水平井復(fù)合射孔技術(shù)研究與應(yīng)用

趙海華，師西宏，王文軍，劉蔭忠，李元斌，徐波

（1.長慶油田勘探部，陜西 西安710018；2.西安通源石油科技股份有限公司，陜西 西安710075；3.大慶油田股份有限公司開發(fā)部，黑龍江 大慶163453；4.塔里木油田分公司塔北開發(fā)項目部，新疆 塔里木841000）

0 引 言

水平井開發(fā)技術(shù)是目前提高油層單井產(chǎn)量和采收率的有效手段和方法，但大部分水平井開發(fā)油層的厚度較小，地層孔隙度、滲透率都較低，采用常規(guī)水平井射孔往往不能獲得理想產(chǎn)能。因此，對水平井射孔技術(shù)提出了更高要求。中國早在2006年就開始布水平井500多口，到2012年僅長慶油田水平井布井就達到300多口。水平井技術(shù)在油田大規(guī)模的推廣應(yīng)用，客觀上也要求水平井射孔技術(shù)的發(fā)展，以更好地發(fā)揮水平井的潛能和優(yōu)勢。

1 水平井完井的地質(zhì)特點

（1）目的層通常是低孔隙度低滲透率地層。大部分水平井開發(fā)的油層厚度都較小，地層孔隙度、滲透率都較低，如大慶敖南等外圍油田，由于投產(chǎn)工藝的原因，使水平井的潛能得不到發(fā)揮。

（2）開發(fā)水淹層的剩余油。中國大量的陸上油田進入高含水期，使用水平井技術(shù)開采剩余油、提高油田的采收率和單井產(chǎn)量是一個重要的技術(shù)進步。由于水平井開采水淹層頂部的剩余油時往往由于頂部的滲透性較差，采用常規(guī)射孔直接投產(chǎn)效果不理想，需要更好的射孔技術(shù)支撐水平井的油田開發(fā)。

（3）水平井的鉆井污染嚴重。鉆井、固井時的固相顆粒侵入和泥漿濾失造成了井筒周圍近井帶地層污染較直井更加嚴重。根據(jù)塔里木油田測試數(shù)據(jù)，污染較為嚴重的水平井表皮系數(shù)S值在20～40之間，導(dǎo)致地層近井帶的滲透率降低，嚴重影響水平井的開發(fā)效率。

2 常規(guī)水平井射孔的不足

大多的水平井射孔是建立在常規(guī)聚能射孔的基礎(chǔ)上根據(jù)水平井井眼軌跡特點設(shè)計的定向射孔技術(shù)。由于聚能射孔的局限性和水平井井眼條件特點的限制，使常規(guī)的水平井射孔往往達不到理想的投產(chǎn)效果。常規(guī)射孔的局限性表現(xiàn)在5個方面。

（1）水平井井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為避免風(fēng)險，水平井射孔常采用比較保守的施工方案，相對于直井，水平井使用較小直徑的射孔槍，穿深淺，使射孔完井的完善程度低。

（2）水平井井身結(jié)構(gòu)的特殊性限制了射孔器的性能發(fā)揮，射孔器相位優(yōu)化無法達到理想的地質(zhì)效果，影響油井的產(chǎn)量。

（3）聚能射孔彈射孔限制因素在水平井中更加突出，常規(guī)聚能射孔穿深不足，不能有效穿透近井污染帶。

（4）常規(guī)射孔二次壓實傷害影響油井的產(chǎn)能。

（5）完井后實施壓裂等改造措施難度大。水平井完井后實施壓裂和酸化等改造措施較為困難，一般都是用限流法壓裂或者分段壓裂，施工工藝復(fù)雜，施工周期長。

3 水平井復(fù)合射孔技術(shù)

3.1 技術(shù)原理

水平井復(fù)合射孔是將聚能射孔彈爆轟產(chǎn)生的能量與推進劑爆燃產(chǎn)生的能量有效結(jié)合起來的一項水平井油氣井射孔完井技術(shù)，基本原理是在特制加強型射孔槍內(nèi)，將作用性質(zhì)不同的射孔彈與復(fù)合固體推進劑2種能量有機結(jié)合，在導(dǎo)爆索引爆射孔彈射孔的同時，利用殘余能量激發(fā)復(fù)合推進劑，并有效控制射孔彈爆轟與復(fù)合固體推進劑爆燃的瞬態(tài)時間差及壓力—時間歷程，實現(xiàn)射孔器對地層射孔、復(fù)合推進劑產(chǎn)生的高壓氣體沿射孔孔道對地層壓裂的分步作功。射孔與壓裂相結(jié)合，在近井帶形成孔縫結(jié)合型超穿深裂縫體系，從而大幅度提高油氣井近井帶的滲透性能和大幅度增加近井帶滲流面積，達到提高油氣井產(chǎn)量的目的。

