稠油热采井射孔孔眼应力分析及影响因素

针对稠油热采井生产过程中,射孔井段套管频繁出现损伤断裂的问题,基于弹塑性和热力学理论,采用有限元方法建立注汽—焖井—生产过程射孔套管有限元热力学耦合模型,对各阶段射孔套管应力分布特征进行研究,并开展不同射孔参数下射孔套管强度影响规律分析。研究表明:生产过程中射孔孔眼位置出现明显应力集中现象,在温差及内外压差等共同作用下,注采前期套管应力最大可达498.16 MPa,并逐渐产生塑性失效现象,当注采作业完成时,套管塑性失效现象最严重;随着射孔相位角增大,射孔密度对Mises应力值的影响逐渐减小,而套管孔眼最大应力与射孔相位角成反比关系。该研究对延长稠油热采井射孔套管使用年限和保障正常生产作业具有十分重要的意义。

煤系水平井定向射孔压裂裂缝扩展机制

复杂含煤地层顶板水平井射孔压裂是增加煤层透气性、提升瓦斯抽采效率的关键,而地层结构和射孔位置影响裂缝扩展形态。考虑地层结构特征及射孔位置,建立压裂工程地质模型;基于有限元方法构建数值模型,研究射孔位置、地层条件、垂向应力与水平应力差对裂缝扩展的影响,并进行工程验证,提出施工建议。结果表明:射孔孔眼位置存在全部位于煤层中、全部位于顶板岩层中和部分位于顶板部分位于煤层3种情况。孔眼位于煤层中,裂缝受到界面的“阻隔”作用,对煤层改造有利;孔眼位于顶板,当顶板层理发育,垂向应力与最小水平主应力差大于2MPa时裂缝能够穿越层理和界面进入煤层,而顶板完整时,应力差大于-2MPa裂缝即可在孔眼诱导作用下进入煤层,顶板层理和界面对裂缝垂向扩展具有“阻挡”作用,结构完整地层有利于裂缝的垂向穿层扩展;孔眼部分进入煤层,对裂缝起裂、扩展产生明显诱导作用,形成沿界面的水平缝和进入煤层的垂直缝,无论顶板是否完整,都能形成有效改造裂缝。当射孔孔眼距煤层较远、孔眼与煤层间弱面发育、水平应力大于垂向应力或压裂施工规模不足时,建议采用深穿透射孔、分支孔等能够沟通煤层的工程措施,以保证压裂效果。研究结果在陕西韩城某煤矿的井下分段压裂施工中进行了应用,试验孔瓦斯抽采效果良好,可为类似地质、工程条件下的压裂施工提供借鉴。

考虑射孔摩阻的水平井段内多裂缝流量均衡分配规律研究

水平井分段多簇压裂过程中,簇间应力阴影将引起多裂缝进液差异。页岩气藏生产测井数据表明,超过40%的射孔簇对油气产量无贡献。为揭示多裂缝非均匀扩展机制,建立了考虑多孔介质流固耦合的多裂缝竞争扩展有限元模型,构建了井筒流动模型,并对压裂液流动压降进行了简化表征,设计引入了管流单元和流体连接单元,有效模拟了井筒与孔眼处的流量动态分配,研究了射孔摩阻对多裂缝进液分配比例的影响规律。结果表明:当射孔摩阻增大到特定阈值时,多裂缝流量分配比例将由簇间应力阴影转变为射孔摩阻控制,合理布置低孔密、孔数可有效增大射孔摩阻,促进多裂缝均衡扩展;利用该模型对西南某区块X水平井射孔方案进行优化,当簇间距为15 m、孔径为0.015 m、总孔数由50降至32时,单簇平均进液量提高了0.125 m^(3)/min,各簇进液差异系数为3.9%;非均匀布孔时,单簇平均进液量提高了0.101 m^(3)/min,各簇进液差异系数为4.1%。该研究为水平井多裂缝均匀扩展提供了理论方法和参考依据。

