<3039C7EFBCBEBFAF2E696E6464>

Size: px

Start display at page:

Download "<3039C7EFBCBEBFAF2E696E6464>"

妹宰
5 years ago
Views:

1 动态负压射孔技术进展及应用 Dennis Baxter Harouge Oil Operations 加拿大石油公司利比亚的黎波里 Larry Behrmann Brenden Grove Harvey Williams 美国得克萨斯州 Rosharon Juliane Heiland 安哥拉罗安达通常作业人员都是在井筒压力低于储层压力的情况下进行射孔这种静态负压条件有利于清理破碎岩石和岩屑但研究人员发现因为岩屑清理不彻底应用这种技术得到的生产动态总是不太理想最新研究对发生在聚能射孔弹引爆过程中产生的瞬时效应有了更深入的认识工程师正充分利用动态负压条件获得更洁净的射孔孔道采用这种新技术射孔的井通常比用传统方法射孔的井生产动态要好 Lian Ji Hong CACT 作业者集团中国广东深圳 Chee Kin Khong 中国广东深圳 Andy Martin 英国剑桥 Vinay K. Mishra 加拿大艾伯塔省卡尔加里 Jock Munro 苏格兰阿伯丁 Italo Pizzolante VICO 作业公司印度尼西亚雅加达 Norhisham Safiin Raja Rajeswary Suppiah PETRONAS Carigali 马来西亚吉隆坡油田新技术 29 年秋季刊 21 卷第 3 期 29 斯伦贝谢版权所有在编写本文过程中得到以下人员的帮助谨表谢意利比亚的黎波里的Adil Al Busaidy 美国得克萨斯州Rosharon的Daniel Pastor 以及得克萨斯州Sugar Land的Martin Isaacs和Steve Pepin Enerjet PowerJet PowerJet Omega PURE SPAN 和TRUST等是斯伦贝谢公司的商标 Excel是微软公司的商标 1. RP 19B Recommended Practices for Evaluation of Well Perforators 第二版华盛顿特区美国石油学会 26年 4 一口油气井的完井是各专业领域人员共同努力的结果地质师地球物理师和岩石物理师分析地层挑选钻井目标工程师确定井位并进行钻井下套管然后进行固井岩石物理师解释测井资料识别生产层上述各方面的共同努力带来这样一个决定性的时刻射孔枪射穿套管水泥和岩石在储层和井眼之间建立通道这一环节不能失败必须取得成功动态负压射孔为确保实现这一环节作业目标提供了一种方法射孔枪引爆射孔弹后在短短数十微秒内聚能射孔弹爆炸释放出液化粒子形成高速喷射流以8 米/秒 2652英尺/秒的速度传播在套管上产生高达41 GPa 6万psi 的压力波在地层上产生高达6.9 GPa 1万psi 的压力波直接的结果就是炸开了一条孔道里面是一层被压力波破坏了的岩石其中充满碎屑如果不将碎屑清理出去压碎的岩石就会阻挡流体流动碎屑即岩石碎片和炸药残片还会堵塞孔道和孔喉过去常用静态负压技术作为清理此类新形成孔道的行业标准通常在下套管且内有液体的井筒中下入射孔枪液柱产生的静压是液柱高度和流体密度的函数如果井筒内液压低于地层压力就形成了静态负压状态相反如果井筒内液压高于地层压力井就处于正压状态作业人员在静态负压条件下进行射孔就是希望利用这种负压差使地层流体迅速流入井筒实现清理碎屑的目的但使用静态负压射孔方法得到的生产动态常常不令人满意新型射孔方法即动态负压 DUB 射孔方法充分利用了对射孔过程中发生在射孔枪系统井筒和地层中的瞬时压力进行研究后获得的信息聚能炸药爆炸产生的破碎岩石被清理随着地层流体向井筒流动把破碎岩石及其他射孔碎屑冲到井筒除此之外 DUB射孔方法还可以在起初为负压平衡压力甚至是正压状态的井筒产生这些效应其结果就是把射孔孔道清理的更干净井的生产动态更好

动态负压静态负压正压过去设计工程师一般把研究重点放到开发能够形成干净且又大又深孔道的射孔弹上然而 DUB射孔技术证明虽然上述特点很重要但达到最大产能所要求的不仅仅是更有效力的聚能射孔弹充分利用射孔中和射孔后发生在孔道中的瞬时现象能够改善孔道几何形状和流动效率这两项因素直接影响井的生产动态井下环境条件下的射孔表现与多种因素有关因此不可能根据地

2 动态负压静态负压正压过去设计工程师一般把研究重点放到开发能够形成干净且又大又深孔道的射孔弹上然而 DUB射孔技术证明虽然上述特点很重要但达到最大产能所要求的不仅仅是更有效力的聚能射孔弹充分利用射孔中和射孔后发生在孔道中的瞬时现象能够改善孔道几何形状和流动效率这两项因素直接影响井的生产动态井下环境条件下的射孔表现与多种因素有关因此不可能根据地面试验预测射孔深度和入口孔径但是作业公司可通过标准化试验对比不同规格的聚能射孔弹也可以根据试验资料利用模拟程序预测基于岩石属性和井下条件的射孔弹性能 2 年美国石油学会发布了油井射孔器评估推荐做法 RP 19B 该标准为评价不同供应商提供的射孔弹提供了指导和流程[1] API RP 19B代替了RP 43 标准除此之外 API提供射孔器见证程序使得试验结果更加可信本文对DUB射孔原理进行了解释并对DUB射孔技术最近在加拿大和中国的应用情况进行了介绍另外在马来西亚的砾石充填井中对 DUB射孔系统进行了试验结果证明了该系统的有效性所试验的射孔系统就是从当前正在研究的井筒动态分析基础上发展而来的本文还对API RP 19B推荐做法进行了回顾从而为 DUB射孔技术的应用提供有用的背景信息 PURE 过程多年来对射孔技术的研究主要致力于开发在套管井能够射出穿透深入口孔径大的孔道且在孔道中形成较少岩屑碎片的聚能射孔弹请参见 API RP 19B 标准化射孔试验下一页上述标准虽然重要但并不是影响射孔结果的唯一因素油井生产动态是最重要的衡量标准聚能射孔弹产生的高速喷射流和极高压力能够穿透被钻井污染的地层进入原状岩层在形成孔道的过程中高速喷射流击碎基岩颗粒改变孔道周围岩石的力学特性下接第8页 29 年秋季刊 5

