求助：水力深穿透

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水力深穿透射孔
在钻井、完井、增产措施、生产和注入等各个作业过程，由于入井液体中固相的浸入或生产、注入等引起的地层内微粒的运移、物质沉淀等多种原因，用于油田生产的油气水井的近井带都存在不同程度的地层伤害。在低渗透油藏中，这种伤害更为严重，对生产的影响也更大。地层伤害造成油气井产量下降,注水井的注水量降低或注不进去。如何有效消除近井带的地层伤害，提高单井产量或注入量，是石油工程中一直在力求解决的问题之一。
) b0 S  `! u5 l4 T) }到2004年底，我国石油探明可采储量67.91亿吨，其中低渗透占28%，动用程度仅50%左右；预计今后每年新增探明储量低渗透占50%以上。目前，我国的低渗油田开发效果并不理想，开采效率低、经济效益差的现象普遍存在。据我国部分已开发的低渗油田统计，单井自然产能一般<5t，采收率≤20%，开采速度<0.5%，产油量年递减率一般在25～45%之间，最高达60%。如何找到经济有效的开发手段，进一步改善低渗油田开发总体效益，对我国石油工业的持续稳定增长具有重要的作用。
近20年来的相关研究和应用表明，水力深穿透射孔技术对于油田增产增注、低渗透油田近井带改造都具有重要的意义。
' u& v2 r, l: A2 G" h1 \8 W1 w在我国部分气田的开发中，采取打悬空水泥塞或井口水泥塞的方式完井后，再次入井作业时直接钻开水泥塞存在井喷失控的危险。用水力深穿透垂直钻孔系统钻泄压孔泄压后再作业，可保障作业安全。

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1水力深穿透射孔技术的研究与应用
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1.1系统构成与基本原理
水力深穿透射孔技术利用高压水射流钻孔的方式形成清洁孔道，借助对喷管、喷嘴的送进实现深穿透，孔深达到2m，孔径为φ20以上，孔道的流通能力为常规射孔的10～20倍。属于一种零转向半径的微型水平孔钻进技术。系统主要由井下工具和锚定器、过滤器等井下配套工具构成。地面采用小型高压泵组（配套功率110kw）供液，也可使用压裂车或水泥车分流后供液。目前形成的系统主要适用于φ139.7mm或φ177.8mm垂直套管井。
井下工具由负责对水泥环与地层实施钻孔的喷射系统和负责对套管开孔的冲孔系统构成。其中，喷射系统主要包括喷射控制阀、喷射送进系统、喷管和喷嘴，冲孔系统主要包括冲孔控制阀与冲孔机构。
作业时，用油管将井下工具下至预设井深并定位，通过在地面调节泵压控制井下工具动作，首先由冲孔控制阀控制冲孔机构以液力驱动的机械方式刺穿套管形成喷管进出的通道，然后再由喷射控制阀控制喷射送进系统沿此通道将带喷嘴的挠性喷管径向送入地层，由喷嘴喷出的高速射流钻透地层，边送进边喷射，形成一定孔径、一定深度的径向水平孔。一次下井可完成多个水平孔。水力深穿透射孔不仅穿透深、孔径大、流通能力强，而且定位准确、易于实现定向射孔。


1.2国内外现状
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& A- @0 Q! L( P5 l水力深穿透射孔技术最早于1984年在美国发明，1988年开始投入工业应用，在美国、加拿大作业数百口井，并成立了专门从事水力深穿透射孔技术服务的Penetrators公司。该公司于1993年前后推出了喷嘴固定喷射的变型产品，以进一步降低作业成本；于2000年前后开发了利用液马达驱动的磨铣头对套管开孔、利用液马达旋转柔性钻杆和金刚石钻头对地层钻孔的PeneDrill机械射孔工具，突破了利用高压水射流钻孔的技术界限，形成深穿透射孔作业的系列技术。
自1992年起我国大庆油田与美国ICT公司合作，着手开发这一技术，定名为JetDrill完井系统。以该项合作的成果为基础，ICT公司于2000年初开始，在大庆、辽河、江汉、吐哈等油田，开展了试用与推广的工作，已先后作业了50余口井。作业后大部分井都有较明显的效果，反映了该项技术在国内应用的实用价值。
由于水力深穿透射孔技术所具有的鲜明特点和在近井带改造方面的良好前景，不仅国内各油田对该技术表现出极大的兴趣，而且有多家研究院所和专业院校开展了该技术的应用分析与评价等研究工作。

