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射孔完井工艺技术教材 概述 第一章射孔器及其检测技术 第二章射孔深度控制系统 第三章射孔工艺技术 第四章射孔过程中的油气层保护技术 第五章国内外射孔新技术 目前国内外完井方式主要有套管或尾管射孔完井 割缝衬管完井 裸眼完井 裸眼或套管内砾石充填完井等 其中套管射孔完井是目前国内外使用最广泛的完井方法 其基本原理是在一口井钻井 固井完成后 利用射孔器射穿油层套管 水泥环并穿透至油层一定深度 从而建立井筒与地层间的油气流动通道 该种完井方式的优点是可选择性地射开不同压力 不同物性的油层 以避免油层间干扰 还可避开夹层水 底水和气顶 避开夹层的坍塌 具备实施分层注 采和选择性压裂或酸化等分层作业 自大庆油田投入开发以来 射孔完井工艺技术大体上经历了三个阶段 第一 以SQ691跟踪射孔仪 泥浆压井 WD67 1型射孔器射孔为标志的准确打开油气层射孔工艺技术阶段 第二 以清水压井过油管射孔 负压射孔 射孔液应用为标志的保护油气层射孔工艺技术阶段 第三 以深穿透射孔 复合射孔 DB 型数字化射孔仪应用为标志的解放油气层射孔工艺技术阶段 近十年来 国内通过深化射孔理论研究 完善配套工艺 增加射孔弹新品种并形成系列化等 缩短了射孔技术与世界先进水平的差距 总体水平已接近国际先进水平 概述 第一章射孔器及其检测技术 第二章射孔深度控制系统 第三章射孔工艺技术 第四章射孔过程中的油气层保护技术 第五章国内外射孔新技术 射孔器 射孔器是用于油气井射孔的器材 或装置 及其配套件的组合体 其作用是打开井下封闭油气层的套管 水泥环并深入油气层 建立井筒与油气层间连通的通道 其性能的好坏直接影响到射孔完井效果 一 射孔器发展概况 一 机械切孔器1910年 用一个机械刀片在套管上旋转钻孔 机械切孔器用钻杆下井 然后打开切刀 当切刀绕销钉旋转时 靠钻杆的上提力切入套管壁 这种穿孔法速度慢 成本高 水泥环超过25mm厚时效果不佳 二 子弹射孔器1926年 SidMine首先发明了子弹射孔方法 美国兰威尔斯公司 现在西方阿特拉斯公司 获得了专利 于1932年首次用于油井套管射孔 在加利福尼亚Montebello油田一口800m深的井 用了8天时间 下井11次 共发射80枚子弹 该射孔方法比机械切孔方法进一步 广泛使用了二十多年 目前国外仍有应用 三 聚能射孔器高能炸药的聚能效应早在1945年 Mohaupt和R H Melemore等在美国福特沃斯成立了油井炸药公司 WellExplosives Inc 现今哈里伯顿 威立克斯公司的前身 开发了油气井聚能射孔弹 1946年首次在裸眼井中射孔 1948年在密西西比二口套管井中射孔 聚能射孔弹穿透力强 效率高 从此聚能射孔技术在石油工业中得到了迅速发展 四 其它1 复合射孔器上个世纪八十年代 随着高能气体压裂技术的完善与发展 将聚能射孔与高能气体压裂相结合形成了复合射孔器 射孔后 利用推进剂的快速燃烧产生高温高压气体 对地层进行造缝 九十年代 复合射孔器得到了很大的发展 复合射孔器按结构形式可以分为一体式 分体式 外套式 二次增效等 2 水力喷砂射孔器上个世纪六十年代初以来 水力喷砂射孔在国外逐步成熟 美 俄等国相继用它在准备进行水力压裂的地层 聚能射孔效率不高并且地质和技术条件复杂的地层进行射孔 以及在一些特殊条件下使用 这种方法是借助于含有分选好的石英或其它磨料的高压液流进行井下射孔 液流通过喷嘴的速度约150 250m s 