页岩气水平井射孔参数优化.总结

研究生课程考查试卷（适用于课程论文、学年论文）课程名称： 现代完井工程 课程编号： G 课程性质： 非学位课 任课教师： 郭晓乐 学生姓名： 冀 政 学 号： 学 院：石油与天然气工程学院 领域年级： 石油研2014 上课时间： 2015 年 3 月 至 2015 年 4 月 卷面成绩： 题目： 页岩气水平井射孔参数优化 阅卷评语： 阅卷教师（签名）：重庆科技学院研究生处制诚信考试承诺书我是 学院 专业（领域） 级的研究生。倡导严谨规范的学术行为，营造良好的学术环境是每位科研工作者应尽的责任，严格遵守学术道德和学术规范是提高科研水平的必然要求。我郑重承诺以下事项： 1.严格遵守国家法律、法规及规章制度，维护科学诚信。 2.充分尊重他人劳动成果和知识产权，引证他人研究成果须实事求是。 3.严格遵守相关专业领域的基本写作、引文和注释规范。 4.不捏造、篡改自己或他人的研究成果、实验数据。 本人申明所呈交的论文是我个人在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中引用他人已经发表或撰写过的研究成果，已加标注。 若有不实之处，本人承担相关责任。 承诺人： 年 月 日页岩气水平井射孔参数优化摘要：根据2015年石油设计大赛基础资料，在气藏和钻完井设计方案的基础上，进行页岩气水平井完井、压裂和采气的设计。针对此次大赛中的页岩气水平井射孔参数进行详细的研究，主要从射孔方式、射孔工艺、射孔枪弹、射孔密度、射孔相位、射孔簇数、射孔液等方面优化，并通过软件模拟了射孔对压裂效果的影响，验证了射孔参数优化的准确性。关键词：页岩气 水平井 射孔参数 压裂效果涪陵地区页岩气是国内重要的页岩气生产基地，页岩气因其低渗透性通常选择水平井进行分段压裂开发。为了能够建立页岩气井的有效产能，这就对水平井分段压裂完井参数的优化提出了要求。对于水平井分段压裂完井参数的选择，在国内外经验的基础上，针对涪陵页岩气的地质情况进行优选。1 区块概况1.1 区域位置及地质概况该区块总体为我国南方丘陵山地，受到来自北西方向挤压应力作用，以正向构造为主，各背斜带之间以宽缓向斜带为界，气藏无边底水及断层，储层段发育孔隙类型包括无机孔隙、有机质孔隙、微裂缝、构造缝4种储集空间类型。其中，构造缝多为直劈缝和高角度构造剪切缝，整体欠发育海拔最高675m，最低250m，多在400600m之间，该地区交通较为便利，内各场镇间均有公路相。页岩区块古生界奥陶系-中生界三叠系自下而上主要发育：十字铺组、宝塔组、涧草沟组、五峰组、龙马溪组、小河坝组、韩家店组、黄龙组、梁山组、栖霞组、茅口组、龙潭组、长兴组、飞仙关组、嘉陵江组。根据目前勘探开发情况，将下志留统龙马溪组下部上奥陶统五峰组约86m层段含气泥页岩段作为本区主要的目的层。目的层龙马溪组底部页岩气层，油气显示活跃、地层压力异常，气层压力系数为1.411.55，而目的层之上的地层压力系数较正常。目的层总厚度在8390m之间，纵向上连续，中间无隔层。据现有钻井测井、录井以及岩芯特征，该地区目的含气页岩段从下到上可划分出三段、五个亚段，其中第1段（分11亚段和12亚段）为碳质硅质泥页岩，厚度分别约为33m和18m；第2段为含炭质粉砂质泥岩，厚度约17m；31亚段为含炭质灰云质泥页岩，厚度约13m；32亚段为含炭质粉砂质泥页岩，厚度约6m，通过现有资料发现，各亚段在全区分布基本稳定。储层储集层脆性矿物介于33.9%80.3%，平均为56.5%。