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1.3应用与评价研究的基本结论
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1.3.1渗流场与增产机理研究
目前，常规聚能弹射孔深度一般在400～700mm，国内外研究的大孔径射孔弹和深穿透射孔弹的最大穿透深度也不超过1.37m，直径为17.5mm。聚能弹射孔产生的损害区或压实带对近井筒地层渗透率造成严重伤害，下降后的渗透率为原来地层渗透率的10%～35%左右，损害区的厚度大约为6～12.5mm，甚至达25mm。理论和实验研究认为，若射孔穿透伤害带、减小压实带，并选择合适的射孔方位，则油井产能比可大大提高。
对常规聚能弹射孔与高压水射流射孔渗流场的研究表明:
（1）常规聚能弹射孔压实带和钻井污染带对油井产量的影响不可忽略。高压水射流射孔完井可以避免射孔压实带对油井产能的严重影响，并且可以减少钻井污染带对产能的影响。对低渗透率地层，应尽量避免采用聚能弹射孔完井方式，而采用高压水射流射孔完井。
" k" A3 l  a  f3 A* {/ T+ ?（2）高压水射流射孔在不同污染带厚度条件下流速曲线表明，污染带厚度对油井产能有很大影响。为了获得高产油量，油气井射孔应尽可能穿透污染带。
* \! w: V5 j* R) \水力深穿透射孔的主要增产机理是：利用高速高压水射流的冲击切割和破碎碎岩石形成地层与井筒间的清洁通道，不造成压实带污染；高压水射流流体破碎岩石形成孔道的过程中，会使岩石内孔道附近出现一些微裂纹，有利于减轻近井筒地带应力集中，提高近井筒地带渗透率；形成的孔道能穿透近井筒污染带，消除钻井污染等造成的近井筒伤害的影响，增大泄油面积，有利于降低生产压降，提高未污染地层流向井筒的液量，从而提高油井产量。
4 o6 n8 n3 |5 U5 k1.3.2产能研究及影响因素分析
# s8 `- f- Y. \6 J0 B采用计算分支水平井产能的方法研究水力深穿透射孔井的产能。总孔深一定时，孔数越少产能越高，增加孔深是提高产能的重要手段。对作业井与直井产能比的计算分析表明，地层厚度与表皮系数对作业效果的影响较为显著。水力深穿透射孔技术在薄油层的开发中可产生更良好的效果，对于污染严重的油藏能够更有效的降低地层污染，大大提高油田的采收率。
1.3.3底水油藏开发的数值模拟
, ~7 S/ R  h- A" [运用数值模拟的方法，研究水力深穿透射孔方案对底水油藏开发无水累积产油量和最终采出程度的影响。提高底水油藏开发效果最重要的是抑制底水锥进，水力深穿透射孔可有效降低井筒周围的压力降，抑制底水锥进。较理想的开发方案是：射开比小于30%，避水高度大于60%；在存在夹层时，水力深穿透射孔应尽可能布置在非渗透夹层的上方。
1.3.4定向射孔开发裂缝性油气藏
; ^! r& g7 C" Z/ A' Q0 _& m# Y我国不少低渗油气田为裂缝性油气藏，天然裂缝发育，由于地层渗透率低，射孔产能取决于孔眼与天然裂缝的沟通程度。在孔眼方位与裂缝面方位垂直且裂缝密度一定时，孔眼穿透越深，能被孔眼沟通的裂缝数量就越多，完井产能就越高。这时孔密对产能的影响很小。水力射孔孔深远远大于常规射孔，易于实现定向射孔，对垂直裂缝发育的地层，采用水力深穿透射孔具有明显的优势。
1.3.5定向射孔辅助低渗透地层水力压裂
! v, h! @8 p- ~$ j对于天然裂缝不发育的低渗透地层，一般要实施水力压裂才能获得经济产能。而人工裂缝的走向总是垂直于最小水平地应力方向，如果布孔母线平行于最小水平地应力方位裂缝将会发生转向，不仅导致破裂压力升高，还有可能出现早期脱砂现象，并会增加渗流阻力而降低油井产能。因此，压裂井的射孔完井应该与压裂作业配套，采取定向射孔，使射孔方位尽可能垂直于最小水平地应力方位。
定向射孔水力压裂模拟试验表明：裂缝沿射孔孔眼启裂，裂缝启裂后发生转向，最终转到最大主应力方向。孔眼在最大主应力方向易产生平整大裂缝，且破裂压力最低。在射孔方位角不为0或不为180°时，0～30°射孔为最佳射孔方位。
水力深穿透射孔井眼应力模拟研究表明：采用水力深穿透射孔技术完井的直井，预计的裂缝起裂位置为孔眼根部的顶面和底面。充分利用其穿透深、孔密低、易定向等技术优点，沿着最大水平地应力方向布孔，通过选择合理的孔眼直径、合适的射孔密度，增加射孔深度，既可有效降低地层破裂压力，改善压裂效果，又可减轻套管损害程度。
" ]6 p" M1 k& }' i5 |通过定向容易使水力深穿透射孔方向与最大水平主应力方向一致，而且喷射出来的孔道比较深，高压射流产生的微裂缝及其对井眼周围渗透率的改善可进一步降低破裂压力，在裂缝的扩展过程中可以起到导向孔的作用。因此，采用水力深穿透定向射孔辅助压裂，可以在井眼处获得最大裂缝宽度，有利于产生单条主裂缝，降低破裂压力和裂缝延伸压力，为油田增产增注，特别是低渗透油藏开发提供一种有效手段。另外，水力深穿透射孔后，再注入酸液进行酸化，可以大大提高酸化处理范围，增加酸化效果。