3 API RP 19B 标准化射孔试验诸多因素影响射孔孔道的形成通过地面试验实际上不可能复制井下射孔弹的动态但用客观标准评价射孔弹性能能够提出一种对比不同射孔弹的方法为预测穿透形状和向井流动特征的模拟程序提供基准美国石油学会 API 于2年 11月出版了RP 19B 油井射孔器评估推荐做法代替RP 43 RP 19B的第二版于26年9月发布该书为制造商提供了五部分内容概述了具体试验程序 B 表示推荐做法不是规定标准但API只登记制造商遵守推荐做法的射孔弹性能[1] RP 19B中两项最重要的更新是独立证程序和改用API 16/3目压裂砂用于第一部分试验靶所用的混套管射孔枪试验用标准水泥试块水固化28天的混凝土钢管 ^ API RP 19B第一部分试验用标准油井设备对混凝土试验靶进行射孔后确定聚能射孔弹入口孔直径和射孔深度在套管周围灌注的混凝土必须满足耐压强度和组分等具体要求试验靶的耐压强度用标准水泥试验块进行验证 6 凝土集料 [2] 射孔枪见证程序目的是使试验结果更可信根据制造商的要求 API将提供经核准过的见证程序以便审查和验证试验工序因为按照以前的标准规定的极限值用砂制成的混凝土实验靶进行试验所观察到的穿透深度差异较大所以新标准对可接受的矿物组分和砂粒尺寸都有更严格的控制[3] 第一部分第一部分试验在常温常压下进行目的是对基本射孔系统进行评估是唯一一套API公认的完整射孔枪系统试验左下图服务公司在钢管内对一段套管进行固井来制备目标靶在中间部分灌入混凝土集料射孔试验前先用混凝土集料制成的标准水泥试块进行耐压强度试验试验用射孔弹必须经过至少1 次的生产运行高温射孔弹除外但也必须经过至少3次的生产运行枪系统中枪的位置射孔密度相位以及射孔弹数量等均须在数据表中详细列出射孔弹之间的影响相位射孔硬件和射孔密度都能改变射孔枪的性能因此射孔枪系统的试验结果并不总是和单炮试验一致枪系统的试验至少要12炮且枪硬件必须按照标准油田设备进行验证测量套管射孔入口尺寸和穿透深度并记录到射孔枪系统数据表中虽然在水泥中总穿透深度是一个相对值但这并不反映在地层岩石中的实际穿透深度如果已知地层力学属性用诸如SPAN射孔分析程序这样的模拟软件就能估计射孔枪系统的井下性能第二部分在第二部分的试验中在常温下将射孔弹射入施加应力的Berea砂岩靶内[4] 单炮试验是利用实验室装置进行的下图试验时侧限应力和井筒压力开始都设置为3 psi 2.7 MPa 任何诱发的孔隙压力都与大气压相通虽然这一试验没有再现具体油藏的条件但试验岩石被施加应力与第一部分无应力混凝土靶试验相比还是有了重大改进流体入口岩心通气口 4英寸或7英寸直径的岩心橡胶套靶板聚能射孔弹环空流体 ^ API RP 19B第二部分试验装置用施加应力的Berea砂岩靶进行单炮射孔试验

4 测微计阀井筒孔隙压差井筒压力模拟套管和水泥的板聚能射孔弹导热带岩样模拟井筒钢条试验靶 3加仑储罐封闭压力数据与井筒相连的 5加仑储罐井筒压力数据封闭岩心室模拟油藏岩样快速石英压力计 ^ API RP 19B第四部分CFE试验用模拟地下条件的特制试验装置测量流动性能只要所用岩样的组分与井下地层类似那么这一试验得出的试验结果非常接近井下结果 ^ API RP 19B第三部分受热试验先使射孔枪受热然后用受热后的射孔枪对叠层钢条试验靶射孔来测试射孔枪在受热条件下的性能第三部分第三部分的受热试验用来评估射孔枪系统受热后的性能退化情况用受热后的射孔枪对焊到枪体上的钢板射孔至少发射6枚射孔弹然后将受热后射孔枪射开的孔道深度与入口孔道直径与环境条件下射孔枪射开的孔道深度与入口孔道进行比较上图第四部分条件下的最佳射孔技术第四部分的试验是在实验室单炮枪模条件下对封闭岩样进行射孔然后评估其流动性能上图试验装第五部分置主要由三部分组成一个封闭室用来对岩心施加应力一个系统用来对孔隙流体加压并模拟远场油藏响应以及受压井筒室这一试验对岩心流动效率 CFE 进行测量 [5] CFE 与单一射孔孔道引起的表皮损害有关可用来定量分析射孔破碎带的基本特征实际上很少有研究人员按照书本进行第四部分试验主要原因是作业公司希望预测具体油藏条件下会发生什么情况或者是评估指定应用 1. 有关 A P I 试验结果认证请登录 h t t p : / / compositelist.api.org/facilitieslist.asp?fac=yes& CertificationStandard=API-19B 29年6月1日浏览 4. Berea砂岩取自美国的某个地层该地层是一个带状出露从肯塔基州北部开始经过俄亥俄州的Berea城一直延伸到宾夕法尼亚州 2. API规定的压裂砂规范包括砂粒大小球度圆度抗粉碎能力和矿物成分 16/3 目标准要求9%的砂粒都在毫米英寸范围内且99%都属于纯硅质 5. CFE定义为通过孔道的实际流量与通过非常洁净孔道的理论流量的比值实际测量与理论条件下两种孔道的几何形状相同 CFE为1相当于单射孔孔道表皮系数为表示射孔后没有留下破碎带 CFE小于1表示有地层损害或流动受到限制 3. Brooks JE Yang W和Behrmann LA Effect of Sand-Grain Size on Perforator Performance SPE 发表在SPE预防地层损害会议上美国路易斯安那州Lafayette 1998年2 月18-19日 29 年秋季刊 6. 在按照API RP 19B推荐进行的试验中与根据API RP 43推荐进行试验的PowerJet射孔弹相比 PowerJet Omega射孔弹的穿透深度增加 1% 第五部分提供了一套确定射孔弹引爆以及射孔枪收回后从射孔枪冲出去的碎屑量新型试验的观测结果 API RP 19B发布于2年许多根据API RP 43推荐做法所做的试验都用新方法进行了重新认证两种方法的试验结果差异从极小到很明显不等例如斯伦贝谢PowerJet射孔弹用新方法重新试验后观测到的总穿透深度减少了14%[6] 而21/8英寸 5.4厘米的Enerjet III射孔弹用两种方法试验观测到的穿透深度之间的差别仅有.7% 用混凝土试验靶进行试验可能不能准确反映射孔弹在井下的性能但却为业界提供了一套比较不同射孔弹性能的基准鉴于API RP 19B规定了更加严格的试验方法加上见证程序使得发布的试验结果的可信度大大提高 7

