水力喷射深穿透射孔技术应用(报告)1

TUHA R&D
水力喷射深穿透射孔技术
研究及应用
吐哈石油钻采工艺研究院
2005年8月
目录
前言
一、立项背景
二、水力喷射深穿透射孔技术简介
三、水力喷射深穿透射孔技术的优点及应用范围
四、水力喷射深穿透射孔技术在吐哈油田的适应性分析及选井条件
五、射孔工具改进研究
六、现场应用效果和经济效益
七、认识和结论
八、存在问题及改进方向
水力深穿透射孔技术研究及应用
吐哈油田钻采工艺研究院（2005.8）
摘要：水力深穿透射孔的井下工具主要由控制部分、喷射系统和冲孔部分组成。

它利用油管传输动力液，分别驱动井下两个不同的液马达，一个马达驱动铣刀完成套管铣孔开窗，另一马达实现地层径向钻孔实现深穿透射孔的目的，从而在油层和井筒之间建立一个直径大、长度长、清洁无污染的液流通道，同时将地层岩屑带走，套管和水泥环不会受伤害。

由此克服了炮弹射孔粉压作用造成的二次污染。

水力深穿透射孔技术，是低渗地层完井、地层改造、提高采收率的一项有效新技术，为油田提供了一种改变传统增产增注和改善剖面矛盾的新技术。

本文主要介绍水力射孔技术在吐哈油田的研究、应用情况及效果等。

主题词：水力深穿透射孔控制部分地面系统井下工具应用效果
前言
最早的水力射孔主要以喷嘴固定和套管对称割缝等形式来实现，但它们都有一个共同的缺点，喷嘴在井下不能径向移动延伸，射出的孔眼径向距离短，孔道尺寸形状不规则，对油井套管和固井水泥环都有不同程度的伤害或损坏，射孔达不到预期的目的和效果。

从20世纪80年代中期开始，先后在美国、加拿大逐步发展起来的一种新型射孔技术，虽然该技术在数十年的发展中，进行了多次技术升级，但归根到底不外乎以下两种主要模式：第一、套管冲孔＋高压水力喷射切割岩石射孔；第二、套管钻孔开窗＋水力地层径向钻孔射孔。

前者是最早研制开发的，高压水力喷射深穿透射孔技术的实质是完全利用水力作用，液压冲击头冲开套管，带软管的喷射头从冲击头的中心孔中径向向外伸出，以高压流体切割地层的方式完成射孔的。

该技术已经比较成熟，在美国已应用数百口油水井，取得了良好的效果。

1989年成立的Penetrator加拿大公司对前者进行了升级，且产品已经商品化，进入工业化应用阶段，其主要特点是降低了射孔系统工作压力，由原来的70MPa 降低到24-26MPa，提高了现场施工的安全性、可靠性。

它是在作业的过程中利用油管传输动力液，在地面控制压力的变化，进而控制井下射孔工
具，用井下液压马达驱动钻头钻孔的方法在油层和井筒之间建立一个直径大、长度长、清洁无污染的液流通道，从而实现深穿透射孔的目的。

到目前为止，该技术已比较成熟，在加拿大、阿曼等国家的油田应用了数百口油水井，见到了明显增油增注的效果，平均增产增注1-3倍，最高可达10倍以上，尤其应用在致密的低渗透油藏效果更佳。

一、项目背景和目的意义（一）、项目背景
1、随着油田开采的不断深入，采油逐渐由I类储层向II、III类储层转变，Ⅱ、Ⅲ类储层层薄、物性较差（有效渗透率≤5×10-3um2），不能形成有效驱替，动用程度仅为60%和40%，而常规技术很难有效改善Ⅱ、Ⅲ类层储层开采状况。

鄯善油田厚度小于5m的井层180层821.6m，丘陵油田薄层厚度占总射开厚度的18.7%，2001年剖面资料表明，不动用层中连通的85层284.3米，其中II、III类层有63层153.2米，95.2%为薄层，薄层压裂有效率仅为56.3%，平均单层增注量仅为6.2m3/d。

