渤中凹陷古潜山砂砾岩抗压强度和砾石含量与射孔弹穿深关系.pdf
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1、文章编号:10007393(2023)03028907DOI:10.13639/j.odpt.202212034渤中凹陷古潜山砂砾岩抗压强度和砾石含量与射孔弹穿深关系张兴华1盛廷强2周宝锁1林立明3李鸿儒1揭志军2李必红31.中海石油(中国)有限公司天津分公司;2.中海油田服务股份有限公司;3.物华能源科技有限公司引用格式:张兴华,盛廷强,周宝锁,林立明,李鸿儒,揭志军,李必红.渤中凹陷古潜山砂砾岩抗压强度和砾石含量与射孔弹穿深关系J.石油钻采工艺,2023,45(3):289-295.摘要:渤中凹陷古潜山砂砾岩储层非均质性强、岩性致密,储层改造困难,为此开展了模拟储层复杂压力条件下穿砂砾岩靶
2、的射孔试验,分析砂砾岩储层射孔穿深的主要影响因素。研究结果表明:相同条件下射孔弹在砂砾岩中穿深远小于砂岩,当砂砾岩石强度超过 150MPa 后,超深穿透射孔弹在井下穿深小于 200mm,对目前国内外射孔弹能否有效穿透污染带存在较大挑战;随着砾石含量的提高,射孔穿深呈递减趋势,砾石含量每增加 10%,平均穿深降低 4.7%,岩石抗压强度和砾石含量是影响穿深的主要因素;由于砂砾岩储层岩性致密,岩石本身受应力影响较弱,对射孔孔道穿深影响较小。研究结果对砂砾岩储层射孔完井方案的优化设计具有一定的指导意义。关键词:砂砾岩储层;射孔;穿透深度;岩石强度;有效应力;砾石含量中图分类号:TE257.1文献标识
3、码:AThe relationship between the compressive strength and gravel content of buried hill sandstonein Bozhong depression and the penetration depth of perforating bombsZHANGXinghua1,SHENGTingqiang2,ZHOUBaosuo1,LINLiming3,LIHongru1,JIEZhijun2,LIBihong31.Tianjin Company,CNOOC(China),Tianjin 300452,China;2
4、.China Oilfield Services Limited,Tianjin 300452,China;3.Wuhua Energy Technology Co.,Ltd.,Xian 710061,Shaanxi,ChinaCitation:ZHANG Xinghua,SHENG Tingqiang,ZHOU Baosuo,LIN Liming,LI Hongru,JIE Zhijun,LI Bihong.TherelationshipbetweenthecompressivestrengthandgravelcontentofburiedhillsandstoneinBozhongdep
5、ressionandthepenetrationdepthofperforatingbombsJ.OilDrilling&ProductionTechnology,2023,45(3):289-295.Abstract:Theburied-hillglutenitereservoirsintheBozhongsagarecharacterizedbystrongheterogeneityandtightlithology,making reservoir reformation challenging.To address this,perforation tests were conduct
6、ed under simulated complex reservoirpressureconditionstoanalyzethemainfactorsaffectingtheperforationdepthinglutenitereservoirs.Theresearchresultsindicatethat,underthesameconditions,thepenetrationdepthofperforatingchargeingluteniteismuchsmallerthaninpuresandstone.Whenthe基金项目:中海油“七年行动计划”重大科技专项“渤海油田上产