流量约1L s 6L s 枪外径约80 230mm 枪身用油管下入井中 井口泵为2 8台大功率泵 该技术在俄罗斯使用较多 约占其射孔作业的5 3 激光射孔器这种方法将地面激光发生器产生的高功率相干光束通过光缆导向沿着井轴到达预定射孔深度 然后通过设在此处的激光接受器将光束横向折射到被射位置 光束连续聚焦在折射光束轴的聚焦点上 形成射孔孔眼 预计激光射孔器的射孔穿透深度可达457mm 可按要求射开多个孔眼 孔径为9 5mm至25 4mm 此外激光射孔器的孔眼定位相当准确 使每个孔眼都能对准油气层 这种射孔方法可最大限度地降低对油气层的损害 但到目前为止 未见现场应用情况报道 虽然 射孔器的种类较多 但目前射孔仍以聚能射孔器或以其为基础发展起来的复合射孔器为主 二 聚能效应在谈聚能射孔器之前 首先要了解聚能效应 为了说明聚能效应 首先看一组实验结果 实验的目的是比较不同装药结构穿钢板能力 为了提高聚能效应 就设法避免高压膨胀引起的能量分散 在聚能过程中动能是能够集中的 势能 位能 则不能集中 恰恰相反能起分散作用 如果设法把势能转化成动能 就能大大地提高能量的集中 那就是在药柱的锥形表面加一个铜罩 爆轰产物在推动罩壁向轴线运动过程中 就将能量传递给了铜罩 由于铜的压缩性很小 因此势能增加很少 大部分表现出动能的形式 这样就可以避免高压膨胀引起的能量分散 而使能量更加集中 三 聚能射孔器分类及性能聚能射孔器按装枪结构可分为有枪身聚能射孔器和无枪身聚能射孔器 有枪身聚能射孔器与无枪身聚能射孔器相比具有对套管水泥环破坏小 射孔弹和导爆索等不受井内液体压力的影响等优点 随着油田开发对象的变化和工艺技术的进步 有枪身射孔工艺技术得到飞速发展 深穿透 大孔径射孔器逐渐完善配套 形成了射孔器系列化 下表给出了大庆油田常用射孔器的性能指标及适用范围 在1999年 102枪装127弹射孔器开始大面积推广并见到显著增油效果的基础上 2001年 穿透深度更深的1MD 3射孔器初步得到应用 具体效果见表 射孔器材检测技术 为了保证射孔施工的质量 需要对射孔器材的性能和质量进行检测作 一方面 对新研制开发的射孔器在推广应用之前 都要进行一系列性能检测 另一方面 不定期对生产所使用的射孔器材质量进行抽查 上述工作由大庆油田射孔器材质量监督检验中心进行 其检验标准等效采用的APIRP43第五版检测标准 射孔器材检测的项目主要有 混凝土靶检测砂岩靶检测高温常压穿钢靶检测高温高压检测模拟井检测 概述 第一章射孔器及其检测技术 第二章射孔深度控制系统 第三章射孔工艺技术 第四章射孔过程中的油气层保护技术 第五章国内外射孔新技术 随着大庆油田勘探开发工作的不断深入 薄差层的开发也变得越来越重要 如何提高这些地层的开发效果成为亟待解决的问题 而准确射开这些地层是后续增产作业成功的前提 大庆油田的射孔深度控制技术历经四十多年的发展 已由最初的 麻绳 尺子加剪刀 发展到目前的数字化射孔深度控制系统 通过新技术的应用以及强化过程管理 射孔的准确性得到了很好地保证 射孔深度校正 一 射孔自动化标图 校深 由于套前与套后测井曲线存在一定深度差值 必须进行深度校正 以往通过人工校正 存在人员素质 人工读值视差等诸多影响射孔精度的因素 我们通过不断的努力并与实际经验相结合 最终实现了标图 校深自动化 射孔深度计算流程图 射孔深度计算包括射孔通知单的录入 联炮图的生成 深度计算三个部分 其流程见图 数控射孔取心仪 DB 型数控射孔取心仪是一种新型数字化射孔仪器 在设计上达到了数字化记录井下信号及数控射孔施工的目的 