压裂虽然仍是油井增产的主要措施，但由于其改造的重点从渗透性相对较好的主力产层转为物性相对较差的差油层、薄油层和含水油层，改造的难度增加，压裂效果逐年变差，而且对分层选压和裂缝控制要求较高，这就需要发展和配套适应低渗、特低薄油层和含水油层的高效增产增注工艺技术。

2、油田进入中含水期以后，地层压力保持水平低，油井供液能力下降，产量递减快，部分注水井长期欠注，水驱动用程度相对较低，须加强注水，以提高水驱动用程度，而注水井薄层压裂有效率及单层增注量低。

鄯善、丘陵、温米三大主力油田注水能力低于生产能力，虽然历年来采取了大量的增注措施，但高速开采导致地层压力保持水平仍较低。

如表1.1所示，目前三大油田平均地层压力为20.4～23.8MPa，总压降2.8～6.3MPa，与合理压力保持水平相差0.5～2.9 MPa，而且，部分井组地层压力更低。

目前尚有一批注水井仍然欠注，而且有射孔工具部分注水井长期欠注，经多次压裂、酸化效果均不佳，特别是薄层和薄夹层的改造技术未获得突破，增注效果差。

另外，由于回注污水水质难以达到低渗透油田水质要求，对储层吸水能力造成了一定伤害，导致吸水能力和剖面动用程度下降。

3、部分低效区块尚未发挥潜力，储量动用程度低。

吐哈油田低效区块地质储量2750万吨，占开发动用储量的15.3％。

这些低效区块普遍存在水驱控制程度低、地层压力下降快、产量递减幅度大等问题。

鄯善油田西Ⅲ区、西山窑、西Ⅳ区、温米油田温西十、丘陵油田陵3西、巴喀西区等区块采油速度平均0.5%、采出程度平均5.82%，详见表1.2。

这些区块在目前的技术条件下，难以实现经济有效地开发，迫切需要采用非常规技术的水力深穿透射孔（径向钻孔）和连续油管喷射侧钻水平孔段等新技术来提高这些难采储量，实现经济地开发。

表1.1 吐哈三大主力油田压力系统状况
表1.2 吐哈油区主力油田采油现状分析
油田区块地质储量
(104t)
采出程度
(%)
综合含水
(%)
采油速度
(%)
水驱控制程
度(%)
鄯善西Ⅲ区161 7.4 39.7 0.51 53.4 西山窑174 8.5 84.4 0.06
西Ⅳ区285 12.6 54.4 0.52 57.6
温米
米登380 15.85 65.13 0.42 67.7 温西十380 4.7 58.27 0.46 66.8
丘陵陵3西263 6.68 29.66 0.68 48.8 巴喀西区710 7.15 60.0 0.44 55
神泉
白垩系105 1.34 7.46 0.30 衰竭侏罗系神1块122 1.22 4.3 0.14 注水侏罗系神102块29 3.1 0 0.18 注水侏罗系神104块9 4.64 0 0 衰竭侏罗系神2块16 1.04 0 0 衰竭
红连2号J2q-J2s 116 1.81 52.58 0.09 衰竭合计2750
（二）、目的和意义
1、薄层或薄夹层改造，提高剖面动用程度；
2、动用未动用的难采储量，保持油田持续稳产；
3、降低难注入层注水压力，增加注入量；
4、穿透油水井近井地带作业流体产
图2.1 工作原理示意图
循环阀 机械锚
过滤器
控制部分
喷射系统
冲孔部分
油管 图2.2 井下射孔工具示意图
生的污染带，恢复油井产能。

二、 水力喷射深穿透射孔简介
如图2.1所示,水力喷射深穿透射孔技术是完全利用水力作用，液压冲击头冲开套管，带软管的喷射头从冲击头的中心孔中伸出，以高压流体切割地层，喷嘴与软管一起随着切割的加深逐渐前进，射孔深度达2米以上，大大超过了近井地层污染带，并克服了炮弹射孔粉压作用造成的二次污染，是低渗地层完井、地层改造、提高采收率的一项有效新技术。

