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射孔完井过程中的油气层保护技术doc
发布时间:2018-06-18 18:37

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  射孔完井过程中的油气层保护技术 (1.西部钻探钻井工程技术研究院 2.吐哈油田勘探开发研究院) 『摘 要』在射孔完井的油气井中,射孔孔眼是沟通油气产层和井筒的唯一通道,采用合理的射孔工艺及射孔液对油气井产能的高低起着至关重要的影响。文章分析了射孔过程中射孔液、射孔参数、射孔时压差不合理等因素对油气层产能的影响,详细介绍了常用的几种射孔完井方式及射孔液体系,并简单介绍了目前射孔完井技术的一些新进展。 『关键词』射孔完井 油气层损害 正压差射孔 负压差射孔 射孔液 1 前言 射孔完井是国内外应用最为广泛的一种油气井完井方法,大约占完井总数的90%以上。射孔过程一方面是为油气流建立若干沟通油气层和井筒的流动通道,另一方面又会对油气层造成一定的损害。因此,射孔完井工艺对油气井产能的高低影响较大,如果射孔工艺和射孔参数选择恰当,可以使射孔对油气层的损害程度减到最小,而且还可以在一定程度上缓解钻井过程中对油气层的损害,从而使油井产能恢复甚至达到天然生产能力。如果射孔工艺和射孔参数选择不当,射孔本身就会对油气层造成极大的损害,甚至超过钻井过程中对油气层的损害,从而使油井产能很低,这些井的产能将只有天然生产能力的20~30%,甚至完全丧失产能,国内外的生产实践已经证明上述论点是完全正确的。 2 射孔对油气层的损害 射孔对油气层的损害,可归纳为以下几个主要方面:成孔过程对油气层的损害、射孔参数不合理或油气层打开程度不完善对油气层的损害、射孔压差不当对油气层的损害、射孔液对油气层的损害。 2.1成孔过程对油气层的损害 聚能射孔弹将套管、水泥环及部分储层击穿后,形成孔眼,与此同时形成压实带。华北油田与西南石油大学联合进行了射孔岩心靶损害机理的研究。利用一种特殊的溶液向射孔后的岩心驱替,然后用某种试剂滴定,可明显地观察到孔眼周围存在一圈颜色变异的压实带(如图2-1所示),R.J.Sanucier的研究表明,在孔眼周围约0.5″厚的压实带处,渗透率仅为原始渗透率的10%,这个渗透率极低的压实带将极大地降低射孔井的产能。 图2-1 射孔孔眼的损害带显微成像图 2.2射孔参数不合理或油气层打开程度不完善对油气层的损害 射孔参数是指孔密、孔深、孔径、布孔相位角、布孔格式等。若射孔参数选择不当,将引起射孔效率的严重降低。以0°相位角布孔所形成的井底流线所示),从图中可见,在离井筒较远处是径向流。从水平面内观察,流体是径向流入井筒;从垂直面内观察,流线是平行于油气层的顶部和底部。但从井筒附近的某处开始,出现流线的汇集而变为非径向流。再靠近井筒的某一位置,流线开始汇集流向孔眼,因套管、水泥环的封闭成为流动障碍,故在垂直面内的流线也不再平行于油气层顶部和底部了,在水平面和垂直面内流线都汇集于孔眼,附加压降急剧增加。 图2-2 0°相位角布孔所形成的井底流线 部分射开射孔区的汇流 射孔参数越不合理(孔密过低、孔眼穿透浅、布孔相位角不当等),产生的附加压降就越大,油气井的产能也就将越低,上述情况称为打开性质不完善井。由于种种原因,油气层有可能不宜完全射开(图2-3所示),油层有气顶和底水,油层段仅射开中间1/3。由于可供流通的孔眼集中在1/3的油层段内,从而使得井底附近的流速更高、附加阻力更大,这种情况称为打开程度和打开性质双重不完善井。 2.3射孔压差不当对油气层的损害 所谓射孔压差是指射孔液柱的回压与油气层孔隙压力之差。若采用正压差射孔(射孔液柱回压高于油气层孔隙压力),在射开油气层的瞬间,井筒中的射孔液就会进入射孔孔道,并经孔眼壁面侵入油气层。而采用负压差射孔在成孔瞬间由于油气层流体向井筒中冲刷,对孔眼具有清洗作用。既可以减少射孔作业中滤液的侵入、固相物质的堵塞以及滤液可能对底层发生的化学反应,又可及时清洗射孔孔眼。在负压射孔中,只要负压值控制合理,油井的产能将能得到较大的发挥,对提高产能,降低成本和保护油气层有相当重要的作用。