定向射孔技术(一)

2955射孔技术

定向射孔可以在压裂作业过程中减小流动限制并降低摩擦压力,因此可以形成较宽的裂缝,允许使用较大尺寸和较高浓度的支撑剂,再结合使用粘度比较低且损害比较小的压裂液,可以改善裂缝导流能力。
在固结比较差且应力差异比较大的地层中,选择在适当方向上射孔可以最大限度地增加地层中射孔孔道的稳定性,从而减少出砂量。

作业者使用各种射孔方法来解决与油藏增产和防砂等有关的问题,或是以此来实现其它完井目的。优化的相位角度、孔眼间距和射孔方向有助于更好地进行压裂作业,并尽可能减小由于射孔通道坍塌而造成出砂的可能性。

开采公司也使用定向射孔来防止对井下完井设备造成损害,修补套管外的水泥窜槽,在压力控制作业中建立与救援井之间的连通,并在大斜度井中避免挤坏套管。

作业者采用最先进的地层评价和解释方法来进行综合油藏描述,以确保射孔作业取得成功。他们还利用在测井仪器、油管输送射孔(TCP)以及电缆系统等方面出现的新进展,来实现在特定方向上准确的定向射孔。在优化增产处理作业的过程中,使用定向射孔技术可以提高开采作业的效率,减小处理作业失败的可能性并改善压裂效果。完井工程师还可制订相应的定向射孔方案,让射孔孔眼穿过天然裂缝或是穿过具有最小地层损害的井眼区域来实现防砂,并提高井的产能。

上覆岩层的最大和最小水平应力以及垂直应力决定了油气藏中的原地应力条件。水力压裂裂缝沿择优裂缝面(PFP)开始并向外传播,即沿阻力最小的路径传播,最小阻力是由于地层应力的方向和幅度的差异造成的。在大多数情况下,垂直方向的应力最大,因此PFP 是垂直的,其方向沿着下一个最大应力(即最大水平应力)的方向。

在水力压裂处理过程中,如果射孔孔眼与最大应力方向不一致,则在近井眼处往往会产生复杂的流动路径。压裂液和支撑剂必须离开井眼,然后进入地层,并与 PFP 方向一致。这一“曲折路径”会引起额外的摩擦力和压降,从而增加泵送马力并限制裂缝的宽度,由于支撑剂桥堵而造成过早脱砂,使增产处理效果不佳。

定向射孔可以让完井工程师和开采公司集中精力设计增产作业和处理方法,从而优化裂缝的形成、传播、支撑剂的置入以及最终的裂缝几何形态(包括宽度、长度、高度和导流能力等),而不只是考虑近井眼处流体的流动。

在某些固结比较弱的地层或是垂直与水平应力差异比较大的致密岩层中,射孔孔眼处地层的破裂可以引起出砂。此外,随着流体的采出以及孔隙压力的降低,储藏岩石必须支撑更大的上覆压力,因此,在地层压缩的过程中射孔孔道可能会破裂。沿应力差异最小的方向进行定向射孔可以减小压降,改变流动形态,在井眼周围形成更均匀的应力分布,从而可以减轻出砂。

在垂直井中,可以在任何方向上进行射孔,但基本上都是沿着水平方向。在大斜度井和水平井或是穿过很陡地层的垂直井中,目的层处射孔孔眼的方向可以是多样的,这取决于井眼的倾斜角和地层倾角。

水平井中高端的射孔孔眼通常比较稳定,不大可能破裂或是被碎屑封堵。射孔孔眼的方向可以稍微偏离垂直方向,以优化射孔密度和间距,从而提高产能,减小压降并降低出砂量。出于同样的原因,垂直井中射孔孔眼的方向也可以偏离 PFP 几度。

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图1 增产处理作业中要考虑的因素。如果射孔孔眼与择优裂缝面(PFP)或最大水平应力(SH)不一致,则在井眼周围许多随机点上会开始形成裂缝,其结果会形成复杂的流动路径(或称曲折路径),在水力压裂处理过程中会增加地层破裂压力和流体摩擦压力。靠近 PFP(最小阻力路径)的射孔孔眼减小或消除了近井眼的阻碍。在与最小水平应力(Sh)垂直的方向上进行定向射孔,对于优化增产作业和定向压裂作业而言十分重要。

