1.石油工業(yè)油氣田射孔器材質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心, 黑龍江 大慶 163853;2.中國石油大慶油田有限責任公司第五采油廠, 黑龍江 大慶 163513)

0 引 言

等孔徑射孔技術以其在非常規(guī)油氣的開發(fā)中較好的壓裂效果而得到廣泛應用。在套管上產(chǎn)生基本一致的穿孔孔徑的方法主要有2種:①通過優(yōu)化設計聚能射孔彈結構,降低射孔器、套管之間的間隙對射流在套管上擴孔的影響,以在套管上獲得基本一致的孔徑[1-5];②利用扶正裝置保持射孔器居中,避免間隙不均對射流在套管上擴孔的影響,以獲得均一的孔徑[6]。這2種方法存在本質(zhì)不同,利用扶正裝置保持聚能射孔器居中只是一種施工方法,應歸類于工藝;利用等孔徑射孔彈組裝的射孔器在套管上產(chǎn)生相對均一孔徑,是一種全新的產(chǎn)品。因此,將等孔徑射孔器定義為由特殊設計的射孔彈組裝形成的、在偏靠條件下能在套管上形成基本一致孔徑的射孔器。

國內(nèi)外對孔徑對壓裂效果的影響、等孔徑產(chǎn)品檢驗及評價方面進行了大量的研究。在孔徑對壓裂效果的影響研究方面,姜民政等[7]通過壓裂液在射孔孔眼處損失規(guī)律研究后認為,相同壓裂條件下,泵入排量、有效孔眼數(shù)及射孔直徑是射孔孔眼局部位置處壓力損失的主要影響因素,排量越大、有效孔眼數(shù)越少及射孔孔眼直徑越小,孔眼位置處壓力損失越大[8-10]。謝榮華等[11]認為,水平井由于射孔槍偏心、套管偏置及水泥環(huán)上下不均導致不同方向射孔不均勻時,當向上的射孔穿深小于3倍井筒半徑時,就會出現(xiàn)壓不開的現(xiàn)象;對于水平井同一段壓裂井段,假設上下孔眼位置的巖石物性相同,對于已壓開的裂縫,裂縫延伸端部的壓力相同,則從井筒到上下孔眼裂縫端部的壓力損失相同,可推導出了流經(jīng)水平井上下孔眼的流量關系。以上研究均沒有給出對孔徑均一性的具體或一般性要求。在產(chǎn)品性能檢測評價方面,使用參數(shù)有孔徑差異度[6]、相對標準偏差[2,5]、變異系數(shù)(Coeffcient of Variation)和相對波動范圍(Range)[12]、相對偏差[13]等。但孔徑一致性評價方法和指標沒有得到生產(chǎn)商和油田用戶的廣泛認同(受生產(chǎn)商、用戶的描述側(cè)重點、使用習慣不同等因素影響),且沒有關于等孔徑射孔器穿孔深度、穿孔孔徑等與聚能射孔器具有共同特點的一般性能的評價描述。

目前,中國使用GB/T 20489—2006[14]標準評價聚能射孔器材的性能,未涉及等孔徑射孔器的評價。本文利用地面條件下混凝土靶射孔試驗[15]模擬等孔徑射孔器在井下套管中位置檢測其穿孔性能,在分析等孔徑射孔器的穿孔深度、穿孔孔徑及孔徑一致性特點、整體水平及接受程度的基礎上,探討了評價方法、評價指標,希望能形成共識。

1 相關評價方法、評價指標

部分生產(chǎn)廠家、服務公司給出了自己的等孔徑射孔彈的評價方法、產(chǎn)品性能指標等,并在2016年油氣井射孔技術交流會(重慶)進行了探討。主要評價參數(shù)、指標如下。

(1)孔徑差異度。描述穿孔孔徑間的波動程度,該指標給出孔徑分布范圍占平均值的比例[見式(1)]。給出的外徑89 mm、15孔/m、120°相位射孔器居中放置在套管中的孔徑差異度、穿深差異度分別為8.9%、15.3%[6]。