水平井定向喷砂射孔工具设计与动力学分析

基于水力喷砂射孔技术,结合重力定向原理,设计水平井定向喷砂射孔工具,动力学分析与地面验证试验表明喷枪轴线与井筒轴线存在偏心时能够可靠定向,建立定向偏角与喷枪偏转动力矩、过盈配合阻力矩、液柱压力导致的密封件阻力矩以及轴承旋转阻力矩之间的力学模型。结果表明:偏心距与喷枪自重是提升定向精度的关键因素,而密封件与转轴之间的过盈配合是阻碍定向的关键因素;设计条件下其最大阻力矩占比可达68.4%,地面射孔试验的孔眼与基准位置的偏离角度为2°~4°,喷枪定向效果良好;变更射孔位置时无论拖动还是转动,喷枪均都能够自如地回到初始位置,且打压后喷枪稳定性较好,不存在无序转动、摆动现象。

多因素影响下射孔段管柱振动力学分析

聚能射孔爆轰产生的冲击载荷作用于井下射孔段管柱系统,导致管柱发生屈曲断裂等事故。结合管柱自重、射孔液阻尼、地层围压和爆炸冲击载荷的影响,建立射孔冲击载荷下油管—射孔枪动力学模型,得到射孔段管柱纵向振动微分方程。应用有限元软件,对射孔段管柱进行显示动力学响应分析,并将模拟结果同理论数值解进行对比验证。结果显示,应力波由管柱底端向上传播,管柱等效应力和轴向位移均呈现周期性变化,且逐渐衰减。分析不同油管长度、外径、壁厚和单发装药量对管柱动态响应的影响。基于数值模拟结果,利用MATLAB软件进行多元非线性回归,拟合得到射孔段管柱应力峰值经验公式,并与现场试验数据进行对比,验证公式可靠性。

基于弹塑性井周的井筒-射孔地层破裂压力预测模型

深部“高地应力、高温度、高地层压力”的赋存条件,使储层呈现脆性-延性-应变硬化的塑性特征。针对深部塑性储层的水力压裂改造,存在人工裂缝起裂、延伸压力高的挑战。本文通过开展实时高温高围压的储层岩石三轴压缩实验,明确了储层岩石的塑性破坏特征。建立了深部储层岩石的塑性硬化本构模型,推导了井周的弹塑性应力场分布。结合断裂力学理论,建立了考虑井周塑性区的射孔尖端应力强度因子计算模型,并提出相应的迭代求解方法。采用模型预测室内实验与新疆某油田实际条件下的水力压裂裂缝起裂压力,模型预测结果与实测结果对比表明,考虑弹塑性井周应力场的破裂压力预测值比实际压裂预测值高,储层塑性特征不利于水力裂缝的起裂。模型预测值与油田实测结果的误差为6.6%,验证了模型的可靠性。考虑弹塑性井周的破裂压力预测模型可保证压裂设计的安全性,为深部储层的压裂方案设计提供有效指导。

大庆油田萨中开发区二、三类油层同步挖潜补压结合射孔方法

大庆油田萨中开发区二类油层和三类油层平面、纵向交互分布,目前尚未形成同步开发方法。从射孔角度出发,通过分析油层特点,匹配射孔工艺方法,二类油层匹配深穿透(穿深为956 mm)射孔、三类油层匹配超深穿透(穿深为1 308 mm)射孔,建立单井“组合射孔”模式;针对大段三类油层,通过抽稀射孔数,提高单卡层段数,提高过孔压力,建立“组合射孔+限流法压裂”模式。数值模拟和现场分析结果表明:该方法在萨中开发区2个二、三类油层同步挖潜区块应用,“组合射孔”实施20口井,采出端单井含水率多降低2.0%、日产油量增加1.2 t;“组合射孔配套限流法压裂”实施6口井,实现了单孔排量0.6 m3/min以上,平均单井产液量增幅17.56%,含水率多降低0.94百分点。研究成果可有效指导投产设计,对二、三类油层的同步挖潜和提质增效具有重要意义。