7、4000 万吨新领域勘探关键技术”(编号:CNOOC-KJ135ZDXM36TJ08TJ)。第一作者:张兴华(1979-),2004 年毕业于中国石油大学资源勘查工程专业,现主要从事海上油田测试现场作业施工管理及质量控制工作,高级工程师。通讯地址:(300459)天津市滨海新区海川路 2121 号渤海石油管理局大厦 C 座。E-mail:通讯作者:林立明(1993-),2020 年毕业于西南石油大学油气田开发工程专业,现从事射孔技术研究,工程师。通讯地址:(710065)陕西省西安市雁塔区 213 研究所。E-mail:第45卷第3期石油钻采工艺Vol.45No.32023年5月OILDRIL
8、LING&PRODUCTIONTECHNOLOGYMay2023strengthofgluteniteexceeds150MPa,thepenetrationdepthofultra-deeppenetratingperforatingchargeundergroundislessthan200mm,posing a significant challenge to whether current domestic and international perforating charge can effectively penetratecontaminationzones.Asthegrav
9、elcontentincreases,theperforationdepthexhibitsadecreasingtrend.Forevery10%increaseingravelcontent,theaveragepenetrationdepthdecreasesby4.7%,andtherockcompressivestrengthandgravelcontentarethemainfactorsaffectingpenetrationdepth.Duetothetightlithologyoftheglutenitereservoirs,therocksthemselvesareless
10、affectedbystress,whichposesaminimalimpactonthepenetrationdepthoftheperforationborehole.Theresearchresultsprovideavaluableguidanceforoptimizinganddesigningperforationcompletionschemesinglutenitereservoirs.Key words:glutenitereservoir;perforation;penetrationdepth;rockstrength;effectivestress;gravelcon
11、tent渤海湾盆地深层潜山构造分布广泛且具有良好油气显示,渤海海域作为渤海湾盆地深层潜山的最有利发育区受到密切关注1。潜山油气藏储层主要有古近系砂砾岩储层、太古界变质岩储层、古生界碳酸盐岩储层等2-3,具有高温、多结构、多成因、多形态等特点,岩性复杂且致密,对射孔技术提出极大挑战。国内对砂砾岩油藏开发的研究主要集中在低孔低渗砂砾岩力学特征、水压致裂机理及压裂改造影响因素等方面4-8,但忽略了射孔的影响。射孔孔道不仅能够为油气流动提供通道,还为注水、注酸和水力压裂提供入口,因此射孔完井作业产生穿孔深度和孔径都是极为重要的因素9。砂砾岩储层非均质性强且有砾石存在,其岩石力学特征与常规储层差异较大。
12、射孔作业时砾石会对射孔弹的金属射流形成复合装甲效应,其砾石含量与粒径大小会极大影响射孔弹的穿孔深度及孔道状态10。目前国内对射孔性能测试主要采用混凝土靶进行11,对于岩石射孔性能研究主要使用均质砂岩靶12-14,而对砂砾岩等特殊岩性的射孔效能及相关射孔工艺研究处于空白状态,因此有必要针对渤中凹陷 19-6 气田砂砾岩储层岩石特征,通过模拟实际井下射孔工况,进行相关性能测试,系统分析砂砾岩强度、砾石含量和井下环境对射孔性能的影响,为后期射孔器优化设计和射孔工艺优选提供相应指导,确保该类储层产能得到有效释放。1 砂砾岩储层岩石特性参数测试 1.1 目标储层概况渤中凹陷 19-6 气田探明储量超千亿