原状岩石套管水泥射孔孔道钻井损害相对岩石属性压力孔道涌流前的松散填充射孔损害带破碎颗粒未受影响的原状岩石岩石强度孔隙度渗透率距射孔孔道中心的径向距离 ^ 消除射孔造成的地层损害理想情况下射孔孔道穿过钻井造成的损害层进入原状岩石射孔弹引爆后形成三个不同区域射孔孔道其中充满松散碎屑插图破损带红色阴影包含破碎基岩颗粒和力学性质发生改变的岩石右下

流动性质和岩石强度发生了改变以及原状岩石其固有属性值如渗透率孔隙度和岩石强度未发生变化上图破碎带中的岩石降低了地层流体向井筒流动的能力而且可能是导致机械表皮污染的重要因素[2] 另外孔道 2. 机械表皮是机械因素造成的近井筒区域内渗透率的降低正表皮表示渗透率下降负表皮表示产能提高暨展览会上美国路易斯安那州Lafayette 26年2月15-17日 3.

into Underbalanced Perforating SPE 71642 发表在SPE技术年会暨展览会上新奥尔良 21年9月3日-1月3日 4.

5 原状岩石套管水泥射孔孔道钻井损害相对岩石属性压力孔道涌流前的松散填充射孔损害带破碎颗粒未受影响的原状岩石岩石强度孔隙度渗透率距射孔孔道中心的径向距离 ^ 消除射孔造成的地层损害理想情况下射孔孔道穿过钻井造成的损害层进入原状岩石射孔弹引爆后形成三个不同区域射孔孔道其中充满松散碎屑插图破损带红色阴影包含破碎基岩颗粒和力学性质发生改变的岩石右下原状岩石带右上岩石属性如强度左下插图中的红紫色曲线孔隙度绿色曲线和渗透率蓝色曲线都受射孔的影响破碎岩石颗粒对渗透率的影响从孔道边缘开始沿径向越来越小岩石强度在孔道边缘几乎为零直到深入地层一定深度才逐渐回复原状岩石的强度射孔对孔隙度的影响不是很明显从孔道剖面可看出存在三个不同的区域松散填充区包括非固结砂岩和射孔弹碎屑遭机械破坏的岩石其流动性质和岩石强度发生了改变以及原状岩石其固有属性值如渗透率孔隙度和岩石强度未发生变化上图破碎带中的岩石降低了地层流体向井筒流动的能力而且可能是导致机械表皮污染的重要因素[2] 另外孔道 2. 机械表皮是机械因素造成的近井筒区域内渗透率的降低正表皮表示渗透率下降负表皮表示产能提高暨展览会上美国路易斯安那州Lafayette 26年2月15-17日 3. Behrmann LA Underbalance Criteria for Minimum Perforation Damage SPE 381 发表在SPE欧洲地层损害会议上荷兰海牙 1995年5月15-16日 Walton IC Johnson AB Behrmann LA和Atwood DC Laboratory Experiments Provide New Insights into Underbalanced Perforating SPE 发表在SPE技术年会暨展览会上新奥尔良 21年9月3日-1月3日 4. Behrmann LA Li JL Venkitaraman A和Li H Borehole Dynamics During Underbalanced Perforating SPE 发表在SPE欧洲地层损害会议上荷兰海牙 1997年6月2-3日 5. Bolchover P和Walton IC Perforation Damage Removal by Underbalance Surge Flow SPE 9822 发表在SPE地层损害控制国际研讨会 8 6. Heiland J Grove B Harvey J Walton I和Martin A New Fundamental Insights into PerforationInduced Formation Damage SPE 发表在SPE欧洲地层损害会议上荷兰 Scheveningen 29年5月27-29日 7. Hansen JP和Skjeltorp AT Fractal Pore Space and Rock Permeability Implications Physical Review 38卷第4期 1998年分形这一术语是由Benoit Mandelbrot提出的指的是一种粗糙的或碎片状的几何形状从各个尺度对构造进行无限度嵌套这种特征也被称为自相似分形维是衡量几何形状复杂程度的一种尺度或在研究对象是二进制图像的情况下用来衡量预定义区的复杂程度通过逐步定量分形维可以了解孔隙空间的复杂程度后者与渗透率密切相关中的松散填充物会阻塞孔隙空间将来有可能使注水酸化砾石充填压裂等增产措施变得复杂按照常规方法在可能的情况下都是在静态负压条件下对油井进行射孔以促进射孔弹引爆后地层流体向井筒的流动实验室试验结果证明静压差要大于以前的建议值才能有效清理破损的碎石清除孔道中的碎屑[3] 对单炮射孔过程中和流动实验过程中压力计记录的压力数据进行分析结果证明井内压力在射孔弹引爆过程中和引爆后变化很大[4] 在数毫秒内压差不断在正压和负压之间变化这样的压力波动对清理碎石岩屑不是很有效利用静态负压条件进行射孔可能带来的另一种后果就是射孔弹引爆过程中产生的初始瞬态过压可能会把碎屑压进孔道深处形成一个不能渗透的段塞在经过静态负压射孔之后产生一定程度向井流动的井中向井流动可能是不均匀的渗透性最好的孔道清理程度最高渗透性不太好的孔道本身非常需要外力帮助来彻底清理岩石碎屑但在压力达到平衡之前向井流动的时间可能不长结果是只有少量孔道被清理干净只有少量孔道对总流动发挥作用因为破损带岩石变得疏松其强度远低于周围的岩石一股突然产生的涌流足以产生超过破损带岩石强度的张力从而导致岩石破碎岩石破碎后的持续流动冲走孔道中的充塞物下一页上图这就是DUB射孔技术的基础该过程来源于对瞬态现象的理解和控制[5] 第一步就是要了解岩石颗粒级的作用机理射孔孔道表面上的骨架颗粒在射孔过程中被击碎虽然这会给破碎带流体流动创造了更多通道但这些流动通道不仅狭窄而且比原始孔隙结构阻力大这就是孔道壁上渗透率降低的机理渗透率从孔道边缘处接近于零变化到深入地层一定距离处原状岩层的渗透率

