定向限流法射孔压裂技术及发展方向

定向限流法射孔压裂技术及发展方向
摘要：研究了射孔方位角、地应力和岩石力学性质与射孔方位相关关系，为射孔方位确定和压裂施工效果提供坚实基础和可靠保障。

应用表明，定向射孔压裂可以有效减小近井摩阻，增加地层中流体的渗流能力，提高低渗油田的产能，并提出了低孔低渗储层射孔工艺发展方向及改进的建议。

关键词：定向射孔；井筒崩落；横波异性
水力压裂技术是某油田绝大多数油层进行良好改造措施的有效方法。

但是有些井在压裂施工过程中由于近井筒处高摩阻，造成油层改造失败。

针对这一问题，结合地应力方向的研究，探索出了定向射孔压裂技术，这项技术解决了由于螺旋射孔形成的复杂近井筒裂缝几何形状导致高摩阻造成施工失败的问题。

定向射孔是解决近井筒处较高的摩阻一种有效途经，施工安全，针对性强。

1 理论研究
定向射孔压裂技术是在与水平最小主应力方向成某一角度定向射孔，通过水力压裂造缝，使裂缝沿射孔孔眼方向起裂，然后重新定向到垂直于最小主应力方向，在同一压裂层内形成二条裂缝。

研究表明，射孔方位角对裂缝起裂方位有重要影响，裂缝的起裂位置与射孔方向一致。

地应力是压裂工程中的重要参数，其方向解释有井筒崩落地应力方向分析方法和横波各向异性地应力方向分析方法。

1.1 井筒崩落地应力
1.1.1 基本原理
油井钻井过程是在地应力作用下进行的。

钻井井孔的形成导致地应力在钻孔井壁上产生应力集中，当应力集中超过井孔周围岩石的破坏强度时，岩石便出现破坏而产生井孔崩落现象。

因此，井孔崩落与地应力状态即地应力大小和方向)存在内在的必然联系。

分析表明，水平最小主应力方向出现最大的应力集中，因此最容易发生井孔崩落。

也就是说，井孔崩落方向代表着水平最小主应力方向。

当考虑井孔中流体压力和岩石中孔隙流体压力时，水平最小主应力方向上最容易发生井孔崩落，即井孔崩落方向反映水平最小主应力方向。

1.1.2 基本方法
井孔崩落导致崩落处的的井径增大，利用四臂、六臂地层倾角井径测井仪或FMI成像测井可以直接测定井孔井径变化特征，便可确定井径增大方向，即最小主应力方向。

1.2 横波各向异性地应力
横波各向异性地应力方向分析是应用交叉多极阵列声波测井（或偶极声波测
井）分析主地应力方向，横波各向异性中的快波方向为水平最大主应力方向，
1.3裂缝延伸方向研究
根据断裂力学理论和数模分析，研究了射孔角度、水平最大主应力和水平最小主应力差值对裂缝形态的影响程度。

（1）随着最大主应力和水平最小主应力差值的减小，在最小主应力方向上裂缝延伸距离增加，两者的关系基本上为二次方关系。

水平应力差值越小，定向射孔时水力裂缝在水平最小主应力方向上延伸距离越大。

（2）随着射孔与水平最小主应力方向夹角的增加，裂缝的延伸距离降低。

因此，在定向射孔压裂中，确定定向射孔方位十分关键。

2 现场应用
A井位于某区构造的一口预探井，施工目的是提高特低渗透F油层压后产能，开展定方位限流法射孔工艺的试验，监测裂缝方位。

统计某年进行了A井定向射孔压裂试验。

采用大排量法压裂，压裂前进行了逐渐升排量然后降排量的小型压裂测试，并应用地面电位和地面微地震2种方法监测了裂缝形态，说明定向射孔完井压裂取得了良好的效果。

2.1射孔方向
采用井筒崩落方法分析该井最大水平主应力方向为NE95.21°，射孔方位北东95.21°，射孔相位角180°。

2.2参数优选
根据限流法压裂设计原理，应用压裂施工模拟技术，结合不同工艺特点及录井、测井解释资料，根据本井的地质要求和设备能力的适应性，确定出施工规模、排量（见表1）。

表1
2.3 现场试验
该井于某年9月30日施工，采用清洁压裂液配合定向射孔限流法压裂工艺。

地面施工压力梯度为0.0124MPa/m，压裂施工排量 5.0m3/min时，施工压力22.5~18.0MPa，打入压裂液169.5 m3，放喷压裂液90m3，返排出48.9 m3，返排率达到81.9%。

