水平井定向分簇射孔技術及其應用

1 技術背景

頁巖氣、煤層氣等非常規氣藏勘探開發在國內得到了大力發展，成為國家能源戰略的一個重要組成部分，非常規氣藏勘探開發絕大部分采用水平井工程技術以實現穩產、長壽命的目的。分段壓裂改造是非常規油氣勘探開發的一項必要技術手段，目的使儲層形成網狀縫充分溝通油氣，達到油氣井開發效果最優化，分簇射孔成為配套分段壓裂改造射孔完井的一項首選工藝。但在水平井鉆探過程中，鉆井井眼軌跡時有穿越儲層上方或下方，為了取得更好的油氣井開發效果，除了分簇射孔之外，還需要考慮射孔方向性，使得后續改造作業發力于有效儲層。

分簇射孔給國內射孔工藝技術帶來了革命性發展，它采用復合橋塞對油氣井擬改造目的層分段，每段分成若干簇，電纜輸送一次下井將射孔管串和復合橋塞輸送至目的層位，依次完成橋塞坐封和多簇射孔作業，為后續分段壓裂改造創造條件的射孔工藝技術，解決了多級點火控制、易鉆復合橋塞分段、選發射孔、水平井泵送、高壓井口防噴等工藝，沒有具備定向射孔特征。

定向射孔是一項較為成熟的技術，主要應用于沿最大水平主應力直井定向射孔和水平井射孔。在直井采用主動定向，如電纜配旋轉短節；在水平井則采用被動定向，如射孔器材偏心設計或配重設計。

定向分簇射孔整合了分簇射孔與定向射孔技術優勢，解決了以下技術難題：①定向分簇射孔“動態的定向與靜態的分簇選發”；②某簇射孔槍射孔后剩余射孔槍的正常密封及尋址等；③動態情況下信號、導電功能，以及射孔器始終自重偏心等。

2 工藝與特點

水平井定向分簇射孔技術方案需要結合設計結構、工藝優化方面內容，其目的是解決分簇選發、射孔任意相位定向、器材定向過程中信號傳輸及供電、射孔后未射孔器材的密封等難題。

2.1 分簇選發工藝

由于電子式分簇射孔工藝采用電子選發器（圖1）和電雷管結合的方式，在非定向射孔方式中，裝配好的器材不會動態轉動，電子選發器和雷管裝配在接頭內，目的是保證接線、接地可靠。而水平井定向分簇射孔中的射孔器材是隨機轉動的，則需要將電子選發器和雷管一起封裝在射孔槍內隨射孔器材一起轉動，保證電子尋址、導電的可靠。

2.2 密封與絕緣工藝

分簇射孔器材下井過程中，在射孔前槍內的器材要保證絕對的密封，其中一簇射孔器材射孔工作后，還要保證其他未射孔的器材密封、絕緣可靠。定向分簇射孔從結構設計上解決密封難題，槍管采用密封圈與接頭的密封方式，簇與簇之間的接頭采用絕緣引線柱與密封圈的方式，確保射孔后器材密封性能和供電絕緣性能（圖2）。

2.3 定向結構工藝

定向分簇射孔器材利用自重定向原理，彈架內增加偏心配重配以滾珠軸承的方式，使射孔器材的重心始終偏于一邊，根據生產需要布置射孔彈射流發射方向，導爆索采用外繞彈架方式與槍管保持合理間隙，在水平井中無論射孔槍管如何轉動，射孔定向始終不變（圖3）。

2.4 動態導電工藝

定向分簇射孔器材下井過程中，射孔器材是隨機轉動的，設計的動態導電結構成為關鍵（圖4）。在水平井段中，電子選發器在器材動態轉動時接地要好，絕緣、導電、尋址均需要正常。在設計過程中設計了射孔器材轉動配中間接頭固定的軸向端面導電、側向滑環導電和側環端面導電3種方案，都進行了動態導電功能性試驗，3種方案均有各自的工藝優勢，都能夠保證射孔器材轉動過程中簇件的信號正常連通，簇間密封功能。

2.5 測試定向分簇射孔器

根據工藝設計，研制了軸向端面導、側向滑環導電和側環端面導電的多套定向分簇射孔器（圖5），進行了功能性試驗，定向分簇射孔器的動態導電、密封、絕緣、選發、尋址等功能均正常。試制了射孔參數相位0°、孔密16孔/m的73型、83型、89型、102型射孔槍，配套了對應的先鋒射孔彈進行水中功能性試驗，射孔器材表現正常。

2.6 定向分簇射孔技術特點

定向分簇射孔技術作為頁巖氣、煤層氣等非常規油氣勘探開發水平井工程的一項配套技術，有力支撐儲層改造壓裂作業，引導壓裂液發力于主力產層，適用于油氣鉆探過程中井眼軌跡偏離了儲層的定向射孔，主要工藝特征表現為：①應用電纜傳輸方式，配套電子式選發器和雷管，地面可控選發射孔；②器材轉動靈活，可以360°相位任意定向；③優化射孔器結構設計，應用超深穿透的先鋒射孔彈技術，一方面提高射孔彈穿孔性能，另一方面保證射孔槍性能良好，防止射孔遇卡事件；④分簇射孔器密封、絕緣、接地、動態導電等性能良好；⑤器材性能指標達到了工作溫度150℃、工作壓力105MPa。

