动态负压射孔技术研究及在渤海油田的应用

张艺耀,冯 硕,李 进,谭绍栩,孙帅帅,张 润

(中海石油(中国)有限公司 天津分公司，天津 300459)

渤海油田近几年65%的油水井采用套管射孔方式，使流体从地层中流出或将流体注入地层，且有相当数量的井为大斜度井、大位移井。常规聚能套管射孔时地层中的岩石颗粒被破碎，在射孔孔道周围形成了渗透率较低的射孔压实带，且破碎颗粒在压力作用下发生运动，有堵塞孔隙的可能，影响孔眼的流动效率，很大程度上影响了产能[1]。为了降低或消除射孔造成的损害，完井射孔作业中广泛应用静态负压射孔技术，这种技术是通过掏空管柱内的液体，使井筒静态压力低于相邻地层压力，希望通过地层流体流动冲刷压实带及碎屑来获得清洁的射孔孔道，但该技术无法确保得到清洁的射孔孔眼。研究发现控制射孔清洁度的因素并不是初始的负压值，而是射孔弹起爆后瞬间井眼内的压力波动。根据这一认识，研究了一种新的负压射孔技术，即动态负压射孔技术。该技术是通过特殊的射孔设计，专门的负压弹、射孔弹和射孔枪的组合，在负压较低或正压条件下产生一个瞬时较大的动态负压值，显著提高孔眼的岩心流动效率。动态负压射孔技术近年在世界多个油田得到了应用，结果证明该技术是有效的。目前，海上油田缺乏该技术的应用经验，因此，针对渤海油田开展动态负压射孔技术研究，并进行现场应用实践，为渤海油田增产增效提供保障。

1 动态负压射孔原理

常规静态负压射孔技术在渤海油田主要通过负压射孔和平衡射孔负压返涌2种方式实现。负压射孔是通过投棒点燃点火头射孔的同时打开已掏空钻柱和井筒之间的流通通道，来实现负压返涌；平衡射孔负压返涌是先点火后起钻柱到射孔段以上，通过投棒或加压的方式来实现负压返涌。这2种负压返涌方式都在射孔后引起压力的急剧升高，且形成负压的过程滞后，同时射孔瞬间压力的上升会导致将射孔产生的碎屑重新挤压至孔眼内，堵塞孔眼。

动态负压射孔技术是通过负压弹、射孔弹安装在射孔枪内，射孔枪引爆时，负压弹在枪身上开出大孔流通液体，使井液能够快速流入射孔枪内，引起井筒内压力在射孔后瞬间下降，在射孔孔道内产生瞬间冲击回流，冲洗射孔孔道及孔道周围压实带的新型射孔技术[2-7]。

动态负压射孔技术射孔过程中，井筒压力开始与地层孔隙压力平衡，然后快速下降；静态负压射孔过程中井筒压力开始低于地层压力，射孔弹引爆后造成井筒压力迅速上升，然后开始缓慢下降，实现负压条件下射孔，如图1所示。

图1 动态负压射孔和静态负压射孔理论井筒压力对比

当动态负压射孔达到峰值压差时，张应力超过损害带岩石强度，能够破除岩石，在涌流冲洗作用下形成清洁孔道，孔道直径(宽度)明显加大。 静态负压射孔中典型的缓慢压差清理孔道的效果很小。

2 动态负压射孔工艺研究

2.1 动态负压射孔管柱

海上动态负压射孔管柱由p-t测量仪、点火头、射孔枪(包括上、下接头)、加压短枪、压力开孔装置和同位素接头等组成，如图2所示。

图2 动态负压射孔工具结构

可根据需要在射孔枪内安装负压弹, 也可在夹层枪内安装负压弹，在射孔弹对地层射孔的同时，负压弹对枪身开孔(不损伤套管)，井筒液体通过枪身上的孔眼快速进入射孔枪内, 瞬时降低井筒压力，实现动态负压。相对于常规静态负压射孔，动态负压射孔管柱结构中省略常规负压射孔枪管串中的负压阀、流量阀、RTTS封隔器等工具，结构更为简单。同时为了记录负压值的变化情况，在射孔管柱最下端连接p-t电子压力计测量仪(参数及采样模式如表1～2)对井内的压力进行监测和记录，从而验证动态负压射孔工艺效果。

