定面射孔技术--孙

套管的抗挤压强度随开孔孔径的变化关系
水平井分段压裂泵送定面射孔技术
●定面射孔与常规螺旋布孔射孔方式对套管强度的影响：
定面射孔后套管在外压35MPa下的有效应力分布
（40孔/m）常规射孔后套管在外压36MPa下的有效应力分布
●开孔前后套管挤毁强度性能计算对比结果：
钢级 L80 L80 外径 /mm 139.7 139.7 壁厚 /mm 7.72 7.72 孔径 /mm 22 9 屈服强度 /MPa 665 665 布孔 类型 定面（夹角60度） 螺旋（40孔/m） 射孔前挤 毁强度 /MPa 43.37 43.37 射孔后抗 挤毁强度 /MPa 35 36 强度降 低/％ 19 17
西安通源石油科技股份有限公司
水力压裂完井配套射孔技术
一. 水平井分段压裂泵送定面射孔技术 二. 水平井分段压裂泵送定向射孔技术 三. 直井定射角定向射孔技术 四. 两次电缆输送定方位射孔工艺 五. 高破裂压力地层复合射孔射爆联作技术
一. 水平井分段压裂泵送定面射孔技术 二. 水平井分段压裂泵送定向射孔技术 三. 直井定射角定向射孔技术 四. 两次电缆输送定方位射孔工艺 五. 高破裂压力地层复合射孔射爆联作技术
3）产品规格及主要性能指标
枪身外径：86mm，89mm，95mm，102mm，127mm 耐温指标：普通级121℃/48h，高温级163℃/48h
耐压指标：105MPa
装弹数量：3簇/m，共18发 输送方式：电缆或油管 穿孔性能：
产品规格 86 mm (3 3/8”) 89 mm (3 1/2”) 95 mm (3 3/4”) 102 mm (4”) 射孔弹规格 BH44 BH44 BH48 BH54 装药量/发 25g 25g 25g 35g 孔眼直径（API） 19 mm 19 mm 22 mm 25 mm 孔眼深度（API） 249 mm 249 mm 270 mm 230 mm 适用套管规格 5-1/2” 5-1/2” 5-1/2” 6-5/8”，7”
——如果井筒平行最小主应力方向，则产生 与井筒相垂直的横向裂缝。 ——如果井筒与最小主应力方向垂直，则产
生与沿井筒方向延伸的纵向裂缝，裂缝形态
不能人为控制。
水平井井筒方位对裂缝走向的影响
水平井分段压裂泵送定面射孔技术
3、定面射孔技术所能解决的问题
水平井定面射孔技术采用超大孔径射孔弹及特殊布 弹方式，射孔后，在垂直于套管轴向同一横截面的 内壁圆周上形成多个孔眼，圆周上多个孔眼排布可 形成沿井筒横向的应力集中，能够有效控制裂缝走 向，降低地层破裂压力。压裂时的裂缝走向沿井筒 横向扩展，避免段与段之间压裂裂缝的交叉串通， 提高缝网系统的完善程度，提高产能。该技术可替 代投球滑套分段压裂技术。
127 mm (5”)
BH61
43g
25 mm
251 mm
7”
水平井分段压裂分簇定面射孔新技术
D95-12BH25试验情况
射孔器参数： 射孔器外径：95mm 有效枪长： 1000mm 射孔弹规格：BH48，装药量25g
布弹方式：临孔夹角60゜，2簇，6发/簇，共12发
射孔靶参数： 试验套管：规格5 1/2”，长度1450mm，钢级J55，壁厚7.72mm
螺旋射孔
起裂压力为29.6MPa
小结
• 定面射孔的裂缝起裂压力比螺旋射孔要小 。对于定面射孔，若是增加射孔的轴向夹 角，则射孔的影响范围变大，起裂压力有 减小的趋势。
裂缝起裂后的融合
模型的总体长宽高均为2 m，轴向夹角 37.50，改变径向夹角 通过损伤分布，判断融合情况
径向夹角为600
2 2 4 2 rw rw 3rw 4rw 1 1 r 2 pw ( H h )(1 2 ) ( H h )(1 4 2 )cos 2 2 r r r r 2 2 4 rw rw 3rw 1 1 2 pw ( H h )(1 2 ) ( H h )(1 4 )cos 2 2 2 r r r