(2)相對偏差、相對標準偏差。相對偏差[見式(2)]與孔徑差異度類似,是孔徑差異度的2倍。相對標準偏差描述穿孔孔徑間的波動程度,該指標給出孔徑標準差(描述出數(shù)據(jù)的分布狀態(tài))占平均值的比例[見式(3)]。給出外徑89、102 mm和127 mm等孔徑射孔器偏靠放置在外徑140 mm和178 mm套管中的孔徑相對標準偏差分別為3.98%、4.19%和3.01%[2,5]。

(3)相對標準偏差、最大孔徑差異度。相對標準偏差、最大孔徑差異度描述穿孔孔徑間的波動程度[見式(4)],給出的86 mm等孔徑射孔器偏靠放置在140 mm套管中的孔徑相對標準偏差、最大孔徑差異度分別為5.9%、18.3%[12]。

(4)相對偏差、相位孔徑比。將相對偏差與計數(shù)抽樣檢驗方案配合使用,以評價指標和判定數(shù)限定波動幅度和范圍。相位孔徑比描述不同相位間的孔徑最大孔徑差異情況[見式(5)],指標為1.1[13]。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

由于以上參數(shù)、指標多數(shù)反映的是某一廠家的產(chǎn)品,僅能作為確定評價參數(shù)、指標的參考。

2 井下施工對孔徑均一程度的要求

水平井射孔施工中,選用等孔徑射孔器的目的是在井筒與儲層間建立通道的基礎上,獲得均一的孔徑,以便在后續(xù)的壓裂中盡量減少孔徑對進液量的影響,為壓裂形成基本一致的裂縫規(guī)模創(chuàng)造條件。因此,等孔徑射孔器應具有提供較均一的孔徑能力的同時還要具備常規(guī)聚能射孔器穿孔能力。目前,中國壓裂施工設計中沒有針對孔眼均勻性的規(guī)定,一般認為壓裂裂縫非均質(zhì)延伸控制在20%范圍內(nèi)均可接受。

對于水平井同一段壓裂井段,假設上下孔眼位置的巖石物性相同,對于已壓開的裂縫,裂縫延伸端部的壓力相同,則從井筒到上下孔眼裂縫端部的壓力損失相同,在上下部射孔孔眼數(shù)相同情況下,下部孔眼的進液量可達到上部孔眼的4倍,壓裂裂縫規(guī)模也將近似相差4倍[11]?？梢缘贸霾煌辔豢讖奖扰c壓裂裂縫規(guī)模比(上部孔眼對應的壓裂裂縫規(guī)模/下部孔眼對應的壓裂裂縫規(guī)模)的關系成正關系。水平井壓裂中的普通壓裂宜從整體考慮,相位孔徑比不大于1.1較合理;體積壓裂宜以簇為單位考慮,即為用簇代替相位較合理。考慮到射孔段地層受形成環(huán)境變化的影響而導致的非均質(zhì)性、射孔彈產(chǎn)品受制造工藝水平的限制存在一定的差異、射流運動過程中的井筒間隙等因素的影響,利用等孔徑射孔器偏靠放置在套管中射孔也不可能形成完全一樣的孔眼。因此,選擇等孔徑射孔器應遵循套管上的孔徑總體上均勻一致,允許一定范圍內(nèi)的波動。

3 判定指標的確定

3.1 等孔徑射孔器的評價

統(tǒng)計了按標準GB/T 20488—2006[14]中地面條件下混凝土靶射孔試驗(試驗時等孔徑射孔器偏靠在套管內(nèi)側(cè))結果和相關文獻資料(見表1),等孔徑射孔器的穿孔深度和穿孔孔徑的評價值均能滿足GB/T 20489—2006的要求。

