页岩油井射孔技术发展现状和展望

唐英才 揭志军

中海油田服务股份有限公司 河北 廊坊 065201

页岩油气藏具有自生自储特点，它既是烃源岩，又是储层，储层具有连续分布、低孔、特低渗、脆性较高等特性。页岩油气虽然埋藏深度范围广、厚度大，埋深从200米到深于4000多米，但由于页岩油气储层特点导致其没有天然油气流通通道，仅通过钻探无法获得工业油流，需借助储层压裂等改造手段。页岩油气井压裂目前以固井后套管多级压裂为主要技术手段，射孔是打穿套管沟通地层压裂通道的必备手段，如何从射孔角度为压裂服务，最大限度的提高单井的油气产量，使油气井的开采周期得到延长，对提升我国页岩油气资源开采效益具有重要意义。

1 现代页岩油气井压裂技术的发展对射孔要求

随着勘探和开发技术的不断提高，页岩油气等非常规能源资源逐渐进入大规模开发阶段。页岩油气井的开发离不开压裂技术，而水力压裂就是在地层中先造裂缝，后添加支撑剂，用于支撑已打开的裂缝，形成人为的孔隙性储层，利于页岩油气的开采。

压裂裂缝在地层中的发展影响着支撑剂的添加和本井油气产能的经济性，而影响裂缝方向和发展的因素有岩石特性、层面、孔隙压力、人工屏障和净压力，射孔对于人工屏障和净压力影响严重。根据压裂完井行业多年的研究，压裂射孔的重要参数表现在孔径、穿深和相位。均一的大孔径会改善压裂液的分配、降低压力摩阻、更有效的分配支撑剂、有助于降低成本，而孔径小且不均一，会使用更多的射孔弹，造成多个裂缝的产生，势必会造成更大的近井带压降，砂桥和脱砂的几率会更大；穿深要穿过井眼周围的环状应力区很重要，最小需要8～10in，否则也会产生更大的近井带压降；在应力面30°内的孔眼会吸收绝大部分的压裂液和支撑剂，所以60°相位或是定向射孔更多增加了压裂的有效性。

随着页岩油气等非常规能源资源的大规模开发，油田作业者也逐渐改变多级压裂中的级间距和簇间距，根据国外公司的统计，水平井段由早期的4600ft发展到10000ft，同时极间距由300～450ft降到100～200ft，簇间距由50～70ft也降到目前的10～30ft；岩芯公司在对北美射孔趋势的研究中指出[1]，降低簇间距，可以增加簇间被压裂的区域，使得每簇的射孔更有效，由此发展的压裂设计要求每级需要更多的簇，每簇使用更少的射孔弹，促使每级使用的射孔枪更多，每簇的射孔枪更短。

2 现代页岩油井射孔技术现状

2.1 等孔径射孔器

早在2011年哈里巴顿就提出了等孔径射孔改善压裂效果的理念，即等孔径射孔使得各孔的破裂压力变化较小，改善了压力分布，增加压裂的有效性。随着其应用的增加，越来越多的油田作业者接受了等孔径射孔技术，特别是到了2018年，壳牌公司在2口井，9个井段对比了等孔径和超深穿透射孔弹[2]，结果显示使用等孔径射孔弹时，平均处理压力更一致，泵入排量比超深穿透增加1.8bpm，通过压后数据对比，使用等孔径射孔弹时，平均破裂压力降低3.44%，每级液体用量降低10.93%，平均泵入量增加6.42%，支撑剂到位增加2%，有力的说明了等孔径射孔对压裂的改善，目前国内的油田作业者也接受了等孔径射孔技术。哈里伯顿公司的MaxFrac系列、斯伦贝谢公司的 Stimstream系列、贝克休斯公司的True-Jet系列等孔径射孔器孔径偏差为2.1%～9.2%。国内的射孔弹厂家也推出了自己的等孔径射孔器，其孔径偏差一般在10%以内[3]。

2.2 短射孔器

随着每级射孔簇数的增加，而受限于电缆输送能力的影响，只能通过减小射孔枪的长度，增加射孔器的数量。为此国外公司在满足压裂要求的同时开发出短射孔器。

汉廷公司（Hunting）提出了定面射孔的短射孔器，即簇射孔器（Cluster Perforating System ），每个射孔器由处于同一平面的三发弹组成，可消除弹间干扰；可寻址起爆，无需导爆索，直接由雷管引爆，无需连线；采用等孔径射孔弹，枪长7.5in，一次最高可连接50簇。该射孔器在一口井中的两级进行了实验，实验结果说明该射孔器在增加簇数的同时，也可以降低压裂处理压力10%。