但因地层敏感性等因素具有不确定性,无论采取哪种射孔压差,都有可能引起油气层的损害(如表2-1所示),必须科学合理的制定射孔工艺及压差的大小。 表2-1 射孔压差选择不当对油气层可能引起的损害 射孔压差选择不当 正压差射孔( P液≥ P孔) 负压差射孔( P液≤ P孔) 可能引起的损害 1、射孔液进入射孔孔道,侵入油层; 2、“压持效应”使孔眼被固相颗粒、射孔弹残渣堵塞; 3、形成K很低的压实损害带(尤其是气层)。 1、若负压差过大,引起地层出砂、坍塌; 2、套管挤毁; 3、封隔器失效。 2.4射孔液对油气层的损害 射孔液对油气层的损害包括固相颗粒侵入和液相侵入两个方面,固相颗粒的侵入,将会堵塞孔眼和储层孔喉;液相侵入,将会产生粘土水化膨胀、结垢、水锁等多种损害。侵入的结果将降低油气层的绝对渗透率和油气相对渗透率。如果射孔弹已经穿透钻井损害区,此时射孔液的损害不但将使井底附近的地层在受到钻井液损害以后,再进一步受到射孔液的损害,而且将使钻井损害区以外未受钻井液损害的地层也受射孔液的损害。因此,射孔液的不利影响有时要比钻井液更为严重。因此,应根据油气层物性,通过室内筛选,选择既能与油气层配伍,又能满足射孔施工要求的射孔液。 3 保护油气层的射孔完井技术 射孔完井的产能效果取决于射孔工艺和射孔参数的优化配合。射孔工艺包括射孔方法、射孔压差和射孔液。 3.1正压差射孔的保护油气层技术 在井口敞开的情况下的射孔工艺是正压射孔,所用工具简单,无外喷危险,由于会对产层有较大的污染,目前在国外已基本停止使用。但并不是说在任何油气井条件下都可以实施负压差射孔,在某些油气井条件下,仍然需要采用正压差射孔工艺。 正压差射孔的保护油气层技术,主要有两个方面:一是应通过筛选实验,采用与油气层相匹配的无固相射孔液;二是应控制正压差不超过2 MPa。 3.2负压差射孔的保护油气层技术 在井筒中的液柱压力低于产层压力时进行射孔的工艺是负压射孔,它可以使射孔孔眼得到“瞬时”冲洗(图3-1所示),形成完全清洁畅通的孔道;可以有效避免射孔液对油气层的损害;可以免去诱导油气流工序,甚至也可以免去解堵酸化投产工序。因此,负压差射孔是一种保护油气层、提高产能、降低成本的完井方式。 负压差射孔的保护油气层技术,也可分为两个方面:一是和正压差射孔一样,也应通过筛选实验,采用与油气层相配伍的无固相射孔液;二是应科学合理地制定负压差值。 图3-1 负压射孔与平衡射孔模拟实验成像对比 3.3合理射孔负压差值的确定 负压差射孔时,首先应考虑确保孔眼清洁所必须满足的负压差值。若负压差值偏低,便不能保证孔眼完全清洁畅通,降低了孔眼的流动效率。但若负压差值过高,有可能引起地层出砂或套管被挤毁,因此,必须科学合理地确定所需的负压差值。 3.3.1最小负压值的确定 最小负压值与地层的渗透率有关,地层的渗透率越大,所用的最小负压值就可越小。最小负压值可用下式计算: 3.3.2最大负压值的确定 最大负压值与地层岩石所能承受的最大压力有关。最大负压值是井筒不出砂时的压力值,可按声波时差确定。当DTas≥300μs/m时,经验公式: 3.3.3射孔时负压值的确定 合理负压值可根据室内射孔岩心靶负压试验,经验统计准则或经验公式确定,但目前最流行的是美国Conoco公司的计算方法: 若储层无出砂历史,则: 若储层有出砂历史,则: 式中:;; ;; 。 美国岩心公司的射孔负压参数选择如下表(表3-1),一般,高渗透岩层,产液可采用负压值1.4~3.5MPa;产气可采用6.9~13.8MPa;低渗透区可采用上值的2倍。 表3-1 射孔时的负压值选择 渗透率/(10-3μ㎡) 负压值△p的范围/MPa 油 层 气 层 K100 1.4~3.5 6.9~13.8 10K≤100 6.9~13.8 13.8~34.5 K≤10 13.8 34.5 3.4保护油气层的射孔液 射孔液是射孔作业过程中使用的井筒工作液、有时它也用于射孔作业结束后的生产测试及下泵等压井液。对射孔液的基本要求是:保证与油气层岩石和流体相配伍,防止射孔作业过程中和射孔后的后继作业过程中,对油气层造成损害。