非均匀射孔控制多簇裂缝均衡扩展机制及参数优化

水平井多簇射孔分段压裂已成为非常规油气藏完井改造的关键技术,然而各压裂段中部射孔簇裂缝受跟端趾端射孔簇裂缝的应力干扰作用显著、扩展阻力较大,是导致多簇裂缝非均衡扩展的主要原因之一。通过优化设计簇间非均匀布孔方式,调节各簇射孔参数,均衡簇间液量分配,削弱缝间应力干扰,促进裂缝均衡扩展。为此建立了考虑压裂段/簇间应力叠加的分段多簇裂缝扩展模型,对比分析了纺锤形布孔、坡度布孔、均匀布孔等三类布孔方式的裂缝扩展规律及其作用机制,以缝长、缝高扩展形态差异性评价裂缝扩展均衡性,优选布孔方式,设计正交试验优化非均匀布孔参数。结果表明,典型页岩油储层参数条件下,纺锤形布孔的裂缝扩展均衡性最优,其次是均匀布孔、坡度布孔。其作用机制为纺锤形布孔的端部簇射孔摩阻大于中部簇1.4~16.7倍,跟端趾端裂缝对中部裂缝的应力干扰作用被削弱,从而增加了中部簇进液量分配,相比均匀布孔,裂缝扩展均衡性提高了17.2%。而坡度布孔趾端簇孔数占比35%以上,进液量占优,达49.3%,导致其对中部簇裂缝挤压作用显著,不利于裂缝均衡扩展。优化纺锤形布孔参数表明,总孔数49个、孔径10 mm、端部簇孔数比例24.5%时,簇间裂缝扩展均衡性达到最优。研究结果有望为非常规油气多簇压裂非均匀射孔设计提供有效方法。

新型射孔动态仿真模拟及适用性评价

射孔完井技术的发展与完善对油气田的高效测试和开采具有重要的现实意义和实用价值。但低渗透储层(如低渗煤层)采用常规聚能射孔完井时,存在压实损坏带,导致渗流阻力大、产能降低等问题。为改善低渗透储层的开发效果,提出了自清洁、后效体等新型射孔技术,但其射孔效果、适用性等问题尚不明确。基于LS-DYNA的显示时间积分算法及流固耦合机理,形成地层-水泥环-套管-射孔弹动态射孔有限元模型建立方法,制定了不同射孔技术条件下动态射孔数值模拟方案,建立了不同射孔技术的有限元模型,并开展了不同射孔技术动态射孔仿真模拟研究,基于数值模拟研究结果,对2种射孔技术的适用性进行了分析研究。结果表明:自清洁和后效体射孔较常规射孔孔深有所下降,但孔径较常规射孔扩大15%左右。孔深和孔径与抗压强度、弹性模量、围压成反比,与孔隙率成正比,负压对单一射孔效果的影响较小。针对中孔低渗、低孔低渗油气藏,自清洁、后效体射孔技术孔道容积较常规分别增大9.55%、12.23%左右,射孔效果突出。上述研究结果可为自清洁与后效体射孔技术的设计与应用提供理论支撑,对两种射孔技术的发展及其对低渗储层(如低渗煤层)油气井的增产有着重要的意义。

聚能射孔弹粉末药型罩本构参数反演研究

为了获得能够准确描述聚能射孔弹中粉末药型罩在高温、高压、大变形条件下力学行为的Johnson-Cook(J-C)本构参数,使其适用于射孔的数值模拟,该文提出了一种基于有限元仿真的药型罩本构反演方法。搭建了地面射孔实验,并使用ANSYS/LS-DYNA对聚能射孔弹侵彻钢靶的过程进行动态仿真,系统分析了各本构参数对射孔深度和射孔孔径的影响规律,再利用响应曲面法和多目标遗传算法结合实验数据对粉末药型罩的J-C本构参数进行反演,最后基于反演得到的粉末药型罩本构参数开展射孔过程数值模拟,并与实验结果进行对比验证。结果表明:模拟得到的射孔深度、射孔孔径与实验数据间的误差均小于5%,并且射流形态和射流速度与实验结果具有很好的吻合度,表明反演所得的粉末药型罩本构参数能够较为可靠地反映其在射孔过程中的变形流动行为。