6 涌流前孔道储层压力射孔损害带未受损害的原状岩石岩石强度最大压差岩石强度井筒压力最大静态负压动态负压被清理的岩石快最大动态负压慢静态负压时间引爆射孔枪新孔道宽度孔道中心静态径向距离动态 ^ 破碎带岩石的破裂 DUB射孔的两个最重要因素是压降的数量级和速度左图比较了PURE射孔过程中的井筒压力蓝色和静态负压射孔过程中的井筒压力橘色在PURE例子中井筒压力一开始与地层孔隙压力平衡然后迅速下降在静态负压例子中井筒压力一开始低于地层压力射孔引爆发射出高速喷气流后井筒压力迅速上升然后开始慢慢下降形成负压条件快压力表最右侧记录每个射孔枪系统的瞬时压力 DUB射孔过程中蓝色达到峰值压差时的张应力超出了岩石强度损害带的岩石破碎成为松散碎屑填塞孔道岩石强度红紫色和流动强度的交汇部分表示涌流冲洗后形成的孔道宽度红色虚线静态负压射孔中典型的缓慢压差几无法清理孔道橘色而使用DUB射孔则能更好地清理碎屑蓝色直接测量破碎带的渗透率比较困难 [6] 但是位于美国得克萨斯州 Rosharon的斯伦贝谢油藏完井中心产能提高研究部 PERF 的研究人员采用一种间接方法定量确定破碎带的渗透率变化 [7] 根据孔隙空间的分形维估算渗透率[8] 这种测量方法基于对薄片所拍摄照片的图像分析提供了一种衡量渗透率的相对标准并有助于确定射孔破坏的范围下图射孔后的Berea砂岩岩样在真空条 1.55 分形维 Castlegate 砂岩 UCS, psi 孔隙度, % 1, 薄片分形维分形维受损害岩石原状岩石二元图像 14 UCS, psi 孔隙度, % 6, 距孔道中心的距离毫米图像然后在黑白图像上进行分形维数分析数据红色表示为到孔道边缘距离的函数低渗区灰色阴影在距孔道中心约1毫米处结束虽然射孔破坏区延伸至1毫米但渗透率损害最严重的区域只是在孔道中心附近几毫米范围内有效清理充塞在这个区域内的碎屑对提高地层流体的流动能力非常关键对几种不同属性的砂岩岩心进行了分形维分析右平均分形维数据蓝色圆点和基于薄片直观测量的损害数据红色圆点比较接近注意渗透率降低的区域灰色阴影与地层强度没有直接关系 Castlegate砂岩右上的无侧限抗压强度 UCS 较低而其损害深度与另外两种机械强度大的Berea砂岩相似中和右下根据Heiland等人的资料修改参考文献分形维 ^ 根据孔隙空间的分形维进行渗透率分析经蓝色浸染过的薄片的图片被处理成黑白二元色二元 29 年秋季刊 Berea 浅黄色砂岩 Berea 灰色砂岩 UCS, psi 孔隙度, % 7, 距孔道中心的距离毫米 9

14, 12, UCS, psi 1, 8, 6, 岩样1 4, 岩样2 岩样3 2, 岩样4 5 1 15 2 25 距孔道中心的距离毫米 ^ 根据划痕试验仪确定的岩石无侧限抗压强度用岩石剖面测量仪插图测量在岩样上造出一个.2毫米.

7 14, 12, UCS, psi 1, 8, 6, 岩样1 4, 岩样2 岩样3 2, 岩样距孔道中心的距离毫米 ^ 根据划痕试验仪确定的岩石无侧限抗压强度用岩石剖面测量仪插图测量在岩样上造出一个.2毫米.8英寸凹坑所需的法向力和剪切力工程师沿射孔孔道连续向深处刮切建立了从孔道边缘到原状岩石之间的岩石强度3D图像先后选了四个Berea砂岩岩样进行射孔然后劈开测试原状砂岩的强度超过8 psi 55 MPa 但受损害的前1毫米岩石的强度小于2 psi 13.8 MPa 超过2 psi的dub压差就能使这一岩石破碎并使岩石碎屑落到孔道中根据Heiland 等人的资料修改参考文献6 件下用蓝色环氧树脂浸渍然后工程师沿孔道中心轴垂直切出岩样薄片薄片的径向全景照片勾勒出从孔道边缘到原状岩石的射孔影响薄切片的彩色图片用黑白二元色染成黑白图片孔隙显示为黑色基岩为白色研究人员采用常用于生物科学和材料科学的图像分析技术确定按1毫米.4英寸滑动增量测量的二元图像的孔隙空间分形维根据岩石的几何复杂性变化研究人员建立射孔损害剖面选取不同Berea砂岩岩样进行试验结果发现原状岩石和受损岩石之间的拐点大约距孔道边缘8 1毫米.3.4英寸表明从渗透率降低的破碎颗粒状向未受射孔影响的岩石的过渡主要损害区域位于前5毫米.2英寸范围内[9] 射孔过程中也出现岩石颗粒之间脱胶结和分散粘土颗粒脱离的情况基质颗粒的径向位移在未受损害的岩 1 石远场形成剩余弹性应力随着岩石减压应力使孔道附近那些遭到最严重损害的岩石碎裂但仍留在原地工程师使用岩石剖面测量仪或划痕试验仪沿被射孔岩样中心轴测量岩石强度确定岩石的无侧限抗压强度 UCS 上图获得的数据表明损害带从射孔孔道向外延伸近2毫米.8英寸但与破碎颗粒带不完全对应 [1] 与对渗透率的影响的观测结果类似最严重的损害发生在孔壁表面损害程度随径向距离扩大而减轻射孔损害带的这种双重特征说明清理大多数渗透率受损岩石所需的压差只是原状岩石强度的一小部分实验数据表明破碎颗粒渗透率降低数毫米的岩层的岩石强度低于2 psi 如果沿射孔孔道快速建立压力梯度如同采用PURE射孔系统时的情形就能产生足够的拉力和剪切力从而使受损岩石破碎因为流入射孔枪的流体形成动态负压所以PURE系统只能在充填液体的井眼中使用如果计划对多层射孔其中某层可能产气从下部地层来的气体可能会破坏这一过程为避免这一潜在问题在含气层最好从最浅层到最深层依次射孔这与传统做法是不一样的为设计针对性的射孔枪系统创造良好的PURE效果射孔专家利用专有软件模拟瞬态压力动态下一页图该软件模拟射孔过程中瞬态压力波的产生和传播过程并预测井内任一点的井筒压力根据井筒具体条件和射孔枪硬件系统设计独特射孔枪串因为装在射孔枪上的压力计几乎 9. Heiland 等人参考文献6 1. Heiland 等人参考文献6