同时应满足射孔及后继作业的要求,即应具有一定的密度、具备压井的条件。并应具有适当的流变性以满足循环清洗炮眼的需要。目前国内外使用的射孔液主要有七种体系(表3-2)。 表3-2 国内外常用的七种射孔液体系及其特点 名称 组成 特点 无固相清洁盐水 由无机盐类、清洁淡水、缓蚀剂、pH调节剂和表面活性剂等配制而成。 优点:基本无固相损害;可抑制水敏损害;液相粘度低,易反排。缺点:对清洗的要求高(罐车、管线、井筒等);滤失量较大,对易漏储层不宜;粘度低,清洗炮眼效果较差。 阳离子聚合物粘土稳定剂射孔液 清洁淡水或低矿化度盐水加阳离子聚合物粘土稳定剂配制而成 除具有清洁盐水的优点外,还克服了清洁盐水稳定粘土时间短的缺点,对防止后续生产作业过程的水敏损害具有很好的作用 无固相聚合物盐水射孔液 在无固相清洁盐水的基础上添加高分子聚合物配制而成。 提高粘度,降低滤失量,可提高清洗炮眼的效果。一般不宜在低渗透油气层中使用。仅宜于在裂缝性或渗透率较高的孔隙性油气层中使用。 暂堵性聚合物射孔液 由基液、增粘剂和桥堵剂组成。 可进一步降低滤失量,投产后可解堵。最大优点是对循环线路的清洗要求低,这对取水较难的陆地油田,特别是缺水的西部油田更为适用。 油基射孔液 柴油+添加剂 可避免水敏、盐敏损害;但配制成本高、因而较少使用;应注意防止润湿反转、乳化堵塞及有机垢堵塞。 酸基射孔液 由醋酸或稀盐酸与缓蚀剂等添加剂配制而成。 可使存在于孔眼内的堵塞物以及孔眼周围的压实带得到一定程度溶解,减小油气流动阻力;不宜在酸敏性储层使用;不宜在H2S含量较高的储层使用;应注意防腐蚀(设备、管线、井下管柱等)。 隐型酸完井液 过滤海水或过滤盐水+粘土稳定剂(如PF-HCS)隐形酸螯合剂(如PF-HTA)+防腐杀菌剂(如CA-101)+密度调剂(如NaCl CaCl2等) 利用酸解除由于各种滤液不配伍在储层深部产生的无机垢、有机垢沉淀;利用酸性介质防止无机垢、有机垢的形成;利用酸解除酸溶性暂堵剂、有机处犁剂对储层的堵塞和损害;利用螯合剂防止高价金属离子二次沉淀或结垢堵塞和损害储层。 4 射孔完井技术新进展 射孔弹射孔技术污染和孔道边壁的压实是不可避免的,新的射孔方式是为在复杂的储层射孔或为降低射孔的污染而出现的。 4.1射孔压裂技术 射孔时用电击发的方式先将射孔弹击发,聚能射孔气流将地层岩石射开,延迟微秒或毫微秒级的时间,将高压气体发生剂点燃,冲出高压气体,高压气将孔道的压实带压裂并在孔道周围压出径向的裂缝,有的气体发生剂中含有固体颗粒可随气体冲进裂缝,起支撑作用。这种射孔技术称为射孔压裂技术。 4.2水力喷砂射孔 在高压水射流中加入石英砂,从喷嘴中喷出的是水与砂粒的混合物,形成磨料射流。磨料射流有高压水射流的特点,流体不仅具有高速度、大冲击力,而且携带很大的能量;又有磨料的特性,高速运动的坚硬的固体粒子对固体有极强的磨削作用。磨料射流能切割坚硬的固体材料,用磨料射流射孔称为水力喷砂射孔。 4.3高压水射流射孔 该技术是将射孔液以极高的压力从喷嘴中高速喷出形成高压水射流,利用射流的强大冲击力将地层岩石冲蚀成孔。当送入高压水时,液压系统开始工作,将由硬质合金制成的冲头顶向套管,在极高的压力下,冲头将套管钢材压开裂缝。冲头一边压套管,一边喷射高压水。当水的压力足够大时,可将已裂开缝的套管冲蚀成洞。冲头前进到一定位置时停止,内藏的软管在液压作用下向套管方向伸出,边伸且边喷出高压水。软管在液压作用下前进,冲开水泥石和地层,形成孔洞,软管可以在地层内前进一段距离,形成射孔孔道。 4.4激光射孔 在地面上装置大功率激光发射器,发出强激光,用光缆将激光导向井下,在井下用激光接收器接收激光,并转射到射孔位置。激光束被聚焦成细的光束射在套管壁上,高功率的光束射开套管和地层岩石,可形成孔径为10毫米左右的孔,目前该工艺还在进一步试验及完善。 参考文献: 陈凤,刘文苹等.大庆油田射孔完井过程中的油层保护技术.中外能源.2006年第11卷。 刘玉坤,韩秋等.优化射孔完井工艺提高油井产能.大庆石油地质与开发.2006年第25卷。 王海东,孙新波等.国内外射孔技术发展综述.爆破器材.2006年第35卷第3期。