在纵向上，五峰组-龙马溪组一段一亚段脆性矿物含量高，多大于50%；一段二亚段-三亚段下部脆性矿物含量降低，主要介于40%65%；三亚段上部脆性矿物含量普遍较低。储集空间以纳米级有机质孔、粘土矿物间微孔为主，并发育晶间孔、次生溶蚀孔等，孔径主要为中孔，页岩气层孔隙度分布在1.17%8.61%之间，平均4.87%。稳态法测定水平渗透率主要介于0.001355mD。其中基质渗透率普遍低于1mD，最小值为0.0015mD，最大值为5.71mD，平均值为0.25mD，而层间缝发育的样品稳态法测定渗透率显著增高，普遍高于1mD，最高可达355.2mD。1.2 气藏及钻完井主要设计内容气藏组在深刻理解地质资料的基础上，对地质静态资料进行数字化工作；由测井资料与等值线图，经过网格系统划分、构造建模与属性建模等步骤，完成了工区的地质建模。钻完井组对井身结构设计、钻具组 合设计、钻井施工程序设计、钻井液及水力参数设计、套管设计、固井设计、井控设计。本次所设计的典型井的平均井深为1500m，水平段平均长度为1400m，采气工程部分选择进行水平井分段压裂。2 完井方式的选择目前，常用的完井方式主要有套管射孔完井、裸眼完井、割缝衬管完井等。根据完井工艺的优缺点（表1），结合本区块的地质特征，优选完井方式。除了上述常用完井方式以外，国外正在采用一种新的完井技术，称为机械式组合完井。这种完井方式采用特殊的滑套结构和膨胀封隔器，适用于水平裸眼井段限流压裂，一趟管柱即可完成固井和分段压裂施工。施工时将完井工具下入水平井段，悬挂器坐封后，注入酸溶性水泥固井。井口泵入压裂液，先对水平井段最末端第一段实施压裂，然后通过井口落球系统操控滑套，依次逐段压裂。最后放喷洗井，将球回收后即可投产。表1 完井工艺优缺点对比表完井方式优点缺点适应地质条件套管射孔完井1.可有选择的射开气层，实行分层开采2.可以免去下封隔器或桥塞，缩短了完井时间3.可进行井下压裂/酸化作业1.储层易受水泥浆损害2.射孔操作较为复杂3.完井成本相对较高1.有气顶或有低水、含水夹层、易塌夹层，要求实施分隔层段的储层2.各分层之间存在压力、岩性等差异，要求实施分层测试、分层采气、分层注水、分层处理的储层3.要求实施大规模水力压裂作业的低渗透储层4.砂岩储层、碳酸盐岩裂缝性储层尾管射孔完井1.有利于保护气层，成本适中2.减少套管重量和气井水泥用量，降低完井成本3.可进行井下压裂、酸化作业，利于多级射孔分段压裂1.储层易受水泥浆损害2.射孔操作较为复杂3.固井质量尚难保证 裸眼完井1.成本相对低2.气层完全裸露，完善程度高，具有最大的渗流面积，可充分发挥气层产能3.有效避免水泥对储层的伤害，避免注水泥时压裂地层，避免水泥侵入地层的原油孔隙中1.疏松储层井眼可能坍塌；层段之间窜槽2.后期多级射孔分段压裂难度大，不易控制3.后期完井措施难度大1.岩性坚硬致密，井壁稳定不坍塌的碳酸盐岩或砂岩储层2.无气顶、无低水、无含水夹层及坍塌夹层的储层3.单一厚储层，或压力、岩性基本一致的多层储层、4.不准备实施分隔层段、选择性处理的储层割缝衬管完井1.可防止井壁坍塌2.在一定程度上可起到放防砂作用3.操作方便，成本低1.衬管损害后无法修理或更换（1）套管射孔完井能够适应该区块的地层条件；有利于压裂增产措施的实施；井筒稳定，寿命长，便于修井，为长期生产创造了条件。因此，对于页岩气水平井，套管射孔完井是适合的。（2）尾管射孔完井的射孔工艺较为复杂，固井质量尚难保证。本次页岩气井需要考虑压裂工艺的影响，需要使用较单易于操作的射孔方式。因此，尾管射孔完井不适合。（3）裸眼完井的井筒稳定性较差，后期多级射孔分段压裂难度大，不易控制。