不能承受引爆的影响所以该模型提供了模拟压力曲线或根据远离井下装置安装的压力计记录的数据通过外推来预测射孔枪处的井筒压力通过研究射孔过程中发生的瞬时动力说明设计射孔系统时考虑井筒油藏枪系统及其他外部因素是非常重要的通过充分利用井下硬件产生的各种动力使动态负压射孔方法获得更好的射孔效果并提高井的产能下一页左上图克服环境挑战距加拿大纽芬兰省海岸线35公里

8 不能承受引爆的影响所以该模型提供了模拟压力曲线或根据远离井下装置安装的压力计记录的数据通过外推来预测射孔枪处的井筒压力通过研究射孔过程中发生的瞬时动力说明设计射孔系统时考虑井筒油藏枪系统及其他外部因素是非常重要的通过充分利用井下硬件产生的各种动力使动态负压射孔方法获得更好的射孔效果并提高井的产能下一页左上图克服环境挑战距加拿大纽芬兰省海岸线35公里 22英里的Terra Nova油田的产层是断裂高度发育的侏罗纪砂岩储层该油田的井都是用移动式海上钻井系统 MODU 钻成水下完井系统连接至浮式生产储油卸油 FPSO 船上油藏压力压力枪1 枪2 枪3 压力计1 压力计时间秒 ^ PURE Planner软件 PURE Planner软件的输入数据为井筒条件输出结果为射孔枪串设计上还可提供单枪及沿井筒预定位置处的预测压力历史资料下图给出的是一个三枪射孔枪串的压力响应曲线黑绿和红色曲线虽然在射孔枪处形成了动态负压条件但井口压力计测得的压力响应并不像射孔枪处的压力响应那么明显黄色和浅蓝色曲线可将这些数据与引爆过程中和引爆后采集的井下压力数据进行拟合从而验证和量化被射孔段的动态负压下一页右上图 [11] 为达到最高采收率在制定油田开发计划时需要考虑钻进高产能生产井-注入井对标准做法是用114.3毫米 41/2英寸的电缆传送射孔枪装填32克炸药对生产井进行射孔通常每口井需要六次下入才能完成整个射孔作业第一次入井时静态负压井内静压小于地层压力是通过液柱保持的为使以后入井过程中达到负压条件须在MODU上燃烧火炬气这种射孔方案本身存在的多次返排现象不仅造成了产出油浪费还因液体的排放加大了环保风险虽然结果令人满意但产量的浪费和环境风险的增加促使作业者寻求使用其他更好的完井方法在Terra Nova 油田提议首先对注入井用PURE系统进行动态负压射孔试验选择射孔的井第一次下射孔枪时保持轻微负压随后几次下枪射孔 11. Baxter D McCausland H Wells B Mishra VK 和Behrmann L Overcoming Environmental Challenges Using Innovative Approach of Dynamic Underbalance Perforating SPE 发表在SPE欧洲海上会议上阿伯丁 27年9月 4-7日 29 年秋季刊 11

动态负压射孔平衡压力射孔 ^ 移动式海上钻井系统 MODU 和浮式生产储油卸油船 FPSO 加拿大石油公司使用MODU 右对Terra Nova油田的井进行钻井和完井产出油被输送到储油船上然后运到陆上为获得井下负压条件在FPSO船左上把产出的油烧掉同时在MODU上进行射孔作业射孔后在油流动的情况下进行了生产测井这部分产出的油也必需烧掉

为以后的射孔作业做准备而无需在每次下枪射孔时使地层井内流体流到MODU 在MODU上燃烧火炬只需进行一次就可回收完井液和射孔碎屑这是井投产前必需进行的准备工作在注水井钻井由于进度变化而推迟的情况下作业公司决定在一口生产井中采用PURE系统对于第一口井进行了6次电缆射孔第一次射孔过程中快压力计记录的数据表明静态负压达到了4.

9 MPa 15 随后的五次都是在平衡压力下进行射孔第四次射孔记录的压力资料显示初始为平衡状态但射孔后动态负压达到了16.4 MPa 2379 psi 出现短促的正压脉冲平衡压力射孔或初始正压射孔井的典型状态之后即出现了预期的瞬时负压条件所有射孔过程中没有进行火炬燃烧下一页上图.7.8.