1、 工具系统
其井下工具主要由三部分组成，总长11. 0m ，最大外径φ116-118mm ，这些部分包括控制部分、喷射系统和冲孔部分见图2.2。

控制部分是整个射孔工具系统在井下动作的关键和控制中枢，它是一个液压驱动的换向阀，低压时，液力回缩喷射系统和冲孔器冲头，高压时，换向阀换向使喷射系统和冲孔器冲头外伸。

喷射部分和冲孔部分都是双作用水力活塞总成，可实现喷射部分外伸和回缩喷射软管及冲孔部分外伸和回缩冲头。

喷射软管是一个1／2″的高压铠装半刚软管，其前面带有一个喷嘴，喷射部分提供切割地层岩石的高压流体。

除了上述三个主要部分之外，还有机械锚定器、高压过滤器、循环阀等附件。

锚定器起射孔过程中锚定油
管柱、防止其上下移动的作用；过滤器作用是将高压流体中的固体颗粒过滤掉；循环阀的作用是允许液体反循环或射孔完毕后排出油管的液体。

2、地面系统
地面系统见图2.3，包括一台车载式柴油机动力的三缸柱塞高压泵、地面控制操作室、水罐车和回水罐等。

地面高压泵装在地面作业车上，其功能是向井下射孔系统提供连续不断的可控的高压工作流体，额定压力为70.3MPa，额定流量5-8m3/h,高压泵的吸入压力由一台离心泵提供，并在吸放前加一道过滤器，防止高压泵吸空。

通过地面控制室的操纵台，可控制整个施工过程的各动作；水罐车向地面高压泵提供水源；回水罐是用来回收从环空返出的液体，达到环保要求。

3、主要技术参数
总长：11.0 m
最大外径：φ116～φ118mm 适用套管：5-1/2″
套管钢级：< N80
套管壁厚：<10mm
过滤精度：20～40μm
额定工作压力：68MPa
额定排量：6 m3/h 径向射孔长度：2.0 m
径向射孔孔径：>25.4 mm 喷射软管适用温度：
<150℃
平均单孔耗时：50-60min
4、工作程序过程
（1）如图2.4所示，管柱下
到预定的射孔井段，校深合格后坐
封油管锚定器，升压使控制部分换
向阀切换到“外伸”位，此时压力
28～42 MPa。

（2）冲孔器和喷射软管同时外
伸，一旦冲孔器完成套管冲孔后，
过一段时间（一般为10分钟左右）
图2.3 水力射孔地面设备
图2.4 射孔过程示意图
喷射软管从工具腔内伸出喷射切割固井水泥环和地层岩石。

（3）升压至50～60 MPa ，喷射软管沿着冲头的中心孔径向伸出，伴随着高压喷射流体贴近地层射孔。

在高压喷射软管切入地层的过程中，同时它还以较慢的速度旋转着，以确保地层射出的孔水平、规则。

（4）当喷射孔完成后（以喷射时间来确定），降压使控制部分复位到“回缩”位，使冲孔器的喷射软管回退到工具腔内。

（5）降压到零后准备射下一个孔。

5、 目前技术水平
◆ 射孔孔径为25mm 以上，径向长度达到2m 以上；
◆ 射孔枪最大外径110～114mm ，工作压力70Mpa ；
◆ 所有密封件及井下高压过滤器耐温性能超过120℃； ◆ 根据地层岩石的坚硬程度，喷射软管给进机构，实现智能化控制进给速度；
◆ 射孔液实现选用地层水能够正常工作。

三、水力深穿透射孔技术的优点及应用范围
1、技术优点
根据高压水力喷射射孔原理和从现场应用效果来看，该技术适用范围广，采用了先进的密封技术、液压控制技术，同时采用了实时安全预警系统和作业全过程的各项数据实时监测，进而实现了井下射孔工具动作的地面实时监测，该技术操作安全可靠。