實踐證明，水平井復(fù)合射孔技術(shù)所具有的定向射孔和氣體壓裂相結(jié)合的特性不僅能夠解除近井帶污染、彌補射孔彈穿深的不足，同時結(jié)合井筒和地質(zhì)條件的定向射孔又能夠使井筒和油層保持最佳的溝通狀態(tài)，最終使水平井的優(yōu)勢得到充分的發(fā)揮［1］。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計及技術(shù)特點

（1）采用槍內(nèi)裝藥結(jié)構(gòu)，充分利用射孔彈、導(dǎo)爆索的殘余能量激發(fā)復(fù)合推進劑，使其具有燃燒完全、加壓過程可控的特點，保證射孔效果。

（2）設(shè)計徑向360°裝有滾珠的槍尾，變滑動磨擦為滾動摩擦，具有很好的導(dǎo)向作用；防退扣設(shè)計保證復(fù)雜井眼處射孔槍不出現(xiàn)脫落。

（3）采用上掛式彈架、旋轉(zhuǎn)護管、伸縮式傳爆管結(jié)構(gòu)，使彈架系統(tǒng)軸線定位準確。隧道傳爆技術(shù)確保各單元射孔槍能夠可靠的傳爆，保證射孔發(fā)射率。

（4）采用一體式配重系統(tǒng)能夠滿足水平井射孔的多相位、各種角度射孔的定位要求。而且射孔彈爆炸時槍內(nèi)彈架形成的碎屑較大，不易通過射孔孔眼排出槍外，使井內(nèi)的碎屑減少，避免卡槍。

（5）采用特制的厚壁32CrMo4管材制造射孔槍身，槍身可承受外部靜水壓力105MPa以上，射孔槍身抗爆性能高，外漲變形小，整體安全性得到加強。

（6）采用配套的單向、雙向壓力延時起爆器可以實現(xiàn)雙向點火，為長井段的射孔彈完全起爆提供設(shè)計保障。

水平井復(fù)合射孔管串結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。產(chǎn)品規(guī)格及主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1 水平井復(fù)合射孔管串結(jié)構(gòu)示意圖

表1 水平井復(fù)合射孔器產(chǎn)品規(guī)格及主要技術(shù)參數(shù)

4 水平井復(fù)合射孔優(yōu)化設(shè)計

（1）根據(jù)地質(zhì)和工程的要求進行射孔優(yōu)化的設(shè)計。

①根據(jù)油井地質(zhì)情況，不同井段設(shè)計不同相位和孔密；② 在同一個管柱中可以滿足不同井段相位、孔密要求；③ 在同一個管柱中可以實現(xiàn)水平井復(fù)合射孔和常規(guī)射孔的組合管柱；④ 使用分段起爆技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)超長井段的1次射孔；⑤ 根據(jù)地層的特點設(shè)計壓力作功的大小和時間長度。

（2）在不同油井投產(chǎn)方式中應(yīng)用。

①采用復(fù)合射孔后直接投產(chǎn)模式；② 采用復(fù)合射孔＋分段水力壓裂投產(chǎn)模式；③ 采用復(fù)合射孔＋限流法壓裂投產(chǎn)模式。

5 水平井復(fù)合射孔技術(shù)應(yīng)用

5.1 水平井復(fù)合射孔在油田的應(yīng)用

水平井復(fù)合射孔技術(shù)首次在青海油田得到試應(yīng)用，截止到2012年12月，已經(jīng)在國內(nèi)的大慶、勝利、遼河、吉林、新疆、塔里木、中原、江蘇、青海油田和哈薩克斯坦Aktobe油田等國內(nèi)外10多個油氣田進行了技術(shù)推廣應(yīng)用，累計進行了400余口井的施工。

大慶油田是應(yīng)用水平井復(fù)合射孔技術(shù)較多的油田之一。2006年12月首次在杏6－1－平35井進行水平井復(fù)合射孔，射孔后直接投產(chǎn)，取得很好的投產(chǎn)效果。之后該項技術(shù)在各采油廠廣泛推廣，每年平均射孔量在40口井左右。為取得好效果，大慶油田的每口井都是根據(jù)地質(zhì)條件、井眼軌跡和投產(chǎn)工藝要求進行優(yōu)化設(shè)計。水平井復(fù)合射孔技術(shù)已經(jīng)成為大慶油田水平井完井的重要支撐技術(shù)。