9 动态负压射孔平衡压力射孔 ^ 移动式海上钻井系统 MODU 和浮式生产储油卸油船 FPSO 加拿大石油公司使用MODU 右对Terra Nova油田的井进行钻井和完井产出油被输送到储油船上然后运到陆上为获得井下负压条件在FPSO船左上把产出的油烧掉同时在MODU上进行射孔作业射孔后在油流动的情况下进行了生产测井这部分产出的油也必需烧掉图片的使用得到Suncor能源公司的许可 ^ 更大更干净的射孔孔道模拟井下环境对岩样进行了射孔试验采用PURE射孔技术得到的结果如上图所示无动态负压条件下的射孔结果如下图所示两种方法在套管上的射孔入口和穿透深度都相似但采用动态负压射孔系统能够把射孔产生的碎屑从孔道中清理出去时为平衡压力射孔枪设计能够产生动态负压条件同时能够清理射孔孔道为以后的射孔作业做准备而无需在每次下枪射孔时使地层井内流体流到MODU 在MODU上燃烧火炬只需进行一次就可回收完井液和射孔碎屑这是井投产前必需进行的准备工作在注水井钻井由于进度变化而推迟的情况下作业公司决定在一口生产井中采用PURE系统对于第一口井进行了6次电缆射孔第一次射孔过程中快压力计记录的数据表明静态负压达到了4.77 MPa 69 psi 射孔后最大动态负压达到了12.9 MPa 187 psi 随后维持3.2 MPa 464 psi 的负压将近.55秒在此期间射开的孔道被彻底清理干净下图第四次下枪静态负压 > 4 MPa 3 压力, MPa 压力, MPa 第一次下枪时间秒动态负压 = 12.9 MPa 15 随后的五次都是在平衡压力下进行射孔第四次射孔记录的压力资料显示初始为平衡状态但射孔后动态负压达到了16.4 MPa 2379 psi 出现短促的正压脉冲平衡压力射孔或初始正压射孔井的典型状态之后即出现了预期的瞬时负压条件所有射孔过程中没有进行火炬燃烧下一页上图动态负压 = 16.4 MPa 时间秒 ^ 射孔过程中快压力计记录的井下压力资料左图是第一次下入射孔枪记录的压力数据初始静态负压为4.77 MPa 低于油藏压力绿色射孔后动态负压达到12.9 MPa 这种高负压维持了一段时间帮助清理射孔碎屑右图是第4次下入射孔枪记录的压力数据这次射孔是在达到初始静压平衡条件后进行的射孔后动态负压达到16.4 MPa 2379 psi 根据Baxter等人的资料修改参考文献

10 ,2 体积米3 1,2 累积体积米3 体积米3 油流累积体积油流累积体积 8 4 无需流动射孔1 射孔2 射孔3 射孔4 射孔5 生产测井射孔1 射孔2 射孔3 射孔4 射孔5 射孔6 清理和生产测井 ^ 减少火炬燃烧降低环境风险以往常在每次射孔过程中在地面将产出的油烧掉在完成射孔作业后进行生产测井左采用上述措施烧掉的油体积在126方 7975桶以上用PURE系统进行射孔且将流出油输送到FPSO船清理其中的碎屑然后进行生产测井采取这一方法使燃烧掉油的体积减少44% 右这一做法降低了产出油外溢的可能性同时减少了环境影响根据Baxter等人的资料修改参考文献11 首次对三口注水井两口生产井采用PURE系统进行动态负压射孔试验就实现了较高的射孔效率和有利的环境保护两方面的好处射孔井回流携带很少的碎屑因此可以直接将产出液输送到FPSO船进行清理和生产测井这样就不需要火炬燃烧 PURE技术减低了环境风险并避免了射孔过程中因把产出油燃烧掉造成的损失从而还减少了浪费因为不在MODU上燃烧火炬大大减少了作业时间从而使整体作业效率得到提高正压中的负压中国南海惠州油田目前正处于开中国香港海南 HZ19-2 HZ19-3 HZ21-1 HZ26-1N HZ32-3 HZ /19区块 HZ32-2 km HZ /8区块 1 mi 1 ^ 中国南海惠州油气田 CACT作业者集团对惠州油气田进行了开发该油气田产层是叠层状高渗砂岩层层间夹有低渗透率层 CACT正在开发的油田如图所示 29 年秋季刊发阶段开发者是CACT作业者集团包括埃尼中海油和雪佛龙三家公司左下图生产层是叠层状高渗砂岩薄层中间夹杂低渗层过去一般先对浅层进行射孔完井因为浅层比深层渗透性好渗透率较低的深层砂岩经历了钻井泥浆较大程度的入侵现在也正在开发要有效射开这部分地层需要穿透深度大的射孔弹穿过钻井污染带[12] 降低地层污染的方法包括采用尽量减少泥浆入侵的钻井方法使用无污染完井液采用尽量降低地层损害的射孔方法尽管经过了以上种种努力采用传统静态负压射孔技术在很多井中还是造成了较高的表皮系数井的产能也表现不佳因为储层由很多层组成只有第一层能用电缆传送枪在静态负压条件下射孔其他产层都是在压力平衡或正压状态下进行射孔利用油管传送射孔系统 TCP 可以在一个以上单层实现静态负压射孔虽然在产层较厚的条件下可用 TCP技术但针对惠州油田产层之间跨度较大的情况用电缆传送射孔枪进行射孔经济上较划算通常做法是用电缆传送套管枪在轻微正压条件下射孔这样形成的正表皮系数是可以接受的但射孔后侵入的清洁完井液如盐水或固体含量高的压井液入侵地层造成表皮系数更高从而使 13