具体来说该技术具有以下主要优点：
1）射孔孔道规则、无碎屑、清洁无污染；
2）射孔孔道长(2～3m)，可大大穿越油层污染带；
3）对套管、水泥环和地层无破坏，无压实带；
4）以较柔和的方式实现油层深穿透；
5）减少地层压降阻止潜在的锥进；6）在近井地带实现自然压裂；7）消除常规射孔对套管和固井水泥破坏的危险；
8）在射孔过程中，可使用轻质配伍的流体；
9）能显著提高油井产量或水井注水量（通常提高1～3倍，甚至10倍），并能提高最终采收率。

2、技术应用范围
高压水力喷射射孔技术是针对常规射孔距离短，难以穿透油、水污染带和解决油田在开发过程中所暴露出来的油层物性差异大等矛盾而潜心研究研制出来的新型射孔技术。

从国内、外现场应用结果可以肯定，该技术在解决低渗透和油层严重污染等影响开发效果的问题上起到了积极的作用，增产、增注效果明显，且施工工艺简单可靠，与酸化、压裂相比施工成本可大大降低，而取得的经济效益却接近酸化、压裂等常规增产措施，所以应用前景广阔。

该技术主要应用范围如下：
1）高污染井；
2）新井完井中避免对油藏的破坏和压实性伤害；
3）常规射孔不能穿透侵蚀段或在注水泥作业中形成厚水泥环的井；
4）需要压裂但无隔层阻止裂缝垂直延伸而进入邻近地层的层段；
5）很难达到配注量或吸水剖面不统一的注水井；
6）注入处理液会进一步造成污染的酸敏地层；
7）由于结垢、结蜡和氯化物等造成二次污染的井；
8）低渗透率（1md～25md）油藏要获得较经济的开采速度，应用效果理想。

四、水力喷射深穿透射孔技术在吐哈油田的适应性分析及选井条件1、适应性分析：
吐哈的油藏地质条件适应于高压水力喷射孔技术
由于高压水力喷射孔技术适用于油层岩性胶结较好、不易坍塌的油层，但国外也有应用疏松砂岩的例子，高压喷射软管对油层温度要求小于1500C，而吐哈油层为岩性致密低渗低孔，储层温度小于1500C，正好满足水力深穿透射孔技术的要求。

◆可消除常规射孔压实带的负面影
响
普通常规射孔其射孔孔眼是依靠射孔弹的能量对油层的强制挤压作用形成的，因而造成孔眼周围的岩石密度变大，孔隙变小，渗透率大大降低（据资料介绍局部渗透率最大可降低70%以上），生产时流体在射孔孔眼周围聚集，流动阻力增大，影响生产效果。

这对于吐哈“三低”油藏的开发无疑会雪上加霜，大大降低开发的经济效益。

故吐哈需要更新的无污染的射孔技术的应用的尝试，以提高油田的开发效益。

实施高压水力喷射孔技术，可以完全消除常规射孔带来的射孔压实带的负面影响，因而能恢复地层的渗透率，减小流体阻力。

◆吐哈油藏的污染带为1-1.2米，
普通射孔不能穿透此污染带
吐哈油田虽然在钻井过程中采取了减少钻井泥浆对油藏污染的新技术，但油井的钻井泥浆污染亦再所难免，而常规射孔由于射孔径向距离较短，无法穿透这个油井污染带。