13、方15-16,具有巨大的天然气勘探潜力。主力层段为孔店组砂砾岩储层与太古界变质岩潜山储层17-18,气藏埋深 38005600m1。其中孔店组砂砾岩储层主要岩石类型为砂砾岩和砾质砂岩,岩石结构以砾状、含砂状、砾质砂岩结构等为主。通过资料调研19-20,确定该区砂砾岩储层岩石密度 2.5752.645g/cm3,孔隙度 2%5%,渗透率(0.00172)103m2,岩石单轴抗压强度 100150MPa。1.2 试验岩心采集及试验靶制作由于 19-6 气田砂砾岩储层岩石采样困难且无法满足大量测试需要,因此根据目标储层特征进行露头岩石调研及岩石特性参数测试,确定试验靶选用四川寒武系阎王碥组砂砾岩(图
14、 1),其砂粒主要为石英,其次为燧石,砾石粒径范围 210mm,含砾量50%70%,平均岩石密度 2.593g/cm3,平均孔隙度为 1.96%,平均渗透率为 0.0026103m2,平均岩石抗压强度为 130MPa,岩石特征与目标储层相近。根据 APIRP19B2021 版EvaluationofWellPerfo-rators21(以下简写为 APIRP19B)对试验靶的要求,将采集的露头岩石制作成直径 178mm、高度700mm 的柱状靶。图 2 上为试验靶,下部 3 块是进行岩心强度和孔渗物性测试的样品(高度 50mm、直径 25mm),分别取自试验靶上中下位置。图1四川寒武系阎王碥组
15、砂砾岩Fig.1GluteniteinCambrianYanwangbianformationintheSichuanBasin 2 测试装置及方案射孔器地面穿 API 混凝土靶的测试结果与实际储层条件下射孔深度差异较大,因此结合常温常压下混凝土测试数据建立穿深预测模型,对于在储层条件下的射孔穿深、射孔孔道的形状以及流动效率预测不具备指导作用。为了掌握在实际储层条件下290石油钻采工艺2023 年5月(第45卷)第3期射孔弹对砂砾岩储层的实际穿深,需开展模拟实际储层条件下射孔弹穿靶试验。2.1 测试装置国内在应力条件下岩石射孔研究方面起步较晚,射孔器效能评估主要采用地面钢靶、混凝土靶射孔测试。
16、但其温压、靶材与井下储层条件差异较大,而这些条件正是影响射孔弹穿深性能的关键因素,因此射孔弹在井下的性能与地面测试性能存在较大差异,尤其在高温高压状态下,极可能导致优选结果有误22。为了模拟实际工况(射孔器材和井身结构)和储层复杂压力条件,根据 APIRP19B 规定的应力条件下岩石靶射孔性能评价方法,设计建造了模拟储层射孔实验装置。该装置内部被分隔成 3 个相互独立的空间,分别用于建立上覆岩层压力、孔隙压力和井筒压力,如图 3 所示。在模拟实际井下射孔工况条件下进行砂砾岩靶射孔试验。分析砂砾岩储层岩石特性和压力环境对射孔弹穿砂砾岩性能的影响。图3模拟储层射孔实验装置结构Fig.3Struct
17、ureofthedeviceforsimulatingreservoirperforation 2.2 试验方案基于设计的模拟储层射孔实验装置,依据 APIRP19B(Section2Test)规定的材料要求和程序进行试验,具体步骤为:(1)将试验靶放入高温烘箱,在100 下烘干 24h,然后利用真空饱和装置进行饱和;(2)将饱和后的试验靶装入模拟储层射孔试验岩心模块中;(3)将单发射孔弹(模拟现场射孔装枪)装配在模拟井筒压力模块中;(4)将围压、孔隙压力和井筒压力加载至目标值后,起爆射孔弹;(5)测试完成后,沿着试验靶孔道中心进行切割,进行孔道形态的观察与分析。3 砂砾岩对射孔弹穿孔性能影响
18、因素分析 3.1 砂岩和砂砾岩穿孔性能对比及孔道分析根据目标储层压力环境,设置有效应力 70MPa,在井筒压力 40MPa 条件下,选用 3 种超深穿透射孔弹 A(DYNA 39g DP3)、B(213SD-114R-3HR)、C(213SD-114R-2HR)分别对贝雷砂岩和砂砾岩进行射孔测试,测试数据见表 1,试验结果如图 4 所示。3 种射孔弹的混凝土靶穿深分别为 1793mm、1651mm、1553mm。表1不同弹型在模拟储层条件射孔试验数据Table1Perforationtestingdataofdifferentperforatingchargetypesundersimulat