11 电缆射孔技术是无法达到如此低的表皮系数的该油田其他井的表皮系数均在+2 +5之间在低渗砂岩储层使用动态负压 14 试验井多层多流量储层测试结果第一层第二层第三层第四层垂向厚度米孔隙度 % , , ,726 3, , , 储层压力 psi 有效渗透率 md 测井资料估算的渗透率 md Sp + Sd 完井表皮系数 ^ 多流量试井结果用来标定PURE系统的测试层较薄 3.2米或以下且有效渗透率变化很大 md 表皮系数约为到 1 包括射孔表皮系数 Sp 和动态表皮系数 Sd 如此低的表皮系数用常规电缆射孔系统是无法实现的射孔技术实现了零到负表皮系数的目标高渗层也受益于该射孔系统其生产指数的提高程度甚至高于低渗层下图射孔效果的整体改善最终促使CACT同意在该油田更多井中使用动态负压射孔技术砾石充填射孔弱胶结地层常常出砂从而降低采收率损害地面设备增加维修成本在诸多防砂和出砂管理方法中砾石充填是最常用的一种 [13] 在马来西亚西部Abu Cluster油田 PETRONAS Carigali实施了砾石充填技术充填前先射开干净的孔道该油田的储层渗透率特别高为 D 流量也很高达到5桶/日存在很高的出砂风险工程师对能够尽量降低出砂的最佳生产措施进行了调查要有效充填防砂砾石套管上射 1.4 归一化PI 桶/日/psi/cP/英尺问题进一步恶化在一次用PURE系统进行射孔的试验中共对几个渗透率不同的层利用无污染完井液进行射孔目标是表皮系数为零也就是说不造成完井液或射孔污染研究人员研究了以前所用完井液造成的地层损害并推荐用甲酸钾代替盐水甲酸钾在射孔形成的孔道岩石表面形成一层密封控制完井液进入地层当产出液流入井筒时可把这层甲酸钾密封清除掉模拟试验表明在形成甲酸钾密封前首先清理孔道中的碎屑非常重要研究人员还发现正压条件是形成有效密封的一个必要条件 PURE系统提供了以下两种可能优势清理孔道的动态负压条件和形成甲酸钾密封的静态正压条件为确定动态负压系统基于甲酸钾完井液的基准数据油藏工程师挑选了一口利用清洁完井液进行了正压射孔的井目的是将该井的生产指数 PI 与采用新型完井液和动态负压系统射孔的井的生产指数进行对比由于这些井的产层厚度不同渗透率不同井斜度不同因此在进行对比之前需进行归一化处理分析人员对该井的生产特征进行了评价并计算了生产指数应用与两口井特征差异一致的归一化系数他们确定如果采用传统完井方法新井的生产指数可能达到13.2桶/日/磅/ psi.23方/日/kpa 用动态负压技术射孔后该井的生产指数达到25桶/ 日/磅/psi.43方/日/kPa 与传统完井方法相比动态负压完井技术大大提高了生产指数对新井进行多层产量分析后估算出低渗透率 9 md 层的表皮系数几乎为零另一个高渗透率层的表皮系数为.97 右上表采用常规 DUB系统表皮系数 = 1 常规系统表皮系数 = , 1,2 有效渗透率 md ^ PI得到提高 PURE系统射孔能够实现零或负表皮系数从而提高井的生产指数与常规系统红色相比 PURE系统蓝色对生产指数的提高在高渗砂岩层效果更明显但提高低质量砂岩层生产指数的需求更强烈根据Pizzolante等人的资料修改参考文献 Pizzolante I Grinham S Xiang T Lian J Khong CK Behrmann LA和Mason S Overbalanced Perforating Yields Negative Skins in Layered Reservoir SPE 1499 发表在SPE国际油气会议暨展览会上中国北京 26年12月5-7 日 13. 关于防砂管理更多的信息请参见 Carlson J Gurley D King G Price-Smith C和Waters F Sand Control Why and How? Oilfield Review 4卷第4期 1992年1月 J Andersen G Kaneko T Venkitaraman A Lopez-de-Cardenas J Nishi M Numasawa M Yoshioka K Roy A Wilson A和Twynam A 实用防砂和控砂方法 16 卷第1期 24年春季刊 1-27 Armentor RJ Wise MR Bowman M Cavazzoli G Collin G Rodet V Holicek B King G Lockyear C和Parlar M 二次防砂油田新技术 19卷第2期 27年夏季刊 4-13 Acock A ORourke T Shirmboh D Alexander

筛管套管水泥射孔后应立即进行预充填 [14] 预充填在主充填阶段执行前进行但是如果不首先清理射孔孔道碎屑就进行预充填很可能使产量明显下降射孔措施效率低下提前开始出砂 [15] 现地层砂充填砾石和地层砂的孔道预充填砾石的孔道 ^ 洁净的砾石充填射孔孔道理想的砾石充填孔道应充填砾石几乎没有地层砂下如果地层砂和砾石混合充填到孔道中上产量就会下降

44 MPa 5 psi 或更低射开的孔道常常是无规律的或者孔道中充填不渗透碎屑下图经验表明在负压条件下射孔可能导致砂层破碎形成砂流并可能卡住射孔枪其结果是必须进行高成本的打捞作业才能使枪串解卡对低UCS地层进行砾石充填时不渗透碎屑 ^ 弱固结岩石及无射孔孔道现象 PERF实验室研究结果表明在弱固结岩石中难以形成射孔孔道形成的孔道通常不规则且被碎屑充填 14.

Jain S Tibbles R Munro J Suppiah R和Safin 29 年秋季刊 N Effective Perforating and Gravel Placement Key to Low Skin Sand-Free Production in Gravel Packs IPTC论文12581 发表在国际石油技术会议上吉隆坡 28年12月3-5日有几种预充填技术

12 筛管套管水泥射孔后应立即进行预充填 [14] 预充填在主充填阶段执行前进行但是如果不首先清理射孔孔道碎屑就进行预充填很可能使产量明显下降射孔措施效率低下提前开始出砂 [15] 现地层砂充填砾石和地层砂的孔道预充填砾石的孔道 ^ 洁净的砾石充填射孔孔道理想的砾石充填孔道应充填砾石几乎没有地层砂下如果地层砂和砾石混合充填到孔道中上产量就会下降提前出砂的可能性也会大大增加对射孔孔道进行适当预充填有利于更好地进行射孔孔道砾石充填开的孔入口一定要大射开的孔道一定要延伸到砂层射开的孔道必须用砾石充填形状较好且充填均匀的孔道其作用相当于颗粒过滤网这个滤网使井筒与储层之间相互连通同时阻止出砂上图在PERF实验室在低 UCS地层进行射孔试验这种地层的岩石强度一般为3.44 MPa 5 psi 或更低射开的孔道常常是无规律的或者孔道中充填不渗透碎屑下图经验表明在负压条件下射孔可能导致砂层破碎形成砂流并可能卡住射孔枪其结果是必须进行高成本的打捞作业才能使枪串解卡对低UCS地层进行砾石充填时不渗透碎屑 ^ 弱固结岩石及无射孔孔道现象 PERF实验室研究结果表明在弱固结岩石中难以形成射孔孔道形成的孔道通常不规则且被碎屑充填 14. Ott WK和Woods JD Modern Sandface Completion Practices Handbook 第一版休斯敦海湾出版公司 23年 15. Jain S Tibbles R Munro J Suppiah R和Safin 29 年秋季刊 N Effective Perforating and Gravel Placement Key to Low Skin Sand-Free Production in Gravel Packs IPTC论文12581 发表在国际石油技术会议上吉隆坡 28年12月3-5日有几种预充填技术但大多数都需要多次入井且耗费时间 TRUST瞬时快速负压冲洗技术是基于对非固结地层射孔动态特征的充分了解而开发的射孔技术这种技术能为砾石预充填形成干净的孔道利用能够渗入地层的无污染携带液把砾石输送到孔道中 TRUST系统的核心是井下气室以及靠环空压力启动的上下阀位于枪串上面根据实验室研究总结出的工作方法专家确定气室的容积以便为每次射孔提供固定的向井流量气室的容积应足以清除射开孔道中的碎屑并将地层砂流限制到一定程度射孔作用中枪串上的射孔封隔器也帮助进行流量控制射孔队将射孔装置下入井中进行深度对比并坐封封隔器射孔后保持正压状态可以抑制出砂而出砂能够使射孔装置卡在射孔深度上射孔枪引爆后封隔器打开枪串和冲洗装置重新定位在射孔层段之上液柱重量足以维持砾石携带液进入地层同时监测和记录漏失量下面的阀打开之前封隔器再次关闭隔离上面的液柱下面的阀打开后立即形成负压冲洗波将孔道中的碎屑清理出去为使射孔层段下面的固相沉淀下来让井静止一段时间然后打开上面的阀液柱产生的静压作用到被冲洗的孔道并再次监测漏失量比较射孔后的即时流量和反冲洗后的漏失速度可以了解清理范围和井筒与地层间的连通情况使气室靠近射孔层段能在井筒内形成最大压降但是如果太近流砂会卡住井下射孔枪系统工程师对气室容积进行预设以降低过多出砂的可能性减少产出砂的向上流动量减少经过射孔枪系统的砂量同时调 15