青海油田于2002年開始水平井完井技術(shù)試驗開發(fā)油田。從2005年10月24日進行首口井澀平2井水平井射孔技術(shù)作業(yè)之后，到2011年全年的水平井復(fù)合射孔作業(yè)數(shù)量達到了36口井，并且取得了較好的投產(chǎn)效果。

2011年塔里木油田采用水平井復(fù)合射孔技術(shù)陸續(xù)完成了輪南10－5H 井2次施工、輪南2－1－17H的1次施工，這也是塔里木油田首次使用水平井復(fù)合射孔技術(shù)。

5.2 水平井復(fù)合射孔技術(shù)典型應(yīng)用

5.2.1 油田生產(chǎn)老區(qū)水平井組水淹層剩余油開發(fā)

杏6－1－平35井區(qū)是大慶杏樹崗油田北部開發(fā)區(qū)的1組剩余油挖潛的水平井。該區(qū)主力油層三角洲分流河道十分發(fā)育，葡Ⅰ33單元點壩砂體相對發(fā)育。受廢棄河道及點壩內(nèi)部側(cè)積夾層遮擋影響，點壩砂體頂部存在剩余油。這種受側(cè)積夾層遮擋形成的剩余油，即使應(yīng)用較密的三次采油井網(wǎng)進一步挖潛的難度也較大。利用水平井擴大油層泄油面積挖掘直井條件下難于動用的油層頂部剩余油，已成為進一步改善特高含水期厚油層開發(fā)效果的重要途徑。

該區(qū)塊布5口水平井，根據(jù)水平井取心段巖性統(tǒng)計分析，地層的非均質(zhì)性非常明顯；砂體內(nèi)部縱向不同部位水淹狀況不同，油層上部以未水洗和弱水洗為主，中部以中水洗為主，下部以強水洗為主，并且下部強水洗段驅(qū)油效率明顯高于上部，說明頂部存在較多剩余油。產(chǎn)出井只能對儲層上部進行改造，采出井采取分步射孔方式，以控制水平井初期含水。圖2為杏6－1－平35井在油藏中軌跡圖。

圖2 杏6－1－平35井在油藏中軌跡圖

根據(jù)油層地質(zhì)條件、井別、井眼軌跡對射孔采油廠優(yōu)化結(jié)果，決定采用水平井復(fù)合射孔技術(shù)，對地層進行射孔改造后，直接投產(chǎn)。針對套管外徑為139.7mm，采用外徑為95mm的S95－13SDP30復(fù)合射孔槍，SDP40－RDX－1超深穿透射孔彈，相位設(shè)計主要考慮開發(fā)頂部的剩余油而盡量不溝通下部含水地層。如注水杏6－2－平37井投注前先排液。由于水平段處在目的層的中部位置，為了將來能夠達到較好的三元復(fù)合驅(qū)效果，射孔方案采用水平方向和向上方向布孔。該井區(qū)內(nèi)5口水平井的射孔方案見表2。

表3為該井區(qū)5口水平井進行復(fù)合射孔后的投產(chǎn)數(shù)據(jù)。3口先投產(chǎn)的水平采出井投產(chǎn)后綜合含水低于周圍直井15%以上，初期日產(chǎn)油高于直井8倍以上。其中杏6－1－平35井射孔3個小段，地層滲透率分別是0.477 6、0.257 6和0.490 7μm2，屬于中等滲透性的油層，復(fù)合射孔直接投產(chǎn)，投產(chǎn)后產(chǎn)量穩(wěn)定，日產(chǎn)油47.4t，含水僅為13%。與鄰井的直井相比，該井取得了非常好的投產(chǎn)效果。

5.2.2 滲透開發(fā)井區(qū)水平井射孔投產(chǎn)效果

敖358－51區(qū)塊位于敖南油田的東北部，為三角洲外前緣相沉積，發(fā)育大面積席狀砂，但局部變化快，儲層非均質(zhì)性較強。葡萄花油層單井平均砂巖厚度4.8m，砂地比23.3%，砂層數(shù)一般2～7個層，平均單層砂巖厚度0.85m。隔層厚度在1.95～5.0m之間，各布井區(qū)域差異大，地層滲透率（0.5～12）×10－3μm2，屬于特低滲透儲集層。設(shè)計14口水平井，2008年1月20日～6月14日完成了7口井的復(fù)合射孔。