在操作上实现了简单化 减少了人为干预 在功能上 与SQ 691相比增加了计算机自动识别信号功能 微机系统的自动控制功能 数据采集及处理的模数转换功能 中文菜单 图形显示及信号识别的人机对话功能 GR测井功能 注磁法短接定位及单芯电缆多道传输技术得到应用 显示屏跟踪显示井下信号 从而判断井下仪运行情况 避免电缆打结等情况的发生 射后资料磁盘化 并进入射孔作业局域网 最终实现数据共享 可采取不停车自动点火方式 点火深度误差 2cm 消除了停车点火造成的电缆变化误差 采用数字化采样 存取数据 消除了SQ 691型射孔取心仪的机械和人为误差 提高了射孔精度 满足了薄油层开发的需要 其优点有 1 避免了误射孔 2 射孔系统深度误差可控制在10cm以内 概述 第一章射孔器及其检测技术 第二章射孔深度控制系统 第三章射孔工艺技术 第四章射孔过程中的油气层保护技术 第五章国内外射孔新技术 输送方式 一 电缆射孔工艺电缆输送射孔技术是用电缆将射孔器输送到目的层的射孔技术 电缆输送式套管射孔是在套管内 用电缆把射孔器输送到目的层 进行定位射孔 包括无枪身和有枪身套管射孔 1 电缆输送式套管射孔现场施工过程 1 装炮 联枪 2 射孔深度定位1 自然伽玛曲线定位2 七组接箍或短套管定位 3 射孔点火 4 做下次射孔记号 2 电缆输送射孔技术特点 1 电缆输送射孔的优越性1 适应各种各种无枪身和有枪身射孔器 2 施工快捷 2 电缆输送射孔的缺点1 由于携带射孔器长度有限 下井次数较多 2 由于在施工时需要采用动密封 若发生井喷 不易控制 3 对于一些补孔井 由于井内结蜡或油稠 下井较困难 二 油管输送射孔工艺 1 油管输送射孔的原理油管输送式射孔的基本原理是把一口井所要射开的油气层的射孔器全部串连在一起连接在油管的尾端 形成一个硬连接的管串下入井中 通过在油管内测量放射性曲线或磁定位曲线 校深并对准射孔地层 可采用多种引爆方式引爆射孔器 同时可实现负压射孔 正压射孔等特殊射孔条件 2 油管输送式射孔的特点 1 可采用各种有枪身射孔器 以便实现高孔密 深穿透 大孔径 多相位射孔的需要 从而获得最佳的油气井产能状态 2 可实现较高的负压值射孔 保护油气层提高产能 3 一次下井可同时射开较长的井段或多个层段的地层 4 可以进行电缆射孔难以施工的大斜度井 水平井 稠油井等复杂井的射孔作业 5 对高压油气井射孔 安全可靠可防止井喷 6 可与地层测试联作 缩短试油周期 准确录取地层资料 有良好的经济效益 3 油管输送射孔工艺流程 1 TCP的施工设计1 射孔枪柱设计2 设计确定起爆压力3 设计射孔管柱 射孔管柱的设计要根据地层压力 岩性 含油情况 渗透率和井眼套管结构 完井液情况 负压要求 投产要求等来设计引爆方式 负压的构成方法以及封隔器类型和安全接头 液压减震器等 2 室内准备工作1 选择射孔器材和火工品2 对射孔器材和火工品进行检验3 组装射孔器和起爆装置4 检查装枪质量 正确使用火工品 3 现场施工步骤1 射孔队到达井场后 按设计要求进行枪串连接 安装起爆装置 2 连接下井工具 丈量油管及定位短节的深度设计3 填写下枪管柱示意图及施工单4 监督作业队下管柱 直至管柱下到预定深度5 进行深度定位 校深 计算出管柱调整值6 调整管柱 安装井口 引爆射孔器 监督射孔器发射情况 4 油管输送一次定位射孔油管输送一次定位射孔就是利用地层自然伽玛特性 采用测井自然伽玛曲线对比 选定标志层 确定理论短标距 现场实测自然伽玛曲线 确定标志层 计算出实际短标距 确定枪身调整值 