本文回顾了确定地层应力方向的方法,讨论了定向射孔中的 TCP 和电缆系统。在北美、北海、南美以及中东等地的实际应用表明,定向射孔在提高产量和防砂等方面取得了很好的效果。此外,还讨论了设备方面的进展以及促进开发新系统以提高射孔能力、缩短水力压裂作业或无筛管完井作业周期的因素等。

地应力

从岩石力学原理上讲,我们知道水力压裂裂缝沿最大水平应力(SH)方向传播。当射孔孔眼与最大应力不一致时,裂缝从孔道底部或套管和水泥环的顶端传播,在地层中又与 PFP 一致。重新改变方向会产生复杂的近井眼流动路径,包括多个裂缝形成点,某些裂缝可能延伸更远,裂缝翼弯曲或与井眼和孔眼方向很不一致(图1)等。

在实验室进行的试验表明,在固结比较弱的油藏或是应力差异比较大的地层中,射孔孔道的破裂会造成出砂。各种因素都可能引起出砂,包括岩石强度、地层应力的方向和大小、流量的变化、压降或油藏衰竭造成的应力增加以及水的侵入等等。与最大地层应力相一致的射孔孔眼比井眼周围其它方向上的射孔孔眼更稳定(图2)。

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图2 防砂过程中要考虑的因素。在固结比较弱的地层以及由于复杂构造环境产生比较大的应力差异的地层中,在井眼周围稳定区域沿最小应力平面进行定向射孔有助于减小或消除孔眼破裂和出砂。定向射孔可以最大限度提高射孔孔道的稳定性,在无筛管防砂完井中起着关键的作用。

通过确定原地应力的大小和方向,完井工程师可以设计出优化的射孔方案,沿优先裂缝传播方向进行定向压裂作业。在无筛管完井中,主要是选择井眼周围具有较低应力差异的地层区域,从而预防或延迟出砂。确定应力大小和方位的方法包括使用现有的岩石数据,对井眼成像测井资料进行解释,建立地质力学模型,进行垂直地震剖面(VSP)测量。

裸眼井中钻井诱发的裂缝一般出现在最大水平应力的方向上,即沿着 PFP方向; 当井壁附近聚集的应力超过地层强度时,钻井过程中出现岩石破裂(图3)。井眼在最小应力(Sh)方向上呈椭圆形,即与 PFP 呈 90° 的方向。在射孔作业前,作业者可以使用各种裸眼井测井仪器确定应力方向。

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图3

DSI 偶极横波声波成像仪测量纵波和横波的传播时间,提供准确的原地测量,以确定局部应力梯度和方向,并确定诸如泊松比和杨氏弹性模量等地层力学特性(图4)。压裂设计程序(如FracCADE 软件和其它岩石物理模型)使用这些信息来优化和评价压裂增产作业并预测出砂。

在交叉偶极模式下,DSI 通过探测横波的各向异性来确定 PFP 方位,各向异性通常是由最大和最小水平应力之间的差异引起的。声波各向异性可能是固有的,或者是由应力引起的。固有各向异性可能是由层理、微构造或天然裂缝等引起。应力诱发的各向异性是由于沉积条件和构造作用力引起的。井眼成像测井有助于区分固有和应力诱发的各向异性。

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图4 地层应力评价。DSI 偶极横波声波成像仪是确定应力大小和方位最重要的地层评价方法之一。工程师使用 DSI 仪器可以估算应力剖面和地层力学特性。据此得到的测井资料,如泊松比和杨氏模量(第4 和第 5 道),被应用到像 FracCADE 软件这样的增产模拟程序中,以估算裂缝高度,优化并评价压裂作业。

在导电性水基流体中,FMI 全井眼地层微成像仪对井壁进行环形电成像,提供定量分析裂缝的信息。工程师利用该仪器可以观察钻井诱发的裂缝和井眼破裂,并确定其方位(图5)。该 FMI 测井图表明,在图像的上部存在井眼破裂,在下部有钻井诱发的裂缝。

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图5 微电阻率成像。在导电性水基钻井液中,工程师使用 FMI 全井眼地层微成像仪图像来确定井眼变形(如破裂和诱发裂缝)的方位。该FMI测井实例表明了这两种情况产生的异常,显示为低电阻率或深褐色特征。上部表示的是南 – 北方位的井眼破裂,下部表示的是东 – 西方位的钻井诱发裂缝。正如预计的那样,这两者之间相差 90度。