13 B井的充填系数为5 表明因为天气原因推迟的1天期间孔道可能坍塌这一结果说明射孔后立即进行预充填对实现最佳充填效果非常重要 TRUST技术提供了一种对低UCS 储层进行砾石充填的有效方法充填系数高井的生产动态就有改善表现为归一化后的生产指数提高 TRUST技术的另一个优点是克服了常规负压射孔技术本身固有的砂卡射孔 16 压力 psi 1, 注入酸液后压力降低 3 砾石段塞进入孔道后压力上升 A 第一段 2 第二段 B C 第三段 D 泵入速度桶/分和含量 ppa 泵速桶/分钟处理压力 psi 环空压力 psi 砾石含量 ppa 1,5 处理时间分钟 ^ TRUST 预充填和砾石充填方法的压力曲线图中压力数据说明了典型TRUST 系统的工作进程井射孔后经过气室冲洗然后用无污染盐水携带砾石进行预充填采用一致的泵入速度绿色曲线并分阶段泵入处理液和砾石泵入每段预充填砾石段塞前环空压力的下降 A 是泵入酸液清理防漏失液并进一步清理孔道的结果接下来将每加仑清液加1磅支撑剂段塞泵入井中 B 然后循环盐水把没有进入孔道的砾石清理出来再用2 ppa砾石段塞重复盐水-酸液-段塞循环两次 C和D 预充填后是主要砾石充填阶段图中未显示出根据Jain 等人的资料修改参考文献归一化PI 桶/日/psi 归一化PI 桶/日/psi 整射孔枪系统的位置以降低枪被卡住的风险在Abu Cluster油田的井中每次射孔气室容积的流量为.5加仑 2升 TRUST技术的下一步通常是向井中定点注入漏失液建立允许的漏失速率确保能够安全起出射孔系统并将砾石充填系统顺利下入井中然后开始泵入一系列酸液盐水和砾石段塞清理漏失液预充填射孔孔道最后泵入全部砾石充填处理液取出砾石充填工具并将生产管柱下入井内右上图为验证TRUST技术 PETRONAS Carigali对Abu Cluster油田四口井的完井结果进行了对比分析作业公司对 A井进行了完井处理冲洗孔道并采用常规大流量水力充填技术携带液粘度不足无法沿射孔孔道形成足够的压降 B井进行预充填但冲洗后立即关闭该井原因是恶劣天气需要进行撤离 1天后开始砾石充填施工 C井和D井都采用TRUST技术进行完井 C井有两个层段一个是气层另一个是油层 D井是一口油井 C井和D井均比A井充填系数高得多 A井是采用常规技术进行完井的充填系数是一个质量平衡计算结果是通过比较预充填过程中泵入的砂体积和砾石充填施工过程中泵入的砂体积得到的充填系数反映实际进入射孔孔道中的砾石量与生产指数有关用TRUST技术处理过的井的生产指数都比用常规技术处理的另外两口井的生产指数高得多右下图 A井 B井 C井 D井 27磅/英尺 8磅/英尺 5磅/英尺 38磅/英尺充填系数磅/英尺 ^ 充填系数得到改善共有四口井经过了射孔和冲洗作业公司对A井用高流量水力充填进行砾石充填绿色 B井的充填效果红色因天气原因推迟了1天而受到影响 C井浅蓝色和D井蓝色的充填系数比A井和B井高得多充填系数经过渗透率和层厚归一化处理后直接反应PI值右通过这些点的直线斜率黑色表明用砾石预充填后的每英尺射孔PI增加了.22桶/日/psi B井的充填系数低说明射孔后应立即进行预充填的重要性根据Jain等人的资料修改参考文献15 枪的风险未来的发展动态负压射孔技术指的是在聚能射孔弹引爆后形成负压条件的技术方法动态负压射孔是从当前正在研究和应用的动态负压射孔技术基础上发展而来的新技术随着科研不断探索射孔过程中发生的瞬时效应还会出现射孔技术的创新应用和方法在酸液环境下进行正压射孔形成的初始动态负压条件有利于清理孔道然后立即注入酸液对孔道进行处理结合压井液进行射孔是一项更加安全的作业用PURE气室打开现有孔道能够改善老井的生产动态 PURE气室形成的压降能够帮助清理生产动态不佳井套管上的结垢并能够击碎通畅孔道中的积垢工程人员正继续开发新技术以充分发挥动态负压技术的作用业界还在研究如何开发出更好的聚能射孔弹但PURE射孔技术表明要有效改善井的生产动态需要综合考虑整个系统包括井筒地层聚能射孔弹和井下硬件等动态负压射孔技术给业界提供了取得更大成功的一套系统 TS

<3039C7EFBCBEBFAF2E696E6464>

<3039C7EFBCBEBFAF2E696E6464> 29 年秋季刊白云岩油气藏动态负压射孔实时压裂监测开放式编程界面 9-R-4-C 白云岩难题白云岩作为含油沉积层序的一部分受到行业的专注, 并且白云岩与一些铅锌矿床有关, 在 2 世纪 5 年代, 这两个因素在很大程度上成为人们广泛开展白云岩研究的推动力然而, 在 1957 年, 随着一篇题为白云岩难题文章的发表, 迅速出现了许多围绕白云岩成因问题的争议 [1] 在此之前, 针对白云岩的争议已不是什么新鲜事,