表1 等孔徑射孔器相關評價參數(shù)/指標統(tǒng)計

注:1-據(jù)論文數(shù)據(jù)計算得出,2-論文給出數(shù)據(jù),3-數(shù)據(jù)量少無法計算,4-原數(shù)據(jù)。

*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

為了較合理地、全方位地描述等孔徑射孔器孔徑一致性,在分析孔徑差異度、相對標準偏差、相對偏差、相位孔徑比的同時,還考慮了相對偏差等的可行性。穿孔孔徑均一性好的等孔徑射孔器的孔徑相對標準偏差≤6.0%、相對偏差分布范圍±10%、孔徑差異度≤10%,其對應的相位孔徑比一般小于1.1。Chris Sokolove等[15]給出的等孔徑射孔器的相對標準偏差為5.9%、最大孔徑差異度為18.3%、相位孔徑比為1.21,但其在現(xiàn)場應用中壓裂時破裂壓力降低10%、注入壓力降低15%,效果較好。表明評價指標的確定不能僅僅以統(tǒng)計到的多數(shù)產(chǎn)品的水平來確定,還應考慮射孔器材制造整體水平和現(xiàn)場應用效果。

3.2 分析與探討

理想的等孔徑射孔器的射孔孔徑應均一,但受制造技術等因素的制約無法實現(xiàn)。由于等孔徑射孔器試驗數(shù)據(jù)較少,統(tǒng)計分析了普通聚能射孔器+扶正器居中射孔試驗結果,為等孔徑射孔器評價指標中穿孔深度、穿孔孔徑評價指標的確定提供參考。統(tǒng)計了2016年中國具有代表性的普通聚能孔器產(chǎn)品,以外徑89 mm射孔器試驗結果為例分析產(chǎn)品整體水平(見表2)。表2中的聚能射孔器滿足GB/T 20489—2006對聚能射孔器的要求,不同廠家的控制水平不同,穿孔孔徑波動幅度不同。

應用不同的參數(shù)從不同的側(cè)面描述孔徑的一致性。相位孔徑比、相對標準偏差均可不同程度地反映組內(nèi)個體的分布情況,如果確定為評價參數(shù),能較好地反映整體水平,但也存在可能出現(xiàn)單個數(shù)據(jù)波動很大且無法確定極值數(shù)據(jù)的個體數(shù)量的現(xiàn)象。如以相位孔徑比≤1.1、相對標準偏差≤6%為判定值,可能出現(xiàn)單個數(shù)據(jù)的相對偏差>10%的現(xiàn)象,如表2中E型產(chǎn)品相位孔徑比1.01、相對標準偏差4.8%、孔徑差異度10.0%,均較好,但有一個孔徑相對偏差>10%的數(shù)據(jù)(13.1%)。(最大)孔徑差異度、相對偏差分布范圍描述的是組內(nèi)的極值個體分布范圍,可反映單個孔徑波動幅度,如確定為評價參數(shù)則可能出現(xiàn)單個數(shù)據(jù)波動大而影響評價結果的現(xiàn)象。因此,若將反映組內(nèi)個體的分布情況和個體極值分布情況結合使用,可以達到更合理選擇孔徑均一性的目的,綜合考慮等孔徑射孔器整體水平、數(shù)據(jù)分布情況和接受程度等影響因素,相對標準偏差、孔徑差異度作為評價參數(shù)較合適,指標分別為6%、10%。

表2 外徑89 mm聚能射孔器在外徑139.7 mm套管中居中位置射孔試驗結果分析

等孔徑射孔器的穿深分布也存在波動現(xiàn)象,相對標準偏差為6.3%～9.0%、孔徑差異度為10.6%～18.7%,主要是由于聚能射孔彈自身性能波動造成的,由制造水平造成的,短期內(nèi)無法解決。

4 結論與建議

(1)等孔徑射孔器的穿孔性能應滿足GB/T 20489—2006對與其相應外徑的聚能射孔器的要求。

(2)建議使用相對標準偏差、孔徑差異度來評價等孔徑射孔器的穿孔孔徑一致程度,評價指標分別為6%、10%。

(3)利用扶正裝置保持聚能射孔器在套管中居中射孔的方法也能形成等孔徑效果,雖不屬于等孔徑射孔器的范疇,作為一種可選的工藝在適當?shù)木疀r下也能發(fā)揮較好的效果,其效果的檢驗和評價也可參照等孔徑射孔器實施。

(4)希望該研究能夠引起有關人員的重視,以有助于進一步進行該方面的研究,進而促進中國射孔器材檢測水平的提高。