与 FMI 仪器一样,UBI 超声井眼成像仪提供环形井眼的图像。然而,由于该仪器给出的是声波而不是电图像,因此UBI仪器可以在非导电油基泥浆流体中进行测量,以描述钻井诱发的裂缝和井眼破裂情况(图6)。定向四臂井径测量也提供井眼破裂方面的指示,但不能像 DSI,FMI 和 UBI 测井仪器那样提供环形井眼覆盖。GVR GeoVision电阻率仪器可以在导电性流体中提供完整的随钻环形井眼电阻率图像。

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图6 声波成像。在非导电性油基钻井液中,UBI 超声井眼成像仪通过测量脉冲回波反射来提供高分辨率井眼尺寸和形状的图像(左)。井壁上挤压引起的破裂会在最小应力方向上形成椭圆井眼,即与最大垂直应力方向和择优裂缝面垂直的方向(右)。

定向射孔

 定向射孔首先在具有双油管柱或多油管柱的井中得到了应用。开发出的专用工具可以确保下入某一油管柱内的射孔枪不会射穿井眼中的其它生产管柱。直到最近,这些类型井中的电缆射孔方法还局限于斯伦贝谢的机械定向装置(MOD)和动力定向装置(POT)等系统。

就 MOD 系统而言,射孔时最好使用弹簧加压井径仪测量套管内径(ID)。POT 系统是由马达提供动力的系统,随着射孔枪的旋转,传感器可实时提供数据。射孔弹的方向与井径仪呈180°,或与某一特定传感器方向一致(图7)。POT-B 包括一个屏蔽的伽马射线探测器,以确定与其它油管柱同时下入的放射源的位置。POT-C 利用电磁原理探测油管或套管柱附近的金属。开发 POT-C的主要目的是探测单一裸眼井水泥胶结的邻近完井管柱的情况,但在具有两个油管柱的套管内也得到了成功的应用。

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图7 定向技术。研制出的机械定向装置(MOD)和动力定向工具(POT)用于在双油管柱或多油管柱的井中进行射孔。作业者使用这些工具来确保下入某一油管柱内的射孔枪不会射穿井眼中的其它生产管柱。

以前,作业者经常使用油管输送系统进行定向射孔。然而,与电缆输送相比,这些作业更复杂,且费用更高,尤其在垂直井中,目的层段相对较短,射孔是在井眼静水条件与地层压力一样时进行的。对于大斜度井和水平井,电缆、油管和连续油管输送被动定向射孔系统使用偏心加重物和旋转接头将射孔枪对准井眼的低端,射孔弹朝上(图8)。

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图8 重力定向。电缆、油管以及连续油管输送射孔的被动定向使用偏心的加重物,结合冲击转换和油管旋转接头,依靠重力将射孔枪定位在井眼低端。该技术需要对井的方向进行测量。

新的技术可以在倾斜井眼中的长层段上准确地定位 T C P 射孔枪。该OrientXact 系统包括被动定向加重物和枪体部分,通过滚柱轴承旋转接头进行连接。该系统可对超过 1000 英尺(300米)的枪体部分进行定向,定向精度在预定方向的10度以内。新型的定向确认装置(OCD)可以以1°的精确度测量和记录射孔方向,可以在收回射孔枪后提供有关射孔方位的宝贵信息。

在垂直井中,TCP 使用陀螺仪而不是重力被动定位进行定向射孔。陀螺仪通过电缆下入油管,并坐放在定向剖面上。在地面将油管柱旋转到所需位置,并下入水力封隔器,以避免过多的旋转。在取出射孔枪之前,使用陀螺仪对射孔枪方位进行验证,以预防射孔冲击造成的损害。

当不知道应力方向或是不可能进行定向射孔时,使用高密度射孔枪和60°或 120°相位有助于确保至少某些孔眼会落在最大应力方向的 25 到 30°范围以内。然而,这一随机方法需要更多的聚能射孔弹,而且不能确保射孔孔眼与PFP 或最小应力差异十分一致。

斯伦贝谢的电缆定向射孔仪(WOPT)可以在直井和斜井中使用,是定向电缆射孔最新的技术(图9)。WOPT 最初主要是用来进行定向压裂,还可以用来进行防砂射孔。该仪器在预先确定的方向上用 0°,180°或其它优化相位角度对 HSD 高密度射孔枪进行定位。射孔弹类型和射孔密度取决于完井要求,如控砂和防砂,还取决于压裂设计标准,如支撑剂尺寸,泵速,处理压力以及所需的生产流量等。