调整管柱定位点火 为了适应外部市场开发的需要 研究开发了油管传输射孔丢枪工艺 油管输送式丢枪射孔工艺是通过丢枪接头来实现的 射孔枪身是靠钢球承重悬挂在丢枪接头上 射孔后加压 当压力足够大时 剪切销被剪断 钢珠进入凹槽 丢枪接头下部脱离机构与射孔枪一起脱落 该工艺在塔里木油田得到应用 射孔工艺技术 一 水平井射孔技术 水平井射孔技术 是国家 八五 重点科技攻关的配套项目 大庆油田水平井开采的主要对象是低丰度 低渗透 低产的 三低 油层 需要压裂改造方能投产 当水平井的油层胶结很差或油层需压裂改造的情况下 在油层套管较低的一侧射孔比较合适 使射孔孔眼在油层水平面的下方 见图 因此 产层流体上行流动 避免了油层吐砂及后期开采套管沉砂问题 另外 还为压裂提供了沿油层两侧延伸的水平通道 避免垂向通道可能造成的油层顶底盖层被压开的问题 为此我们开发研制了几种低边定向射孔枪 一种是弹架旋转低边定向射孔枪 它主要由枪体 弹架 配重块 轴承等组成 由于采用了这种结构 不论射孔枪体随着水平段井眼如何转动 相邻二个射孔弹相位均为低边夹角120 这样就达到了低边发射的目的 它的特点是结构紧凑 灵活可靠 不受枪身外部环境的影响 安装比较容易 起下安全顺利 它适合于射孔井段多且井段较短的井 另一种是枪身旋转低边定向射孔枪 它在井下的管柱组合为 引鞋 射孔枪 传爆接头 带导向块 压力起爆器 旋转接头 油管至井口 在射孔枪组的顶部接一个旋转接头 再在每两支枪间的传爆接头上加工有导向块 弹架和射孔弹及枪体是相对固定的 由于射孔枪的形心与重心不重合 产生一个扭转力矩 在进入造斜段后射孔枪便在此力矩作用下 开始转动 使重心向下 形心在上沿水平段前进 以保证射孔弹发射方向是低于水平面 从而达到低边发射的目的 依据上面的技术原理 根据油田开发的需要 我们还研制成功了水平180 射孔枪 以及三相位水平井射孔枪等 水平井射孔枪已形成系列化 二 复合射孔技术复合射孔工艺技术是一项集射孔完井与高能气体压裂 简称HEGF 于一体的高效完井技术 它能一次完成射孔和高能气体压裂两道工序 做到在射孔的同时对近井地层进行气体压裂 形成多条微裂缝 并可解除钻井 固井 射孔等过程对地层的污染 从而改善近井地层导流能力 提高射孔完井效果 达到射孔完井和增产 增注的目的 1 作用机理由于复合射孔技术是聚能射孔与高能气体压裂技术的结合 因此 有必要介绍高能气体压裂的作用机理 高能气体压裂和爆炸压裂 水力压裂有着本质的不同 对比其压裂过程中的P t曲线可以清楚地看到这一点 下表列出了三种增产措施的主要参数 三种压裂方法的主要参数表 三种压裂方法的p t曲线示意图 1 造缝作用 致密砂岩HEGF的实测P t曲线 气体发生器在目的层段引燃后 迅速产生高温 高压气体 对井壁形成脉冲加载 井眼周围地层的岩石被压缩 当井筒内压力超过对应加载速率下岩石的破裂压力时 即在井眼周围形成多条径向裂缝 2 裂缝的延伸达到峰值压力后 发生器产生的大量燃气继续释放 当进入裂缝的燃气在裂缝面上形成的压力超过裂缝的延伸压力时 裂缝得以向前扩展 与此同时 井筒内的压力不断下降 至D点时 井筒内的压力与地层压力达到平衡 裂缝延伸终止 3 裂缝的支撑及闭合水力压裂是采用支撑剂支撑形成的裂缝 而HEGF无支撑剂 却能长期保持较高的裂缝导流能力 其原因在于HEGF是一个动态过程 在一定的加载速率冲击载荷作用下 形成的多条径向裂缝具有一定的随机性 裂缝面不再垂直于最小主应力的方向 由于地应力产生的剪切应力作用于这些裂缝面上而产生偏轴效应 如图 使裂缝面之间发生微小的错位 