超深井射孔冲击动载荷引起封隔器断裂失效分析

中国超深层油气资源丰富,超深井油气开发过程中常采用一体化管柱完成射孔—试油—酸化三联作业,作业过程中超深井射孔冲击动载荷频繁导致封隔器断裂失效。为解决上述问题,基于弹塑性有限元法,结合实际井下测得的射孔管串起爆瞬态冲击动力学载荷边界条件,开展了新疆某地X1井射孔作业RTTS封隔器(全开式挂壁封隔器)—减震器管串瞬态冲击动力学有限元仿真分析,建立了减震器二阶带阻尼的质量—弹簧力学系统模型,从理论上对比分析了双减震器的减震效果与有限元分析结果的可靠性。研究结果表明:(1)在射孔爆轰0.09 s和0.21 s时刻,中心管接头螺纹处分别出现805.4 MPa和925.1 MPa两个应力峰值,超过了管材的屈服强度和抗拉强度,且冲击波引起的交变应力导致局部位置开始发生裂纹失效,裂纹逐渐扩展到整个截面,造成螺纹接头断裂;(2)根据仿真模型计算结果以及中心管结构尺寸分析,发现其螺纹部分结构尺寸偏小,导致峰值应力超过其抗拉强度造成断裂失效;(3)建议采用中心管上部螺纹连接处镦粗2~3 mm的改进方案,其最大应力可降低27%以上,可明显提高结构强度;(4)使用双减震器能有效降低射孔管串上部冲击载荷,理论计算指出双减震器比单减震器的振幅降低约50%,其最大应力降低约42%。结论认为,研究成果可为超深井RTTS封隔器管柱安全射孔作业提供理论和技术支撑,并将有力推动我国超深层油气资源的高效勘探开发。

基于TOPSIS方法的油气井射孔参数优化决策模型研究

为了提升油气井的产能和经济效益,对射孔参数进行了深入研究,通过分析射孔过程的物理机理及其影响因素,提出了一套综合考虑套管安全、射孔孔眼参数和射孔通道表皮系数的多属性评价指标体系,全面评估了射孔参数对油气井安全和效益的影响;在此基础上,研究构建了一种基于TOPSIS的多属性决策模型,用于优化射孔参数选择。该模型通过计算各指标的权重和排序,可以有效筛选出最佳射孔参数组合。研究结果表明:①所提出的TOPSIS模型能够有效地优化射孔参数,提高射孔效率;②该模型确保了油气井的安全运行,降低了操作风险;③应用该模型显著提升了油气井的经济效益。这些成果验证了模型的有效性和优越性,与传统的经验法和试井法相比,提供了更为科学的决策支持。结论认为,该研究成果为油气井射孔参数的优化提供了一种新的科学决策方法,有助于指导实际的射孔操作,优化完井工艺,提高生产性能,为油气井经济效益的提升提供了理论支持和实践指导。

射孔完井近井地带等效剪切控制体物理模型

为研究地层对含聚液体的剪切降解作用,应用ANSYS软件求解了射孔完井近井地带的压力场和速度场分布,并用MATLAB对压力场和速度场数据进行后处理,划分出10段射孔孔眼控制体,计算各控制体内等压面上的平均流速和各等压面沿流线轨迹到射孔孔壁距离,得出各段孔眼控制体内渗流速度随流线轨迹上渗流距离的变化关系。通过变直径、等直径岩心组合物模实验,测试了各段孔眼控制体内沿流线轨迹不同渗流距离处聚合物溶液的流变性,用流量加权法计算出了整个射孔孔眼控制区域聚合物溶液黏度保留率,按照等效剪切原理确定了射孔孔眼等效剪切控制体的位置及参数,研制了射孔孔眼等效剪切控制体物理模型,该模型在定排量条件下即可准确模拟射孔完井近井地带的变速渗流场对含聚液体的剪切降解作用。

射孔完井近井地带聚合物溶液剪切降黏规律研究

为了确定射孔完井近井地带聚合物溶液剪切降黏规律,应用等效剪切控制体物理模型,研究注入强度、聚合物溶液浓度、聚合物相对分子质量、渗流距离等对聚合物溶液剪切降黏规律的影响。结果表明,聚合物溶液的无量纲视黏度(实测值与初始值之比)随渗流距离的增加整体呈对数递减,聚合物溶液流经射孔完井近井地带时,其黏度损失主要发生在射孔孔壁附近。通过对实验数据的拟合,得出真实反映无量纲视黏度与渗流距离内在客观规律的关系式,揭示出剪切降解造成的聚合物溶液黏度损失的大小是由渗流过程中能量损失(压降)的大小决定的,该拟合关系式也可用于剪切作用下油层远处聚合物溶液黏度的预测。