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图9 电缆定向射孔。典型的电缆定向射孔仪(WOPT)系统在标准的 0°或 180°相位射孔枪之上下配置有加重弹簧定位装置(WSPD)和转位接头(左)。仪器串包括陀螺仪,带有套管接箍定位器(CCL)的电缆射孔测斜仪(WPIT),可在不使用陀螺仪时,或是在地面旋转射孔枪或对其进行重新转位后进行射孔作业(右下)。WPIT 始终保持在仪器串上,以单独测量仪器倾斜角和工具面相对方位,并确认仪器串会重复以前确定的方位。

该方法是以如下事实为依据的,即在给定的深度上,当仪器串的参数(长度、重量、质量分布、电缆速度和方向)为常量时,电缆仪器在井眼中总是趋向在某一特定的方位。旋转接头消除了电缆与射孔枪之间转距的影响,从而使仪器处于自然的位置上。该“自然位置”上观察到的重复性在研制WOPT仪器时是十分关键的。对于井斜仪小于 8°的垂直井来说,WOPT 需要下入两次。在井斜角小于 1°的井中进行射孔作业时需要格外小心,而且可能需要更多的时间才能完成射孔作业。

第一次下入的是空枪,包括使用陀螺仪来确定仪器串的自然方位(工具面方位和方向)。上、下加重弹簧定位装置(WSPD)有助于将仪器串向着井眼的低端旋转。

在每个方向上重复几次可以确保得到准确的方位数据,从而确定所需的射孔枪旋转角度,或称“转位角”以实施定向射孔。首次下入时,可以对单个层或多个层进行绘图。电缆射孔测斜仪(WPIT)是 WOPT 的组成部分,可以连续实时地测量仪器的倾斜角和工具面的方位,即相对于井眼高端的方位。

如果可以得到定向测量数据,而且目标层段也位于井斜角大于 8°的井段内,则可以在不下入陀螺仪的情况下完成定向射孔。在这种情况下,井斜角测量结果十分准确,与井眼方位对比相当好。在确定了工具面方位后,使用射孔枪之上、下的转位接头,在地面以 5o 的增量来人工旋转射孔枪,使射孔弹对准所需方向。在射孔前将陀螺仪去掉,以避免射孔过程中的冲击损害。带有虚拟陀螺仪的载体和 WPIT 保持在 WOPT 系统上以维持仪器串的长度和质量。

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图10 验证射孔枪方位。在地面对射孔枪进行定位后,在不使用陀螺仪的情况下将 WOPT 系统下入井中。WPIT 保持在仪器串上,以记录实时的重复分析测量资料。如果后来测得的工具面相对方位(第 1 道)与第一次的一样,则说明仪器串正在重复以前确定的自然方位。如果由于井眼倾斜角太小而无法确定相对方位,则使用倾斜信号(第 3 道)。当仪器串方位不能重复时,则将射孔枪提出井眼并重新标定方位。

然后,将 WOPT 射孔系统再次下入井中。由WPIT得到的相对相位数据可以验证仪器方位的重复性。一旦由重复分析测井资料验证了射孔枪的方位和深度后,可以开始射孔作业(图10)。WOPT系统的定位精度在所需方位的5°以内。由于需要保持仪器串的参数不变,WOPT 系统目前的局限在于不能在一次下入过程中选择性地引爆一个以上的射孔枪。在垂直井中,射孔后的射孔枪会改变以前确定的仪器的自然方位。

作业者进行了 USI 超声成像仪测量,来证实射孔孔眼与所需的方向是完全一致的(图11)。射孔后进行的测量表明,射孔孔眼在所要求方位的 10°以内。WOPT 系统在倾斜角从 0.3°到 58°的井中成功地进行了射孔作业。作业者认识到定向射孔可以改善水力压裂效率和效果,但在引入 WOPT 系统之前他们认为使用定向射孔方法是不切合实际的。

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图11 验证射孔方位。射孔后,可以进行定向 USI 超声成像仪测井,以证实射孔孔眼在正确的位置上。在该 USI 图像中,由于测量比例的原因,射孔孔眼显示为很细的线(第 3 道)。所需的射孔深度显示在第 2 道井示意图上。使用 180°相位和两孔 / 英尺(spf)的射孔密度在该井中四次下入射孔枪进行了射孔,共射了 118 个孔,方位在东北 – 西南方向。井斜角约为 1.7°,以前在井斜角低至 0.3°的井中成功地使用了 WOPT。