本次设计区块要进行分段压裂增产措施，裸眼完井显然不合适。（4）衬管完井主要针对的是岩性较为疏松的中、粗砂粒储层，显然不适合于致密页岩气储层。对于页岩气来说，水平井的完井与后期的储层改造压裂增产措施不能够完全区分开来，完井的工具往往就是后期压裂的工具，在一些情况下，完井就是压裂改造。因此，单纯从完井角度来看，选择套管射孔完井；从完井要求到压裂工艺的要求角度来看，选择添加组合式桥塞的套管射孔完井，即在套管中使用组合式桥塞分隔各段，然后对各段分别进行射孔和压裂。3 射孔参数的优化3.1 射孔方式的选择目前，主要使用的射孔方式有电缆输送套管枪射孔、电缆输送过油管射孔、油管传输射孔，其主要优缺点对比如表2。表2 射孔方式优缺点射孔方法电缆射孔过油管射孔油管传输射孔枪直径（mm）73177.8355473177.8射孔弹型深穿透和大孔径深穿透深穿透和大孔径弹药重（g）15661.8171566孔密（孔/m）133913191340孔深（mm）400800145615400800孔径（mm）7.131.35.414.57.131.3负压范围常压或负压可控或负压按负压要求适应井筒114.3245mm套管，井斜50油管60.3mm，套管245mm，井斜50114.3245mm套管，直径、定向井、水平井应用范围普通井生产井、补孔常规井、高压油气井、防砂井、低渗井、复杂井射孔效果射孔伤害影响产能孔径、孔深小或低伤害能冲洗井眼产能高本区块为页岩气低渗储层，其孔隙度、渗透率很低；根据油藏、钻井组的设计，本次采气采用水平井，套管直径为139.7mm；由于电缆射孔伤害会影响产能，过油管射孔只适应于直径。因此，选择使用油管传输射孔。3.2 射孔工艺的优选射孔工艺有正压射孔和负压射孔两种，其主要优缺点对比入下表3。根据本次设计区块的地质条件及完井工艺要求，推荐采用负压射孔工艺。表3 射孔工艺优缺点对比表工艺正压射孔负压射孔优点1.可使用大直径和高孔密的射孔枪，达到深穿透的射孔效果1.可消除射孔液侵入地层2.可以把射孔孔道内的碎屑和孔道周围的压实层清除干净缺点1.造成射孔液侵入地层2.射孔碎屑残留在射孔孔道内3.孔道周围的压实层无法清除适用条件1.井筒内完井液液柱压力高于地层压力的条件1.井筒完井液液柱压力低于地层压力2.可用于直井、小斜度井、大斜度井、水平井3.3 合理负压值的优化页岩气井射孔完井的根本目的是获得气井的最大产能，在射孔施工中应将钻井过程的污染和射孔本身损害对流体流动的阻碍作用减至最小，也就是使射孔后气井的表皮系数尽可能降低。因此，需要针对地层的情况，钻井对地层的污染情况和井身结构条件等进行分析研究，考虑各种射孔参数对气井的作用和各种射孔器材的长处，计算分析气井对射孔参数的敏感性来选择射孔参数和射孔器材。依照采油技术手册推荐的VANN公司的经验公式进行最大、最小负压值的计算。（1） 确定最小负压值致密气层的最小负压值可采用下列公式进行计算： pmin=6.892.5K9.17 （式1）式中：p压力，MPa； K地层渗透率，10-1m2。根据基础资料中岩心渗透率数据可知，用稳态法测定的水平渗透率主要介于0.001355mD，计算最小负压值时取岩心测试渗透率平均值K=335 mD进行估算： pmin=6.892.5K9.17=6 MPa （式2）（2） 确定最大负压值一般来说，最大负压值=实际地层压力-最小孔隙压力=地层压力-（上覆底层压力-1.7地层抗压强度）。由于地层抗压强度未知，致密地层的最大负压值一般选取新套管抗压强度的80%进行估算。