水平井射孔簇内支撑剂分布数值模拟

为研究水平井射孔簇内支撑剂的运移规律,建立了水平井筒几何模型,并采用欧拉双流体模型分析了不同注入流量、压裂液黏度和注入φ(砂粒)对支撑剂运移规律的影响。结果表明,在水平井筒中,支撑剂的分布向趾部偏移。增加注入流速能促进颗粒的分散,但会降低射孔内的均匀性;提高压裂液黏度能减缓颗粒沉降,有助于支撑剂的均匀分布;增加注入φ(砂粒)会增加井筒堵塞风险,因此选择注入φ(砂粒)<10%。此外,雷诺数与归一化标准差呈自然对数关系,较高的雷诺数有助于提高颗粒在射孔流出的均匀性。

定射角射孔工艺在大位移定向井中的应用与实践

通过对萨中开发区112#断层区块构造特征和开发井网情况的深入研究,部署距离断层50 m平行断层面钻井的大位移定向井。考虑射孔油层保护要求,结合定射角射孔工艺原理,确定射孔工艺、射孔输送方式及匹配的射孔枪、弹等射孔参数,选用合理的射孔液,采用负压射孔工艺、确定合理负压值,保证了定射角射孔工艺效果。实现了单井日增液17.6 t,日增油4.2 t,年节电约2.56×10^(4) kWh,创造较好的经济效益,保证了油田开发效果。

非均匀载荷条件下射孔套管抗挤强度的影响规律研究

油气井套管抗挤毁性能与材料屈服强度关系紧密,聚能射流穿孔过程中孔眼处存在的射孔裂纹将对射孔套管的抗挤强度产生显著影响。首先针对不同型号钢级的套管进行射孔侵彻实验;然后对无孔眼、机加孔眼和射孔孔眼试件进行静力外挤试验,对比射孔裂纹影响下试件抗外挤性能的变化;最后通过有限元仿真分析了射孔裂纹的存在对套管抗挤性能的影响。结果表明:射孔初始裂纹会加剧孔眼处套管的应力集中现象,并使得射孔套管的抗外挤强度显著下降。此外,相较于孔密与相位,孔径对射孔套管抗外挤强度的降低效果最为显著。

底水油藏底水分布规律及射孔参数优化——以周长油田延安组油藏为例

为了明确射孔参数底水油藏开发的影响,针对由于早期布井随意性较大,无井网格局,无具体的开发方案,导致研究区采油速度低、递减快,稳产难度大的问题,运用油藏地质参数分析和油藏数值模拟的研究方法,分析不同射孔参数条件下,不同类型底水油藏开发效果。结果表明:1)研究区主力油层延10层底水发育,水井射孔注水厚度大小不一,对应油井受效和开采效果有明显差异;2)依据夹层分布和油水接触关系,目标油藏分为直接接触型、不稳定夹层型和稳定夹层型3类;3)Ⅰ类底水直接接触型水井射孔程度越高,越有利于抑制底水突进;最优油井射孔程度约为2 m;4)Ⅱ类/Ⅲ类型隔层分隔底水型水井射孔程度越高,开发效果越好;油井射孔程度约为70%时,开发效果好。该研究成果对同类型底水油藏开发参数设计及稳油控水提高采收率具有指导意义。

射孔完井配套井控技术的研究与应用

大庆油田历经50多年的开发,地下情况日趋复杂,给射孔施工带来了很大的风险。同时,原有的配套井控技术尚不完善,导致施工中曾发生过井喷、飞枪等事故。针对原电缆射孔防喷器无法带电缆封井和依靠井口工观察确定井内状态的问题,研制了新型电缆防喷装置,实现了无电缆全封关井,带电缆可靠封井;开发了井筒内液体压力监测技术,可实时采集井内液体压力、密度,当变化较大时及时提醒操作人员采取应急措施。针对射孔-下泵联作等技术应用范围较小的问题,研究了补孔-下泵联作、射孔-分层注水联作和管输射孔井下封井技术,进一步扩大了管输射孔与生产管柱联作技术的应用范围,提高了射孔完井的井控技术水平。

海上油气田大位移井射孔校深定位技术

本文介绍了海上油气田大位移超深井完井射孔校深、定位技术,研究人员通过对LWD随钻校深技术在大位移超深井完井射孔中精确定位的技术论证,形成了一整套针对大位移超深井的射孔校深经验,并取得了良好效果,为进一步完善和发展海上油气田大位移、超深井完井射孔技术奠定了坚实的基础。