3 定向分簇射孔仿真

為了研究定向分簇射孔對于降低壓裂泵壓是否能起到作用，利用有限元軟件建立3種定向分簇射孔模型和常規螺旋射孔模型（表1）。使用流體結構耦合分析技術仿真分析了定向分簇射孔后，在壓裂泵壓的作用下地層巖石產生的最大應力。并和螺旋射孔后的地層巖石產生的最大應力進行比較。巖石所產生的最大應力越大，巖石就越容易破裂，所需要的壓裂泵壓就越小。因此通過有限元仿真分析比較定向分簇射孔和螺旋射孔后地層巖石最大應力，可以看出定向分簇射孔可降低壓裂泵壓，且壓裂液更集中地作用于勘探主力產層。

建模時以89射孔器的穿深孔徑數據為標準建立射孔孔道，其中穿深為450mm，孔徑為8.5mm。對于地層巖石采用頁巖的物理性質，物理參數如下：密度為2600kg/m³，楊氏模量為45900MPa，泊松比為0.25，抗拉強度為2.94MPa，抗壓強度為265.75MPa。頁巖模型厚990mm，外徑1200mm，內徑140mm。對4種射孔模型的頁巖均采用六面體網格劃分。之后使用FLUENT對井眼和射孔孔道內的液體進行流體力學仿真。將結果導入靜力學分析模塊，加載后進行流體結構耦合?？梢缘玫揭后w在井眼和射孔孔道流動時對井眼和孔道表面產生的壓強，如圖6～9所示。其中定向A模型的產生的最大壓強為62.70MPa，定向B模型的最大壓強為56.05MPa，定向C模型的最大壓強為59.38MPa，螺旋模型的最大壓強為44.32MPa。3種定向射孔壓裂時液體對井眼和射孔孔道產生的壓強明顯大于常規螺旋射孔。

在流體載荷的基礎上，在井眼表面和射孔孔道表面加載100MPa壓力，側面加載50MPa圍壓。同時在頁巖模型上下端施加固定約束后，分別對這4種模型進行流體結構耦合后的靜力學求解。求解結果如表2所示。在井壓和圍壓相同的情況下，由于3種定向射孔液體對井眼和射孔孔道產生的壓強大于常規螺旋射孔，因此最后3種定向射孔模型井眼表面和射孔孔道表面所產生的應力也明顯大于常規螺旋射孔模型井眼表面和射孔孔道表面所產生的應力。其中定向A模型，也就是0°相位定向分簇射孔模型產生的應力最大；其他兩種定向模型產生的應力相當；常規螺旋射孔產生的應力最小。對于壓裂來說，應力越大意味著破裂壓力越低。因此從理論上來說，定向分簇射孔還能在一定程度上降低壓裂時地層破裂壓力。

4 現場應用

定向分簇射孔技術在四川油氣田頁巖氣、山西煤層氣、蘇里格致密氣等非常規油氣及致密氣的勘探開發中得到了現場應用，定向分簇射孔應用完成7口頁巖氣井54簇、3口煤層氣48簇、1口致密氣12簇的定向射孔，定向準確，技術優勢明顯，作業效果較好，如煤層氣施工降低了泵壓等。

4.1 案例1：xx204H1-2井

xx204H1-2井是頁巖氣示范區1口重點勘探井，完鉆層位為志留系龍馬溪組，完鉆井深5422m，射孔井段總跨度長1562.3m。分為17段，每段長60～105m，每段3簇射孔。在11、12、13段井眼軌跡穿行于優質頁巖儲層下部，在第11、13段應用定向分簇射孔進行試驗性應用對比，相位為0°/30°斜朝上、150°斜朝上/180°等4個相位，槍型為89型，孔密16孔/m，采用SDP39HMX25-4先鋒射孔彈。

定向分簇射孔現場應用，分簇、定向、密封、絕緣等功能正常，起出射孔槍后，簇間槍管孔眼定向達到預期效果（圖10）。

后續儲層改造作業，儲層吸液、泵壓、排量性能運行良好，微地震監測結果顯示，裂縫沿主力產層發展，破裂點數更大更多更遠（圖11）。

4.2 案例二：xx1C1井

xx1C1井是川渝地區布置的1口頁巖氣預探井，人工井深4708m，完鉆層位為奧陶系五峰組。水平井段分12段壓裂改造，在8、9段井眼軌上翹于儲層，應用定向分簇射孔進行作業，相位為水平朝下30°、垂直朝下90°等3個相位，槍型為89型，孔密16孔/m，采用SDP39HMX25-4先鋒射孔彈。定向分簇射孔現場應用，簇間槍管孔眼定向一致性效果良好（圖12）。

后續儲層壓裂作業，儲層吸液、泵壓、排量性能運行良好，相同排量情況下，泵壓降低明顯（圖13）。

5 結論與建議

水平井電纜傳輸定向分簇射孔技術采用特殊的結構設計，應用選發控制分簇、重心偏移射孔定向等技術，解決了水平井電纜傳輸射孔作業時的分簇密封功能、定向射孔功能以及隨機轉動的導電功能等難題，試制了定向分簇射孔器，進行了功能性試驗。

在頁巖氣儲層進行了定向分簇射孔技術現場應用，驗證了定向分簇射孔各項功能正常工作，為儲層壓裂改造提供了技術支撐。

1）該技術成為非常規油氣開發水平井工程的一項配套技術，可以實現水平井鉆井過程中井眼穿在儲層上方或儲層下方進行有目的的定向射孔。

2）數值仿真分析顯示射孔孔道及表面存在應力集中，有利于降低射孔起裂壓力，更好地服務儲層改造。

3）具有較強的方向性，能夠較好地實現非常規油氣藏水平井中進行定向、分簇功能，使后續壓裂液更好地作用于主力產層，在頁巖氣、煤層氣等非常規油氣藏應用過程中得到了驗證。

版權聲明|來源：《天然氣工業》；作者：陳華彬等；版權歸原作者所有。

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