19、edreservoirconditions岩性 射孔弹岩心孔道穿深/mm模拟套管孔径(短轴长轴)/mm砂砾岩A14010.711.3B19510.310.6C14510.210.4贝雷砂岩A28510.410.9B32010.510.7C30010.210.3由试验结果和射孔孔道剖面图可知,由于砾石对聚能射流的影响,相同条件下射孔弹对砂砾岩储层射孔孔道穿深仅为砂岩中的 50%左右,为混凝土靶穿深的 8%11%,且孔道形态呈扁平状,与常规砂岩储层孔道有明显差异。可见由于砾石存在,使得聚能射流产生局部复杂变形、能量消耗和速度变化,致使射流断裂发散,后续射流动能不足以破岩而在孔道末端产生扩孔作用。3
20、.2 岩石单轴抗压强度对射孔穿深的影响选取性能较优的超深穿透射孔弹 B 在有效应力 50MPa、井筒压力 30MPa 条件下对不同强度的砂砾岩靶进行射孔试验,结果见图 5。对岩石强度和穿深进行回归分析,建立岩石强度和穿深的关系式为图2砂砾岩柱状目标靶Fig.2Glutenitecolumnartarget张兴华等:渤中凹陷古潜山砂砾岩抗压强度和砾石含量与射孔弹穿深关系291D=0.6108exp(0.007U)(1)式中,U 为岩石单轴抗压强度,MPa;D 为射孔弹穿深,m。y=0.610 8e0.007xR2=0.937 200.10.20.30.40.50.6050100150200250
21、300穿深/m岩石单轴抗压强度/MPa图5砂砾岩石单轴抗压强度和射孔弹穿深关系Fig.5Relationshipbetweentheuniaxialcompressivestrengthofgluteniteandthepenetrationdepthofperforatingcharge由试验结果可知,随着岩石单轴抗压强度增大,其穿深呈指数下降,岩石单轴抗压强度每增加10MPa,穿深平均下降 6.8%;当岩石单轴抗压强度超过 150MPa 之后,射孔弹在井下穿深小于 200mm,对目前国内外射孔弹能否有效穿透污染带存在较大挑战。3.3 储层有效应力对穿深的影响采用超深穿透射孔弹 B 在井筒压
22、力 30MPa、岩石单轴抗压强度 140MPa、不同有效应力条件下进行射孔性能测试,结果见图 6。对有效应力和穿深进行回归分析,建立有效应力和穿深的关系式为D=0.1732exp(0.004e)(2)式中,e为有效应力,MPa。y=0.173 2e0.004xR2=10.040.080.120.160.20010203040506070穿深/m有效应力/MPa图6模拟砂砾岩储层有效应力和射孔弹穿深关系Fig.6Simulatedrelationshipbetweentheeffectivestressofglutenitereservoirandthepenetrationdepthofper
23、foratingcharge由图 6 可看出,射孔弹对砂砾岩储层的穿深随着有效应力增加而降低,有效应力增加 10MPa,平均穿深降低 3.1%,有效应力对砂砾岩穿深的影响程度小于岩石本身强度对穿深的影响。分析原因为砂砾岩孔隙性很差,平均孔隙度仅约为 2%,且主要为粒内溶孔,其颗粒间紧密接触,岩性致密且强度高,因此砂砾岩靶在有效应力的作用下岩石发生应变小,导致岩石强度变化小。3.4 砾石含量对穿深的影响由于采集的露头岩石内部砾石的分布特征无规律性,为了分析砾石含量与砾石性质对射孔弹穿砂砾岩储层穿深的影响,采用人工制造砂砾岩靶进行砾石含量对穿深影响的试验分析。根据渤中 19-6 气田砂砾岩储层岩石
24、特征,结合JGJ/T2812012高强混凝土应用技术规程23中 C110 和 C120 强度等级的配方24,配置不同的图4不同弹型穿砂岩和砂砾岩射孔孔道剖面图Fig.4Profileofperforationtunnelswithdifferentperforatingchargetypeswhenpenetratingsandstoneandglutenite292石油钻采工艺2023 年5月(第45卷)第3期添加剂制作相应的砂砾岩靶。制成人造砂砾岩采用薄铁皮包覆使其具有一定束缚力,测试数据见表 2。由于选用的砾石表面较为光滑,砾石胶结强度不够,导致制作的砂砾岩靶的平均单轴抗压强度为 264
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