定向射孔射开4个小层，射开厚度16.6m，炮眼数15个。

测试压裂分析表明压开发炮眼数为12.26个，孔眼摩阻为 5.4MPa，近井摩阻为
2.38MPa。

根据限流法摩阻与单孔排量的关系曲线分析认为摩阻在5.4MPa时的单孔排量为0.4m3/min，总排量为5m3/min，压开炮眼数为12.5个，与软件分析一致。

压裂施工曲线见图1。

2.4 裂缝监测
采用微地震测试技术进行裂缝方位监测（图2）裂缝方位为NE94.08°，与井筒崩落方向分析结果NE95.21°一致。

图1 A井压裂监测曲线图2 A井微地震监测成果图
2.5低孔低渗储层射孔工艺发展方向及改进的建议
某油田产能建设区块以低渗储层居多，某年产能区块储层孔隙度15-25%，渗透率低（6-68×10-3μm2）。

目前对不需要油层改造的中低渗透层原则上采用89枪89弹或102枪127弹射孔，以穿透污染带、获取较高的产率比。

经初步调查，多级脉冲射孔有深穿透、造缝、延缝、扩缝作用，使近井带的连通情况明显改善，产生的次生裂隙降低了油流动的阻力，可以有效改善低渗储层油井投产效果。

（1）多级脉冲射孔。

首先射孔弹完成穿孔，一级火药产生峰值压力作用于射孔孔眼，提高孔深，扩大孔径，有效清除射孔压实，实现解堵、造缝。

二级火药再次作用于射孔孔眼，实现延缝、扩缝；形成的裂缝产生错动不易闭合，改善近井带的渗流条件。

目前统计多级脉冲射孔已实际应用130余井次，射孔一次成功率、发射率均为100%，某油田应用多级脉冲射孔7口，平均产量比7口井的
89/20高4.6t、产油量高2.5t。

为此建议开展多级脉冲射孔可行性及工艺优选，修订低渗储层不改造油井射孔工艺理念。

改进方式：针对低孔低渗储层油藏，进行89枪89弹射孔、102枪127弹射和多脉冲射孔优选，形成适应于某油田低渗产能区块的射孔工艺模式，进一步降低产能建设工程投资。

（3）水力喷砂射孔压裂。

将水力喷砂射孔与水力压裂两种工艺相结合，通过一次施工来完成射孔和加砂压裂两种作业，属于一种重大革新型的增产工艺，可在近井地带产生高导流缝穴，有利于油田的增产和稳产。

这种工艺不仅能加深射孔的深度，而且能大大降低地层的破裂压力，同时还能减少压裂施工作业的难度，为改善单井的地层渗透性，提高单井产能，增强近井地带的渗流能力，可实施水力喷砂射孔压裂作业。

（4）全通径射孔压裂一体化管柱技术。

射孔后不动管柱直接进行压裂作业。

射孔、压裂施工一次成功，高砂比45%，平均砂比38%，加砂强度1.64 m3 /m，均达到了设计要求，施工一次成功。

管柱顺利解封起出。

节约卡封工具一只，节省压井、起管柱、下管柱、坐封、验封工序。

全通径射孔技术在射孔弹发射后，枪内的支撑和定位器材全部破碎成细小的颗粒物落入收集枪，使射孔枪内行成通径，通过枪身孔眼与油套还空连通，在不用起下管柱的情况下进行后续作业，可实现射孔投产、射孔测试、射孔酸化和射孔压裂连作等，极大地提高了工作效率，节省了作业时间和作业费用，具有广阔的应用前景和推广价值。

4结论及认识
（1）在特定的水平应力差值下，通过定向射孔结合大排量压裂技术，裂缝延伸情况基本与射孔方向一致，裂缝未按照最大水平主应力方向延伸，避免与水井直接连通。

（2）如果在特定地应力条件下通过射孔方向可以改变裂缝起裂及延伸方向，可为同井同层重复压裂井提供新的思路，即先封堵原裂缝及炮眼，然后采取定向射孔工艺射开剩余油富集区域，提高单井采油量及最终采收率。

（3）在垂直缝压裂时沿最大主应力方向射孔，能有效减小由于裂缝弯曲导致的近井高摩阻，降低施工难度，提高射孔效率，减少射孔孔数，可避免由于射孔引起的套管抗挤强度的减弱。

（4）提出了改进低孔低渗储层射孔工艺发展方向及工艺理念的建议。

多级脉冲射孔，在不实施油层改造的情况下，能够显著改善近井带渗流条件，解除油层堵塞，提高油井产能，具有很好的应用前景。

参考文献：
[1]王鸿勋等.水力压裂原理.北京：石油工业出版社，1996.
[2]李志明等.地应力与油气勘探开发.北京：石油工业出版社，1997.。