从钻井组得到的数据可知，套管的抗压强度60MPa，则射孔最大负压值为48MPa。考虑地层压力及套管的强度，确定负压射孔的合理负压值为10MPa。3.4 射孔枪及射孔弹的优选由文献5可知，超深水平井射孔用的射孔枪，可初步选用射孔枪。目前气田常用以下两种类型的射孔枪，具体参数如表4：表4 射孔枪类型及性能射孔枪型号射孔弹型号原始穿透(mm)原始孔径（mm）校正系数校长孔深（m）校正孔径（mm）入口孔径（mm）SYD-102DP41RDX-46-8948810.100.76370.0012.309.90SYD-102SDP43RDX-52-102838.12.500.76635.3014.2012.20SYD-102SDP43RDX-55-127108013.200.76818.8015.8012.90SYD-89DP41RDX-46-8948810.100.73356.2011.909.50SYD-89SDP40RDX-52-10283812.500.73611.7013.7011.80在已选择了页岩气井生产套管内径139.7mm的前提下，考虑固井过程中可能有水泥浆残留在套管内壁、由于射孔枪变形或射孔后射孔枪可能碎解卡枪等因素，出于安全考虑，选择89mm，即SYD-89型射孔枪。射孔孔径的选择主要从完井工艺方面考虑。在进行大孔径射孔时，炸药气流的冲击力很强，有可能将套管壁冲坏，更是对水泥石不利，会大大降低套管完井的效果。通常，只有防砂完井才要求射出大孔径，套管完井没有选择大孔径的必要性，采用一般的孔径就能满足生产的需要。因此，选择DP41RDX-46-89型射孔弹。3.5 射孔密度的优化在射孔枪和射孔弹型号确定后，需要对射孔的孔密进行分析。利用孔眼摩阻公式对孔密与摩阻的关系进行分析，寻找最优孔密。计算结果如表5。超深高压井压裂时的孔眼摩阻计算公式： pcf=2.33010-10Q2(Denh)2D4CP2 （式3）式中：Q泵排量，取值14m3/min； 压裂液密度，取值1000kg/m3； Den射孔密度； D孔眼直径，m，取0.095m； Cp排出系数，如果压裂液不含磨损性材料，排出系数一般为 0.500.60，但当泵入携砂液时，由于孔眼被冲蚀，变为0.600.95，计算时取0.85。表5 不同孔密下的摩阻计算结果射孔枪型号射孔弹型号排量（m3/min）射孔密度（孔m-1）压裂液密度（kgm-3）排出系数厚度（m）摩阻（MPa）SYD-89SDP40RDX-52-102141610000.851.513.4SYD-89SDP40RDX-52-1021810.6SYD-89SDP40RDX-52-102208.51由表4可以看出，射孔密度越大，孔眼摩阻越小。因此，射孔密度选择为20孔/m。3.6 射孔相位的优化合理的射孔相位角有利于提高油气井的产率。根据完井与井下作业中美国Todd在无污染、无压实情况下研究的结果表明：0相位角最差，相位角是180时产能比提高20%，而相位角为60时产能比提高30%。通常，均质地层采用90相位，非均质性强的地层采用120相位，致密砂岩地层一般采用60相位。考虑到超深页岩气井射孔会引起套管形变，而维持套管强度的最佳相位是60。因此，本区块页岩气井射孔的相位优化为60。3.7 射孔簇数及簇间距的优化水平井“分段多簇”压裂方法，能够使每一段都形成多条压裂裂缝，这样可以尽可能多的增加改造体积。但是，压裂裂缝干扰的存在可能会导致中间的射孔簇无法形成有效的压裂裂缝。因此，需要对射孔簇数及簇间距进行优化，保证每一段每一簇都能形成有效裂缝。