根據(jù)周圍直井開發(fā)情況，該區(qū)油井無自然產(chǎn)能，壓后采油強度低，僅0.5t／（d·m），為了保證投產(chǎn)初期效果，7口井射孔時均按分段壓裂投產(chǎn)設(shè)計，保證投產(chǎn)初期產(chǎn)能，提高儲層動用程度，兼顧壓裂需要?？偟脑瓌t：

表2 5口水平井的射孔方案

表3 5口水平井的投產(chǎn)效果

（1）使用水平井復(fù)合射孔對地層進行壓裂改造的預(yù)處理；

（2）根據(jù)水平井井眼軌跡在油層中的位置確定每一個層段的射孔方位，每口井可能采用多種相位和孔密的組合；

（3）在油層底部的采用水平＋向上傾斜射孔；

（4）在油層頂部的采用水平＋向下傾斜射孔；

（5）需要壓開泥巖夾層溝通上下油層的采用較大的傾斜角；

（6）采用技術(shù)成熟的95mm的S95－13SDP30水平井復(fù)合射孔器。

壓裂方式根據(jù)目前水平井不同完井方式壓后效果對比，分段壓裂效果較好，這次射孔層位擬定時均考慮應(yīng)用分段壓裂投產(chǎn)方式。

該油田目的層空間變化較大，且層厚較小，造成水平井井眼穿過油層軌跡復(fù)雜，因此每一口井不同井段需要采用不同的射孔參數(shù)，由于相位、孔密的變化，該油區(qū)的7口水平井的復(fù)合射孔器型號達12種之多。如南227－平287井5段油層射孔就有3套參數(shù)（見表4）。

收集應(yīng)用效果時，該7口井中已經(jīng)壓裂3口井（未投產(chǎn)），2口井射孔后試驗初產(chǎn)。南219－平292井周圍4口直井是南216－S286井、南220－S290井、南218－S288井和南N212－S286井，這4口井全部是直井完井，使用復(fù)合射孔后進行水力壓裂，統(tǒng)計近期6個月的產(chǎn)量，4口直井中最高平均2.36t／d。而該水平井射孔后初產(chǎn)4.0t／d，效果明顯。

表4 南227－平287井射孔參數(shù)

5.2.3 青海油田低滲透油層的應(yīng)用

青海油田七個泉油田的主要目的層E31是近岸水下沖積扇沉積環(huán)境，巖性主要以礫巖、礫狀砂巖、含礫砂巖為主。油藏類型為構(gòu)造背景下的巖性油氣藏，宏觀上油層的分布明顯受構(gòu)造的控制，但微觀上儲層受沉積環(huán)境的影響，油砂層受到巖性的影響。Ⅳ－14小層油層平均孔隙度17.37%、平均滲透率8×10－3μm2，Ⅳ－15小層油層平均孔隙度4.96%、平均滲透率5.29×10－3μm2。完井油層套管139.7mm。

2011年7月21日對七平8井使用復(fù)合射孔完井射孔，射孔井段1 900～2 010m，射孔長度20m。射孔器材為S95－13SDP30復(fù)合射孔，13孔／m，水平180°定向射孔，SDP40RDX－1型射孔彈，E3復(fù)合推進劑。射孔后井口見油。試油初產(chǎn)純油47m3／d。與鄰井QⅡ6－13井對比，產(chǎn)能比為10倍以上。該井投產(chǎn)以后產(chǎn)能穩(wěn)定，投產(chǎn)效果非常好（投產(chǎn)效果見圖3、圖4）。

5.2.4 塔里木油田水平井的應(yīng)用

塔里木油田L(fēng)N10－5H井設(shè)計為采油井，構(gòu)造位置位于塔里木盆地輪南斷壘帶輪南10號背斜構(gòu)造北東翼，目的層是三疊系Ⅰ油組，儲層成分成熟度較低，石英含量35.6%，長石含量25.4%，巖屑含量39.0%，屬于長石質(zhì)巖屑砂巖。油組平均孔隙度16.9%，平均滲透率252.6×10－3μm2，為中孔隙度中低滲透率儲層。該井的設(shè)計為了完善輪南油田10井區(qū)TI油組注采井網(wǎng)，挖掘剩余油，增加可采儲量；落實輪南油田10井區(qū)TI油組北部構(gòu)造及油水分布規(guī)律，為二次開發(fā)方案調(diào)整優(yōu)化提供依據(jù)。油層段使用139.7mm的套管。

2011年11月7日對5 130～5 250m的120m的水平井段使用S95－13DP39復(fù)合射孔，裝SDP40 HMX30－1深穿透高溫射孔彈，采用180°相位水平布孔方式，孔密13孔／m。