• 当定面射孔径向夹角小于700时，三个射孔起裂的 裂缝能够融合在一起；当夹角大于800时，裂缝没 能融合在一起 • 不管初始最小主应力沿着什么方向，定面射孔能 有效的控制裂缝起裂方向，使得裂缝沿着三个射 孔所在的面延伸
水平井分段压裂泵送定面射孔技术
7、定面产品技术特点及性能指标
1）产品技术特点
● 采用枪内特殊的分簇布弹方式，每簇为6发弹，可依据压裂裂缝方位要求个性化定面布孔设计，射孔 后形成特定的压裂通道；
10m
157.7m, 14.5m, 10.9mm
小结
• 当裂缝间距较小时，缝间干扰严重，最终 的压裂效果相当于一条缝的压裂，裂缝间 距小于20 m时，干扰效果都很明显；当裂 缝间距大于30 m时，相互之间的干扰作用 较小，两条缝各自都能向两翼张开
摩阻计算
ps pb p pf p f ph
• ABAQUS引入了扩展有限元方法用于模拟不连续的 问题，但还没有引入到渗流应力耦合的模拟问题 中，且对于三维扩展有限元模拟，收敛性较差仍 然是一个大问题。
二维平面应ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱXFEM
最小主应力为10 MPa
最小主应力沿着y方向
小结
• 定面射孔能有效的降低起裂压力，且对起 裂方向有一定的控制作用（不管最小主应 力沿着什么方向）
z v 2 ( H h )( w )2 cos 2
3rw4 2rw2 2 1 r ( H h )(1 4 2 ) sin 2 2 r r
r r
z rz 0
水平井分段压裂泵送定面射孔技术
●定面射孔与常规射孔孔眼在压力加载时的应力分布比较
Willingham et al., SPE paper 25891, 1993
2.2385 104 Q 2 ρ p pf n 2 d 4C 2
i t c 1 t c / s
加砂浓度
排量6m3/min 螺旋射孔密度为 16孔/m 定面射孔为两排 共6个孔
小结
• 由于定面射孔采用超大孔径，可以有效降 低摩阻
单孔和处于同一平面下的多孔孔眼周向应力分布示意图
水平井分段压裂分簇定面射孔新技术
●孔眼附近所受应力的数学模型
当井眼钻完后，原来支撑地应力的岩石被流体取代，这时将在近井区域出现应力集中。考虑到井眼围岩 受远场地应力和井底流体压力的联合作用，定义张应力为负，压应力为正，孔眼附近的井眼围岩所受的 应力在极坐标系下表示为：
垂直于井筒横向定面射孔孔眼在30MPa压力 加载时模拟地层的应力分布矢量图
常规射孔孔眼（90度相位）在30MPa压力 加载时模拟地层的应力分布矢量图
定面射孔可形成应力分布面
常规射孔无法形成应力分布面
水平井分段压裂泵送定面射孔技术
6、定面射孔后套管强度理论评价
●开孔孔径对套管挤毁强度性能的影响： 套管材料的弹性模量E为2.06×105MPa、泊松比μ为0.28。 随开孔孔径的增大大，套管抗挤压强度呈下降趋势。
总结
• 对于缝间干扰问题，当裂缝间距较小时，缝间干 扰严重，最终的压裂效果相当于一条缝的压裂， 裂缝间距小于20 m时，干扰效果都很明显；当裂 缝间距大于30 m时，相互之间的干扰作用较小， 两条缝各自都能向两翼张开 • 定面射孔能有效的降低射孔孔眼摩阻，原因是定 面射孔的孔径很大
• 相对于常规螺旋射孔压裂，定面射孔能有效的降 低起裂压力，且随着定面射孔的轴向夹角增加， 起裂压力有减小的趋势
● 特殊研制的超大孔径聚能射孔弹，保证尽可能大的水力压裂泄流面积；
● 枪内分簇布弹的簇数可按照单井的水力压裂设计要求配套设计。
2）工艺技术特点
● 与通源特有的水平井自定向射孔技术相配套可实现水平井预定方向上的定面射孔； ● 与泵送桥塞多簇射孔工艺配套实现水平井多簇定面射孔和分段压裂联作工艺；
水平井分段压裂分簇定面射孔新技术
起裂压力
• 损伤力学方法 • Tang et al., Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 2002