从而使裂缝不易闭合 偏轴效应支撑裂缝示意图 4 机械作用高能火药燃烧产生大量高温高压气体通过射孔孔眼进入地层 对地层形成脉冲加载 当井筒内压力大于岩石破裂压力时 就会在井筒周围产层中形成多条径向裂缝 由于压力上升快 所生成的裂缝不受最小地层主应力控制 裂缝延伸方向剪切应力分量使裂缝产生微错动 这样裂缝就不致于完全闭合 5 反洗作用当火药燃烧完毕后 井筒内压力下降 压入地层中的气体和一些液体会返流进井筒 携带出一些岩石碎屑等堵塞物 从而达到清洗裂缝和射孔孔道作用 6 热力学作用复合射孔后 目的层段附近温度一般能达到300 左右 可维持2小时以上 然后逐渐降低 火药燃烧所产生的热量经射孔孔眼裂缝表面传递给地层流体和岩石 溶解了石蜡 胶质 沥青和其它固相沉积物 降低近井区域地层内原油粘度 7 化学作用火药燃烧后产生一定量的CO2 CO NO和HCL气体 NO和HCL溶于水生成腐蚀性较强的酸液 对油层能起到一定程度的酸化解堵作用 2 工艺类型及特点目前 针对不同的井况和地层条件 已形成系列化的复合射孔器及施工工艺 复合射孔器有下挂式 内置式 外套式和二次增效复合射孔器以及适合于小井眼井的小直径复合射孔器 1 下挂式复合射孔工艺技术该技术的基本原理是在射孔枪下部加装高能气体压力发生器 通过射孔器引爆点燃火药 实现先射孔后气体压裂的目的 该技术的特点为 通过改变装药量 火药性能 火药装配结构 液柱压挡高度等参数可实现不同P T过程 从而达到对不同井况及地层条件设计不同P T过程 2 内置式复合射孔工艺技术该项工艺技术是将火药放在特制的射孔器内 通过射孔器起爆引燃火药 火药燃烧所产生的的气体通过射孔孔眼或预制泄压孔排出 该技术的特点为 压力上升速度快 峰值压力高 用药量较少 3 外套式复合射孔工艺技术该项工艺技术是将筒状火药套在射孔枪外部 通过射流及冲击波引燃火药 4 二次增效复合射孔工艺技术该技术是将内置式或外套式复合射孔器与下挂式复合射孔器相结合 内置式或外套式复合射孔器对地层作用后 通过分体式复合射孔器对地层进行二次加载 延长作用时间 提高作用效果 3 技术指标与适用范围 1 技术指标耐温 100 150耐压 50MPa 60MPa复合射孔器外径 mm 60 73 83 89 102 108 2 适用范围储层物性较差的井层 储层具有一定的产能 受污染较严重的井层 需水力压裂的井 先进行复合射孔可达到复合压裂的效果 较单纯水力压裂效果要更好 4 对套管和水泥环影响为检验复合射孔技术对套管和水泥环的影响 我们做了理论计算和现场检测 通过理论计算确定了合理的用药量 保证在压开地层的同时对套管和水泥环不造成破坏 先后在30口井上进行了井径和声变测井 通过测井结果对比 压裂井段最大涨大3 0mm 水泥环胶结略有变化 但影响不大 部分检测结果见表 5 应用效果通过近千口井的应用表明采用复合射孔完井方式比单独射孔完井方式 油井采液强度是其1 4 3 7倍 注水井注水强度是其1 3 4 5倍 见到了较好增产 增注效果 据国内 外资料调研及实际考察 目前我们的复合射孔技术从整体技术及推广规模上达到了国内领先水平 三 油管输送射孔与下泵联作技术为了防止在电缆射孔施工过程中井喷 压井以及后续生产管柱下井作业过程对油层或地面造成污染 通过分析油管输送射孔及抽油井和注水井的管柱结构及工艺原理 我公司研究开发了油管输送射孔与生产管柱联作技术 1 工艺流程将射孔枪组装后 与生产管柱 采油管柱或注水管柱 连接 用油管把射孔枪 防倒扣射孔枪及防倒扣射孔枪中接 和生产管柱及相关工具下入井中 