2011年11月27日采用上述射孔器對4 920～5 080m進行射孔，2012年1月18日下電泵生產(chǎn)，經(jīng)過41d的生產(chǎn)統(tǒng)計，平均日產(chǎn)液60t、產(chǎn)油50t，取得了很好的投產(chǎn)效果（見圖5）。

圖5 投產(chǎn)效果圖（Ⅲ）

LN2－1－17H井設(shè)計為輪南2井區(qū)北翼TI油組注水井，2002年6月完鉆，鉆井深度5 105.57m，在水平段4 833.68～5 029.70m篩管完井，根據(jù)油田地質(zhì)設(shè)計，該井處于構(gòu)造較低的位置。測井解釋4 930～5 020m水平段為干層，但干層上下層為未動用油層，距離水平段1～2m，為了溝通上下油層，2012年1月25日使用S95－13DP39復(fù)合射孔對4 950～5 020m水平段垂直180°射孔，射孔后用電泵生產(chǎn)，初產(chǎn)液67.43t／d、初產(chǎn)油4.94t／d，產(chǎn)氣4 246m3，從而溝通了上下油層，取得了預(yù)期的效果。

LN10－7H設(shè)計為輪南10井區(qū)采油井，位于輪南斷壘帶10號背斜構(gòu)造南東翼，目的層位三疊系TI油組，導(dǎo)眼完鉆測井解釋孔隙度為17.2%，含油飽和度為43.5%，解釋結(jié)論為差油層，設(shè)計目的為完善輪南油田10井區(qū)TI油組注采井網(wǎng)，挖掘剩余油，增加可采儲量。該井目的層為粉細砂巖，根據(jù)導(dǎo)眼實鉆結(jié)果，變雙臺階為單臺階（首采TI2），采用水平相位射孔（射孔層段4 845～4 990m、5 036.5～5 194m），試采結(jié)果含水100%，略含油花，產(chǎn)液量穩(wěn)定在45m3／d，通過LN10－7H井產(chǎn)液量判斷輪南10井區(qū)TI油藏南部水淹嚴重，剩余油層厚度較小。最終準備改為TI注水井，完成了地質(zhì)任務(wù)。LN10－H6井設(shè)計為塔里木盆地輪南油田輪南10井區(qū)開發(fā)采油井，目前地層壓力47.43MPa，壓力系數(shù)1.020；儲層成分成熟度較低，目的層為泥質(zhì)粉砂—粉細砂巖，為中孔隙度低滲透率儲層。該井的設(shè)計為了完善輪南油田10井區(qū)TⅠ油組注采井網(wǎng)，挖掘剩余油，增加可采儲量；采用水平井深穿透復(fù)合射孔是動用該油層的良好辦法之一。2012年7月5日對4 958～5 070m、5 090～5 150m的172m水平井段使用S95－13DP39復(fù)合射孔，采用180°相位水平布孔方式，孔密13孔／m。射孔前預(yù)測產(chǎn)量為45t／d，射孔后初產(chǎn)達到120t／d，取得了很好的投產(chǎn)效果。

6 結(jié) 論

（1）水平井復(fù)合射孔技術(shù)在低孔隙度低滲透率油藏、薄油層以及油層頂部剩余油的開發(fā)中都取得了明顯的效果。

（2）通過定向復(fù)合射孔設(shè)計，能夠有效避免水層與井筒的溝通，降低產(chǎn)液的含水率。

（3）對于需要水力壓裂才能獲得初產(chǎn)的水平井，復(fù)合射孔作為壓裂前預(yù)處理，可以誘導(dǎo)裂縫的延伸方向，多裂縫體系能夠促進縫網(wǎng)系統(tǒng)形成。

（4）由于水平井鉆井工藝受限，井眼軌跡往往偏離油層，如果偏離程度不大，水平井復(fù)合射孔的定向及深穿透功能可以實現(xiàn)井筒與偏離油層的溝通。

（5）為了克服水平井套管完井的不足，水平井篩管完井也是當前普遍使用的完井方法，但篩管完井無法實施有計劃的水平井分段開采，同時油井的后期改造困難，如進行酸化壓裂等，也不利于修井作業(yè)。水平井復(fù)合射孔可以彌補套管完井的不足，改變篩管完井方式。

（6）經(jīng)過400余口井的規(guī)模應(yīng)用，表明該產(chǎn)品技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠、安全性高。

［1］ 王樹申，鄭長建，趙春輝，等.復(fù)合射孔技術(shù)在×53－平37水平井中的應(yīng)用［J］.測井技術(shù)，2005，29（S1）：49－51.