在查阅资料和文献的基础上，利用潘林华8等人建立的水平井“多段分簇”压裂的三维有限元模型对射孔簇数及簇间距进行了研究。通过对2簇和3簇射孔在不同的射孔簇间距条件下的裂缝扩展能力进行研究发现：当簇间距为20m时，中间的射孔簇只能开启小段距离后就发生止裂；当簇间距为26m时，中间的射孔簇产生的压裂裂缝能扩展一段距离，但是裂缝的长度有限；当射孔簇间距为30m时，中间的裂缝长度只比两端的裂缝略短，形成了有效裂缝。同时，随着射孔簇数的增加，能形成的有效裂缝的极限间距也增加。因此，簇间距控制在30m左右，进行2簇或3簇射孔，可以获得较复杂的网络裂缝。3.8 射孔液的优选目前使用的射孔液体系主要有以下五种：（1）无固相清洁盐水射孔液利用体系中各种无机盐及其矿化度匹配，液体中的无机盐改变了体系中的离子环境，降低了离子活性，减少了粘土的吸附能力。在滤液浸入储层后，储层中的粘土颗粒仍然保持稳定，不易发生膨胀运移，尽可能地避免储层中敏感性粘土矿物产生变化。射孔液中无固相颗粒，不会发生外来固相侵入储层孔道的问题。特点：成本低、配制方便，使用安全；对于裂缝性地层、渗透率较高且速敏效应严重的储层不宜使用。（2）聚合物射孔液主要应用于可能产生严重漏失(裂缝)或滤失(高渗透)以及射孔压差较大、速敏较严重的储层。它是在无固相盐水射孔液的基础上，根据需要添加不同性能的高分子聚合物配置而成。加聚合物的主要目的是调整流变特性和控制滤失量。聚合物类型和浓度的选择主要是根据滤失量和滤液损害率来确定。（3）油基射孔液采用原油或柴油加入一定量的添加剂作为射孔液;油基射孔液的滤液为油相，避免了储层的水敏作用。（4）酸基射孔液由醋酸或稀盐酸加入适合不同要求的添加剂配置而成。醋酸或稀盐酸本身具备一定的溶解岩石矿物或杂质的能力，可使射孔后孔眼中以及孔壁附近压实带的物质得到一定的溶解，从而预防射孔后压实带渗透率降低及残留颗粒堵塞孔道。一般采用10%左右的醋酸溶液或5%左右的盐酸溶液对储层进行处理。（5）乳化液射孔液采用表面活性剂将水包油形成乳状液密度约0.89g/cm3耐作为射孔液，耐温可达到160不破乳，射孔后用轻质油，密度约0.78g/cm3替出投产。即射孔开始到投产过程不再使用水基射孔液与储层接触，以减少完井液伤害储层。 由于页岩气必须经过压裂才能进行有效开采，压裂部分的射孔可以和完井部分的射孔合二为一，压裂液已经起到了射孔液的效果。由于压裂液主要选择的是滑溜水和线性胶的组合，因此可以选择的是水基型射孔液。3.9 射孔参数对压裂效果的影响在上述射孔参数的优化结果的基础上，将相关参数代入到压裂软件中进行模拟，确保射孔参数的合理性。选择1800m的泵注量，在3簇60孔条件下进行模拟，其结果如图1所示。图1 模拟单段三簇60孔压裂结果图从模拟压裂的结果可以得到：波及缝长为762.4ft（232.4m），逢高为166ft（50.6m）。由于邻井间距为750m，裂缝之间不会产生干扰；且本区块主要产层为11段（厚度33m左右），压裂产生的裂缝高度满足要求。因此认为可以产生良好的压裂效果。4 结论（1）考虑页岩气水平井完井工艺与压裂工艺的特殊性，选择进行套管射孔完井。（2）由于页岩气低孔隙度、低渗透率特性，结合射孔方法优缺点，选择使用油管传输射孔。（3）考虑页岩气储层特性，选择负压射孔工艺，依照采油技术手册推荐的VANN公司的经验公式最终确定合理负压值为10MPa。（4）综合考虑套管尺寸及射孔安全问题，选择SYD-89型射孔枪和DP41RDX-46-89型射孔弹。（5）射孔密度越大，孔眼摩阻越小，选择射孔密度为20孔/m。（6）考虑产能因素和套管强度，本区块页岩气井射孔的相