表1 p-t测量仪基本性能指标

表2 p-t测量仪采样模式

2.2 动态负压射孔影响参数

经研究发现，动态负压值越大，达到最大动态负压值所需的时间越少，动态负压射孔效果越好。通过适当增加射孔枪上负压弹的面积和数目来增加射孔后井筒内流体进入射孔枪的流量，达到最大动态负压值所需的时间变短；也可通过增大枪内空间，增强射孔枪容纳流体的能力，增加动态负压作用时间，负压射孔的效果也越好。

进一步研究发现，射孔孔径和射孔液密度对动态负压射孔效果的影响较弱。通过改变负压弹孔密、孔径可调整泄压面积变化射孔枪直径(或长度)可调整泄压空间。当泄压空间相同或相近时，动态负压值随着射孔枪内装药量的增加而减小[8-10]。

2.3 动态负压射孔负压值的计算方法

动态负压射孔设计的前提和关键是确定合理的负压值。合理的负压值应满足2个条件，①该值应足够大(大于最小负压值)，以保证对射孔孔道进行有效的清洁；②该值不能太大(小于最大负压值)，以避免导致地层垮塌、出砂、套管挤毁或封隔器失效等情况。

参考Berhmann公式，当K>100 mD时，按式(1)计算负压值。

(1)

式中：Δp为射孔负压值，MPa；φ为孔隙度，%；K为渗透率，mD；D为孔道直径，mm。

根据海上油田常用负压值计算方法，最小负压值和最大负压值计算式分别为式(2)、式(3)。

(2)

pmax=(3 600-20×ΔT)×6.89×10-3×145

(3)

式中：pmin为射孔最小负压值，MPa；pmax为射孔最大负压值，MPa；ΔT为声波时差平均值，s。

沙河街组属于硬地层，最佳负压值Δpz按照式(4)设计：

Δpz=0.2pmin+0.8pmax

(4)

资料显示，垦利K区块储层平均渗透率117.7 mD。通过对比动态负压射孔负压值计算方法和传统海上油田经验法可知，该负压射孔枪的最大动态负压明显大于实现有效冲洗的最小负压值，上述设计的动态负压射孔工艺满足油田的射孔要求，负压值选取更合理，可以更好的释放产能[11-16]。

3 现场应用及效果

在渤海油田垦利M区块进行动态负压射孔技术的应用。垦利M区块河街组储层岩性主要为辫状河三角洲沉积的中细粒岩屑长石砂岩和中细粒长石岩屑砂岩；储层具有高孔、中高渗的物性特征，岩心平均孔隙度29.1 %，平均渗透率117.7 mD；主力含油层段砂岩质量分数多在50%以上，储层发育，横向叠置连片分布。该区块储层尚未进行压裂、酸化作业改造储层，射孔过程中对孔道的清洁和储层保护对增产的作用尤为关键。垦利M井为大位移生产井，地层平均渗透率为349.63 mD，下入177.8 mm(7英寸)3Cr-L80 29# CLS套管，抗内压56.3 MPa，抗外挤压力48.4 MPa，计算负压值为11.07 MPa。垦利K井为大位移先期排液注水井，地层平均渗透率为137.42 mD，下入177.8 mm(7英寸)3Cr-L80 29# CLS套管，计算负压值为17.65 MPa。垦利L井为大位移注水井，地层平均渗透率为436.02 mD，下入177.8 mm(7英寸)N80 29# BTC套管，抗内压56.3 MPa，抗外挤压力48.4 MPa，计算负压值为9.98 MPa。

M井和K井2口采油井p-t测试曲线如图3所示。由图3可知，动态负压射孔负压值基本满足设计要求。

图3 两口井p-t测试曲线

与同区块静态负压射孔产能对比可知，动态负压射孔初期超配产达到50 %以上，而静态负压射孔产液量超配产6.9 %～34.9 %，动态负压射孔方式在该区块效果明显好于静态负压射孔。如表3所示。

表3 动态负压射孔和静态负压射孔产能对比

4 结论

1) 动态负压射孔是一种在射孔后瞬间形成井筒内相对负压的高效、 安全的射孔技术。该技术可以减小射孔污染，提高油气井产能，且管柱结构简单，不需要降低井筒内液面，井筒与地层内的压力相对平衡，作业风险较低。

2) 动态负压射孔可用于大斜度井，大位移井的射孔作业，省略常规单独负压放喷作业，负压值更大，效果更好，单井节约工期1 d以上，可实现常规海上完井作业提效11 %～14 %。

3) 该技术已成功应用于渤海油田，与常规静态负压射孔相比，动态负压射孔的产液量明显提高，证明了动态负压射孔的优越性及合理性。