贝克休斯针对垂直于最小主应力平面钻井的水平井压裂完井提出了压裂优化射孔器，该射孔器采用内定向方式，只有三个正交定向的聚能射孔弹，其中两发大孔径弹放置在两边，一发深穿透设置在高边向上，弹间距1.4 in，枪长18 in，连接简单。该射孔器的目的就是集中处理压力，在垂直于最小主应力平面钻井的水平井中最大限度地延长裂缝长度和延伸范围，同时减少井筒附近的竞争裂缝和弯曲度。使用压裂优化射孔器在55级完井中的两个阶段进行了现场试验。该操作在两个阶段都成功运行，结果表明，压裂操作期间的处理压力小于用传统螺旋状射孔器的阶段。此外，使用该射孔器更快地实现了100BPM的期望流速。与相邻的使用了传统螺旋状射孔器的级相比，运行该射孔器的级也显著缩短了操作时间[4]。

国外还有其它射孔器生产厂家，都推出了自己的短射孔器，结合等孔径射孔弹或是自清洁射孔弹，用于压裂射孔，如GEODynamics公司的HELLfire射孔器，枪长9.5in，每枪可选3或是6发射孔弹。但是他们的特点不鲜明，在这里就不做过多介绍。

2.3 提高可靠性和减小风险的起爆技术

页岩油气套管井开发中常使用的射孔技术为桥塞与射孔联作技术，除了以上提到的适用于桥塞与射孔联作的压裂射孔技术外，其中井场杂散电压、电流和射电安全防护也是关键技术，目前国外、国内普遍采用的是抗杂散电压、电流和射电防护的爆炸桥丝雷管（EBW）或是冲击片雷管（EFI）爆炸破片可寻址的电雷管技术，对于此技术，国内外基本一致，只是在寻址的数量上有所差别，但都已满足现场作业的需求。

另外一个关键技术就是分级引燃桥塞火药和引爆射孔枪，早期的起爆技术采用的是双向二极管与爆轰压力开关结合实现了分级引爆的功能，现场连接比较繁琐，容易发生接错点火线或是挤破线的现象，为提高可靠性和安全性，国外各服务厂家提出了自己的模块化连接技术，采用插接或是直接丝扣连接的方式，简化了现场的操作难度，如斯伦贝谢的Fractal Flex系统，哈里巴顿的MaxFire® 电点火系统，贝克休斯的Symphoni™可寻址点火系统。

此外，桥塞与射孔联作作业中基本上采用的是泵送工具入井的方式，泵送过程中由于井下条件、地面设备甚至人员能力的变化，可能会导致操作不一致，进而导致工具弱点断裂的现象，为此哈里巴顿设计了自动泵送技术，该技术将流体泵送和电缆运行装置作为一个单一的、全自动的闭环系统进行控制，以最大限度地提高桥塞与射孔联作的安全性能和效率。

3 我国页岩油井射孔技术发展前景

我国自2005年开展页岩油气勘探开发以来，历经十几年攻关，页岩油气发展在跨越了前期的合作借鉴阶段、探索评价阶段后，目前处于规模建产阶段，页岩油气产量逐步形成规模，并呈现快速增长趋势。与北美海相页岩油气相比，我国页岩油气形成的资源基础具有多样性，呈现陆上沉积盆地内广泛发育海相、海陆过渡相及陆相3种类型的富有机质页岩，为了安全、有效的开发，针对不同的地质沉积条件和井眼轨迹相对于页岩层理的位置，应采用不同的开采方案，对应的压裂射孔技术应有所不同，以提升页岩油气井的开采效率。

我国的压裂射孔技术在过去的十几年中也取得长足进步，如等孔径射孔弹、自清洁射孔弹、定面射孔技术、安全雷管以及泵送设计软件等达到了国际同等水平，但仍然存在许多亟待解决的问题，页岩油气开采之路任重道远，要以当地页岩的地质条件为依据，考虑了经济条件后，融合多种射孔技术，以提高页岩油气井开发的效率。

4 结束语

随着我国能源安全战略的推进，页岩油气井开发步伐也逐步加快，面对多样性的页岩油气沉积条件，相应的开发工作难度也会增加，为了不断提高页岩油气井开发效能，提升页岩油气井开发技术应用水平就显得至关重要。在页岩油气井开发过程中，压裂射孔技术在其中也发挥着关键作用，如果使用的射孔技术不合理，也会影响页岩油气资源开采效能，损害页岩油气井开发的经济效益。因此，页岩油气井作业仍需要重视压裂射孔技术的重要性，不断为新的射孔技术提供实验场地，丰富技术经验，从而不断完善新的射孔技术，同时也会提高射孔服务企业的对新技术的研发与创新的愿望，全面提升我国现代页岩油气井压裂射孔技术的应用水平，最终也会提高我国页岩油井的开发效率。