鉴于此情，需要深穿透技术以穿透钻井污染带，从而提高单井产能。

与普通的射孔技术相比，高压水力喷射孔技术具有常规射孔所无法比拟和达到的射孔深度和直径。

射孔孔径可达25.4mm以上，射孔径向长度可达2 m 以上，足以穿透油井污染带。

对于吐哈低渗透砂岩油藏，由于射孔深度和孔径的大大增加，油层的泄流能力将大大提高，在一定范围内有可能形成垂直流，低渗透油层压降漏斗的影响将推向离井筒更远的地方。

由于射孔深度的增加，大大提高了射孔孔眼与天然裂缝连通的可能性。

◆射孔费用低，油田能够接受
射孔费用与以前（1994年）相比大大降低了，由原来的单井120万元左右降为20-25万元，缩短了投资回收期。

◆吐哈有部分注水井注入困难，层
间矛盾差异大，利用此技术可解
决层间矛盾和层间差异；
◆对于油井中的无法实施压裂的薄
层、薄夹层，应用此技术可提高
油井产能；
◆新井采用水力射孔技术，可提高
单井自然产能（1～1.5倍），减
少一次投产初期的压裂。

2、选井条件：
◆砂岩油藏：孔隙度>10%；
◆渗透率>4md或污染较严重油井；
◆套管尺寸：5-1/2″（内径
124.26mm的优先）；
◆套管壁厚：≤10mm；
◆狗腿度：≤10°/100m；
◆射孔层段温度：50℃～90℃；
◆优先选择吸水能力由好变差的水
井、层；
◆注水井与周围井有连通、有对应；
◆射孔层段深度：3000m以内；
◆射孔单层段厚度≥1m。

五、射孔工具改进研究
水力喷射深穿透技术2002年和2003年在吐哈油田进行了6口井的试验，取得了明显的效果。

但同时也暴露出了一些问题，为了更好地为油田公司服务，进一步提高措施效果，试验该技术在油田开发出现的矛盾上的解决程度，针对在试验过程中出现的问题，在原有工具的基础上，结合油田实际作业需要，对射孔工具在内部结构和原材料、加工等方面均进行了一定程度的改进，不仅更适应油田深井作业的要求，可靠性和安全性都有一定的加强。

1、射孔部分
1.1 喷嘴
根据高压水射流技术，通过多次的理论比较计算和试验，来
指导孔径和孔数的选择，以达到最佳作业效果，选择最优化的喷嘴；
优势：新的喷嘴具更大切割能力，强度增大，损坏机率降低
1.2喷嘴接头：
使用高强度材料，避免软管喷嘴根部脱扣。

通过加压试验和试验井的作业。

2、冲孔部分：
2.1 冲头
2002年作业时曾发生冲头有微小变形问题，分析其原因是由于作业时锚错位，错位后管串上的力作业在冲头上所致。

提高冲头的剪切强度，把拉断力由原来的14吨增加到18吨。

冲头从结构上进行了改进设计，冲头的软管入口扩大，在冲头完全回收到位后，软管的通道也一直存在。

2.2 软管通道改进设计
楔块位置结构改变：使软管和冲头伸出和回收的通道分开，取消了延时阀，增加了工具的安全性和可靠性。

3、控制部分：
3.1对控制部分改进包括：
●使用新的控制段，主阀、阀芯
及弹簧套；
●主阀采用新的原材料，表面强
化处理；
●在大活塞液压缸内，新设计并
安装了压力平衡阀，在阻力增
大情况下，自动减缓进给速
度；
●设计制造防冲单向阀,避免回
水单向阀泄漏。

3.2 改进目的：
●降低主阀通道的压力损失；
●保证阀芯推力，换向灵敏、到
位；
●保证进给平稳；
●增大切削力保证作业效果；
●压力平衡阀控制推进力，避免
“顶钻”现象。

3.3控制段部分通过的试验：
●顶钻试验
●连续20小时喷射试验
●三口井的试验作业
3.4 回水单向阀通过试验：
●气压检测
●水压检测
●疲劳检测
●三口井的试验作业
3.5改进后工具的性能：
●切削力加强；
●采用耐高温元件：使用耐高温
过滤器和密封圈，高温过滤器
工作耐温 240℃。