测 曲线 确定标志层 调整管柱定位后 用环空加压方式起爆点火 进行射孔 射孔后不用起管柱 直接进行投产 管输下泵示意图 2 技术特点可避免起下作业过程中的地面污染和处理费用 且可减少一次起下作业 可避免射孔时井喷压井对油层的污染 射孔后直接投产 缩短了施工周期 该工艺尤其适用于高压 异常高压油层的生产井 采液强度 采油强度大幅度提高 该技术目前已进行了管输射孔与管式抽油泵 杆式抽油泵及螺杆泵联作的现场应用 抽油泵泵径有 38mm 44mm 57mm 70mm 83mm 基本可以满足管输射孔与不同泵型联作的施工需要 概述 第一章射孔器及其检测技术 第二章射孔深度控制系统 第三章射孔工艺技术 第四章射孔过程中的油气层保护技术 第五章国内外射孔新技术 射孔过程中油气层损害的原因 油气层损害是指在油气井作业中油气层受到损害的原因及物理化学变化过程 其实质就是储层中流体渗流阻力增加 导至渗透率的下降 它的后果将会影响到油气井产量 延误勘探开发的进程 因此 弄清油气层的损害机理是保护油气层技术的一项重要内容 一 外来液体对油气层产生损害的主要原因 1 外来液体中的固相颗粒和油气层中固有的固相颗粒将油气层的孔隙通道直接堵塞 若完井液为非清洁性流体 射孔后在压差的作用下 可使射孔完井液中的固相颗粒侵入油层孔隙喉道 使其渗透率降低 2 外来液体中的水分引起油气层中粘土矿物的水化和膨胀 从而减小了油气层的孔隙通道 3 外来液体与地层液体发生物理化学作用 发生水锁 分子化 润湿反转和化学沉淀 生成化学沉淀堵塞油气层流通孔道 降低了油的渗透率 4 外来液体的侵入造成油气层润湿性的改变 降低了油 气的相渗透率 无论哪一类损害 储层本身的内在条件是主要的因素 当储层不能适应外界条件变化时 就会导致储层渗透率的降低 二 储层中敏感性矿物类型特点及存在的形式对储层的损害敏感性矿物的类型决定着其引起油气层损害的类型 根据不同的矿物与不同性质的流体发生反应造成的油气损害 可以将敏感性矿物分为四类 1 水敏和盐敏矿物 2 碱敏矿物 3 酸敏矿物 4 速敏矿物粘土矿物在孔隙中的存在形式对储层损害也有一定的影响 含量越高 造成的油气层损害程度越大 在其它条件相同的情况下 油气层渗透率越低 敏感性矿物对油气层造成损害程度就越大 三 射孔压差对产能的影响所谓射孔压差是指射孔液柱回压和地层孔隙压力之差 当井筒压力大于储层压力射孔时 称之为过压 或正压 射孔 反之则称为负压射孔 过压 正压 射孔可使井筒内的流体在正压差的作用下侵入储层 一旦流体是损害型的 将对储层造成严重的伤害 同时射开的孔眼得不到清洗 一些固相物质 岩屑 爆炸残余物等 堵塞在孔道内 使孔眼导流能力下降 而过大压差的负压射孔可能会造成物性较差地层微粒运移 堵塞喉道 并使疏松地层出砂和坍塌 从而产生极大的地层伤害 当地层渗透率很低时 即使采取很大的负压差进行射孔也难以产生足够的负压回流 对射孔孔道进行有效的清洗 因此 近几年来国外又研究和推广了一种新型射孔工艺方法 超正压射孔 所谓超正压射孔就是在射孔时对地层施加一个超过地层破裂压力的压力 以便在射孔的同时对地层产生造缝作用 从而改善近井地层导流能力 提高射孔井产能 射孔过程中油层保护技术 一 完井液保护油气层 1 完井液类型 特点 作用原理 概括起来粘土稳定剂大体可以分为四类 即无机盐 碱 类 无机聚合物类 阳离子表面活性剂类及阳离子有机聚合物类 根据这些粘土稳定剂的特点 可配制成多种体系的完井液 通过大量的试验及使用表明这些类型的粘土稳定剂其特点 作用原理是不同的 2