0 D 0 1
0 0
E (1 D) E0
定面射孔
射孔径向夹角600， 轴向夹角分别为200、 37.50和600，孔深 251mm，孔径25mm
采用水力压裂完井，射孔设计应更多地关注以下三个方面： ——在井壁上能否获得更大的流通泄流面积 ——降低储层破裂压力，以降低水力压裂实施难度
——科学引导压裂裂缝延伸方向，诱导压裂裂缝，促进有效缝网系统的形成
水平井分段压裂泵送定面射孔技术
2、常规泵送射孔器存在的问题
在水平井套管井分段压裂中，缝网系统的完善程度决定了在储层中是否能够获得最大的泄油面积，而 裂缝的走向对缝网系统的完善程度影响很大，一般要求裂缝的走向应尽可能地沿井筒径向扩展，这样 就可有效避免段与段之间压裂裂缝的交叉串通，提高压裂效果。常规的聚能射孔一般采用螺旋布孔方 式，射孔后，在井筒套管内表面形成螺旋状均布排列的多个孔眼，压裂时，大多数情况下裂缝只能沿 垂直于天然最小主应力的方向扩展，裂缝走向不能控制，极有可能造成段与段之间压裂裂缝的交叉串 通，影响压裂效果。
水平井分段压裂分簇定面射孔新技术
4、定面射孔的概念
射孔孔眼平面与井筒垂直
射孔孔眼平面与井筒可成任意夹角
射孔孔眼平面与井筒平行
三种状态下，射孔孔眼都处于同一平面上，形成了应力集中，水力压裂时，压裂裂缝优先从该平面 上起裂并向平面延伸方向向外扩展。
水平井分段压裂泵送定面射孔技术
5、定面射孔技术原理
●应力集中理论
水平井分段压裂分簇定面射孔新技术
1. 前言
近几年，随着国内外页岩气、煤层气以及特低渗透致密油气藏开发的不断深入，由于此类油藏的自然 产能很低，体积压裂就成为首选增产技术。而体积压裂优化设计与射孔技术紧密相关，怎样的射孔技 术才能有效地配合体积压裂，使油气井获得更高的产能和采收率，是当今射孔技术的主要研究方向。
定面射孔的理论依据
• • • • • 双裂缝干扰研究 摩阻计算 起裂压力的模拟 裂缝从射孔起裂后的融合模拟 裂缝起裂方向的判断
缝间干扰
tn ts tt o o o 1 tn ts tt
f max o dm (d m dm ) D max f o d m (d m d m )
水平井分段压裂分簇定面射孔新技术
8、 地面测试
射孔后试验套管穿孔情况
射孔后剖靶 射孔后试验套管内孔眼成孔情况
水平井分段压裂分簇定面射孔新技术
D95-12BH25试验情况
应力集中就象在布店里买一段布，先在一端剪一个口子， 两手一撕，布就开了，这就是应力集中的原理。
水平井分段压裂分簇定面射孔新技术
●同一平面内多孔眼的应力叠加关系
岩石是典型的脆性材料。射孔后，孔边的应力将远远大于无孔时的应力，射孔孔眼周围呈现应力集中现 象，应力集中的大小和影响范围与射孔弹和能量分布有关。对于脆性岩石，因无屈服阶段，当载荷增加 时，应力集中处的最大应力一直领先，首先达到强度极限并产生裂纹。裂纹方向取决于应力的大小和方 向，应力集中大小和作用范围与射孔孔径和射孔相位有关，同一平面内多孔眼的应力相互叠加，更利于 裂缝的扩展和连通。孔眼根部起裂的裂缝更宽，裂缝通道也更光滑，更利于压裂施工和控制裂缝方向。
2 2 2
E (1 D) E0
• • • •
分别考虑两排射孔反方向和同方向的情形 间距2m，5m，10m，20m，30m，40m 排量3m3/min，压裂时间30min 模型总长240m，高度40m
两排射孔反方向
间距2m
228.8m, 5m, 4.7mm
横着放的看起来是 一根线的，是井筒， 以下的图相同
小结
• 当射孔径向夹角小于700时，三个射孔起裂 的裂缝能够融合在一起；当夹角大于800时 ，裂缝没能融合在一起。因此建议工程中 定面射孔的径向夹角小于800
扩展有限元法(XFEM)模拟起裂方向
• 扩展有限元法(XFEM)最早是1999年美国西北大学 的Belytschko和Moes等提出的新的计算方法，相对 于传统有限元法，能方便的模拟裂缝沿着任意路 径的扩展。