●管串的接近工具处加一级40
μm的精过滤器，进一步防止
深井作业时水力锚内的污物
进入井下工具。

4、地面模拟试验：
由于射流破岩的特殊性，相同条件下的成孔孔径，是靶样对比的标准。

通过对吐哈岩芯比较试验得到的岩芯强度比较结果为：贝雷砂岩靶≤吐哈岩样＜＜四川砂岩靶。

1.5水泥靶的性能同吐哈岩样接近但偏强(1.5水泥靶:砂子:水泥＝1.5:1 )。

在喷嘴压力7500psi，围压1500psi 情况下，吐哈样品孔径为26.8mm，1.5水泥靶孔径为24mm。

轨迹试验记录：
2004年2月铸成1.5米高1.8
米长的砂比为1.3的水泥靶，于3月份进行3次工具打靶试验，2次成功射成1.8米孔，第三次由于水泥靶破裂压力低，靶裂，没有得到试验结果。

2004年5月，为了本次地面工具操作演示，铸成1.5水泥靶，靶高1.5米,上部长1.5米，下部长2.1米，靶四周用铁管铆钉固定，造成一定的预应力，防止水泥靶裂开。

2004年7月铸成1.5水泥靶，靶高1.5米,长2.1米，进行了打靶试验，2.1米长的水泥靶成功打穿，向下偏移200mm。

具体情况见表5.1。

表5.1 井下工具轨迹试验记录
六、现场实施效果和经济效益
(一)现场应用效果
如表6.1所示，截止2004年9月，水力喷射深穿透射孔技术在吐哈油田共实施9井，共计9个层36孔，施工工艺成功率100%。

表6.1是实施效果分析，从表中可以看出，平均增产、增注4.43倍，达到了预期的效果。

截止2004年10月底，措施的油井已累计增油2008t，WX3-508累计增加注水量2800 m3。

WX3-203单井增油1036t，有效期超过1年。

图6.1、图6.2、图6.3、是几口井的生产曲线。

（二）经济效益
1、已投入费用：
1.1.单井射孔费用（包括高压泵车、射孔工具、技术服务费等）：20万元。

1.2单井修井动力费：10.0万元
1.3.40m3水罐车两部： 0.0270元/小时´24小时´2部=1.296万元
1.4.两个40m3反出液回收罐费用：5000元´2个=1.0万元
1.5.磁定位校深：4000元/井
单井合计：32.696万元。

费用合计（6口）：196.176万元。

2、目前增油收入：
1408t * 0.18万元/t=361.44万元，已经收回投资。

而油井继续有效，预计有效期在1-2年，因此具有良好的经济效益。

表6.2 水力喷射深穿透射孔实施效果统计
图6.2 M78 水力射孔后注水曲线（实施时间：2004.9）
七、结论和认识
1、技术适应性评价
从现场试验效果分析对比来看，水力喷射深穿透射孔技术适于解决吐哈油田注水井的难注入薄层的增注难题，作为油井薄层增产的措施，该技术适应于与周围注水井有对应、有能量的薄层增产改造。

2、结论和认识
（1）、水力深穿透射孔技术经过9井次36孔现场试验，施工工艺成功率100%，配套设备与技术基本成熟，但仍有很大的改进空间。

（2）、该技术现场应用射孔层段最大深度3200米，水平射孔最大径向深度2.6米。

应用水平达到国际领先水平。

（3）、在选井方面，对于采油井，要想取得理想的增产效果，应该选择地层能量充足的井、层。

注水井主要选择与周围井有连通、对应关系，且吸水能力由好变差的难注入薄层优先。

（4）、该技术具有较好的增产、增注效果，为吐哈油田薄层、薄夹层的增产、增注改造，提供了另一种新的有效技术手段。

该技术在吐哈的成功应用，也为其他兄弟油田薄层增产、增注提供了经验借鉴。

八、存在问题和改进方向
1、射孔相位角控制太粗放，控制精度较低。

改进方向：设计机械相位控制器，以确保精确控制射孔相位角。

2、射孔枪冲孔部分外径偏大为
116-118mm，给现场施工选井带来困难。

改进方向：采用液压偏心技术使射孔枪最大外径缩小为96-114mm，以适应套变井的应用，扩大其应用范围。