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2水力深穿透垂直钻进系统钻水泥塞泄压孔技术分析


0 k1 U/ g* j+ F" r, P0 O2.1问题的提出
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2 z& C) I3 s" J! G$ P在辽河、大庆等气田开发的早期，对于完成固井与射孔作业、试气后产量不高的气井（多为探井），采取先在射开层段以上打悬空水泥塞、再打井口水泥塞的特殊完井方式封井。悬空水泥塞一般以木塞承底，位置距射孔层段上界几米到十几米；井口水泥塞一般用毛毡承底，采用将水泥浆在地面混合好后倒入井筒内的方式制成，厚度在6～8米，上界距套管头的深度一般为1米多或几米。
) Y4 V3 }* w9 s0 G, `5 T随着开发的深入和对地层认识的提高，出于地层改造、开发新层等原因需要钻开封井的水泥塞重新进入这些井作业。在实际作业过程中，作业者发现由于封井时间长，有些井的井口水泥塞下已被高压气体充满，悬空水泥塞下封有高压气体的情况则更为普遍。直接用螺杆钻等常规钻水泥塞的方式钻开时，极易发生井喷，特别是井口水泥塞，由于入井浅、无法靠入井液压井，井喷失控的风险极大。长庆靖边气田曾发生过钻井口水泥塞时井喷失控的情况，超过20MPa的高压气流瞬间喷出，将钻柱钻具喷出十多米高后摔成数截，好在由于井口正好无人、放喷时间短，未造chengren身伤亡事故和进一步的损失。
$ y. Z9 c' E8 X3 s! K( t为此，提出钻除此类气井井口水泥塞或环空水泥塞的一种新方法：先采用高压水射流钻进技术钻出小直径的泄压孔，通过泄压孔控制放喷，使封闭的高压气体泄压后，再用常规方式钻除水泥塞。基于水力深穿透射孔技术改造形成的垂直钻进系统能较好地满足水泥塞泄压孔钻进的要求。

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2.2水力深穿透垂直钻进系统的工作原理
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与水力深穿透射孔作业相比，钻水泥塞不需对套管冲孔，喷管和喷嘴可直接垂直向下送进而不必转向为径向送进。因此，去掉冲孔控制阀和冲孔机构、将喷嘴直接用一段直喷管与送进机构的空心活塞杆相连，将原有水力深穿透射孔系统简化后即可形成水力深穿透垂直钻进系统。
水力深穿透垂直钻进系统钻水泥塞的孔深大于2m，孔径为φ20以上。作业时，先用常规方法钻除部分水泥塞，使水泥塞的剩余高度不超过2m。用油管将井下工具下至当前塞面，用锚定器等方式固定管柱，井口装封井器，防止井喷时将管柱顶出并确保井口处于受控状态。
通过在地面调节泵压控制井下工具动作，由喷射控制阀控制喷射送进系统垂直送进喷管和喷嘴，由喷嘴喷出的高速射流对水泥塞钻进成孔，边送进边喷射，直至钻透水泥塞形成泄压孔。泄压过程中，可将泵压调至高出井口压力10～20MPa，在保持工具系统内循环、防止喷出气流对系统产生不利影响的同时，保证泄压孔的通畅。待水泥塞下封闭的高压气体泄压后，回收工具，进行下一步作业。
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. ?. B- n6 t/ f0 \2.3垂直钻进系统钻水泥塞泄压孔安全性分析
: Q( Z* F) \/ V8 l在水力深穿透垂直钻进系统钻水泥塞泄压孔的过程中，不需利用作业管柱送钻或施加钻压，可利用锚定器等机械措施固定油管柱有效防止井喷时的顶出；可关闭封井器封住井口，从溢流管线控制溢流或放喷，确保井口处于受控状态；工具系统内的防逆阀可限制井内高压经喷嘴反向流动，可消除泵压控制异常时高压气流经油管喷出的可能。因此，垂直钻进系统钻泄压孔过程的安全性是有保障的。
解决安全问题的关键，在于消除用常规措施钻除部分水泥塞这一配套作业过程的安全隐患。需要确认钻塞作业能有效控制水泥塞剩余高度，并保证剩余高度不超过2m时剩余水泥塞能可靠封住塞下的高压气体。
因此，为确保用水力深穿透垂直钻进系统钻水泥塞泄压孔能起到保障作业安全的作用，除了按要求进行系统准备与作业控制外，还必须准确掌握水泥塞的资料与数据，确保配套作业过程安全有效。为杜绝严重事故的发生，利用常规方法钻上部部分水泥塞时，应准备防止工具上顶的预防措施和井口控制放喷手段，保证剩余水泥塞不能封住高压时不至井喷失控。