一种防止射孔引发套管损坏的优化方法与流程

本发明涉及油田开发优化技术领域，具体涉及一种防止射孔引发套管损坏的优化方法。

背景技术：

随着油田的长期开发，地层的原始应力被改变，表现为水平方向地应力不相等，套管强度因射孔而被削弱，孔的方位与地应力的方向对套管寿命的长短影响显著。但孔的方位与地应力的大小和方向共同决定了初始水力裂缝的方位，如果不能有效控制水力裂缝的起裂位置，那么很难实现压裂转向的目的，因而如果只关心套管的保护而忽略了水力裂缝的起裂，将影响压裂效果，造成油田减产。因此确定一种考虑射孔引发套管损坏并又兼顾水力压裂效果的防治方法尤为重要。

在分析射孔与套管损伤之前，请分别参考图1a、图1b和图1c所示，根据国外用三轴试验模拟井下射孔井压裂的试验研究成果可以得知：第一、裂缝起裂点有三种情况：a，裂缝1可能沿孔眼2起裂然后重新定向；b，裂缝面垂直于孔轴；c，裂缝1经孔眼2沿井筒3起裂；第二、裂缝的产生与孔眼和最佳平面的夹角密切相关；第三、裂缝的产生与泵的排量有关，裂缝的起裂和套管的保护需做到有机统一，射孔方位角对起裂的方位具有重要影响。

同时，发明人经过研究发现，射孔参数的选取对于套管损伤也具有紧密的关系。在不造成油田减产的前提下，确定好合理的射孔参数，可以减弱因射孔造成的套管抗挤毁强度，即射孔相位角、孔径、孔密、射孔最优时机等射孔参数都与套管保护直接相关。因此，综合考虑水力压裂增产与套管保护的有机统一是十分必要的，既要保证增产效果，又要最大限度减少套管损坏，对于射孔相位角、孔径、孔密、射孔时机等多个因素需要给予合理的优化设定，成为目前亟待解决的问题。

有鉴于此，本发明人根据从事本领域和相关领域的生产设计经验，研制出一种防止射孔引发套管损坏的优化方法，以期解决现有技术存在的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是在于提供一种防止射孔引发套管损坏的优化方法，从射孔相位角、孔径、孔密、射孔时机等多个因素对射孔参数进行优化设计，既保证了油田增产效果，又最大限度地减少了套管损坏。

为此，本发明提出一种防止射孔引发套管损坏的优化方法，包括以下步骤：

a)选取射孔枪的射孔相位角：当最小水平地应力和最大水平地应力之差在5mpa以内时，采用射孔相位角为90°进行螺旋射孔，并使射孔方向与最大水平地应力方向呈45°；

当最小水平地应力与最大水平地应力相差大于7mpa时，使射孔方向沿着与最大水平地应力方向呈180°定向射孔；

当最小水平地应力与最大水平地应力之差介于5mpa与7mpa之间时，采用射孔相位角为90°进行螺旋射孔并使射孔方向与最大水平地应力方向呈45°，或者使射孔方向沿着最大水平地应力方向呈180°定向射孔；

b)选择射孔枪的射孔孔密和射孔孔径：射孔孔密为13孔/米至16孔/米之间，射孔孔径为10.2～12.6毫米；

c)确定射孔枪的直径与套管内径的匹配：射孔枪的直径比套管的内径小10～20毫米。

如上所述的防止射孔引发套管损坏的优化方法，其中，在步骤b)中，射孔枪采用10.2毫米的射孔孔径。

如上所述的防止射孔引发套管损坏的优化方法，其中，还包括步骤d)射孔时机的选择：当固井水泥环弹性模量在15～20gpa时，射孔枪进行射孔作业。

如上所述的防止射孔引发套管损坏的优化方法，其中，在步骤d)中，当固井水泥环弹性模量在15gpa时，射孔枪进行射孔作业。

与现有技术相比，本发明提供的防止射孔引发套管损坏的优化方法，具有如下的有益效果：首先，充分考虑射孔的方位与地应力的大小和方向共同决定了初始水力裂缝的方位，既考虑了水力裂缝的起裂对压裂的影响，又考虑了套管对于射孔条件下的保护；其次，从孔密和孔径的角度，考虑了射孔与套管会产生应力集中等不利因素影响，有效减弱了射孔套管的损伤；再者，从固井水泥凝结硬化时机方面，考虑了不同时间对于套管附加载荷的情况，并确定最佳射孔时机，减弱了套管损坏的程度。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1a至图1c为裂缝走向与孔眼之间三种不同的关系图。

图2为本发明的防止射孔引发套管损坏的优化方法的工作流程示意图。

图3a为本发明中射孔枪上相位角为90°的射孔分布图；

图3b为本发明中射孔枪上相位角为180°的射孔分布图；

图4为本发明中射孔方向与最大水平地应力呈45°的平面示意图；

图5为本发明中射孔方向与最小水平地应力呈180°。

4射孔枪41射孔

f射孔方向σh最大水平地应力方向

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，以下结合附图及较佳实施例，对本发明提出的的具体实施方式、结构、特征及功效，详细说明如后。另外，通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入具体的了解，然而所附图仅是提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

请参见图2，本发明提出一种防止射孔引发套管损坏的优化方法，包括以下步骤：

a)选取射孔枪的射孔相位角：当最小水平地应力和最大水平地应力之差在5mpa以内时，采用射孔相位角为90°进行螺旋射孔，即射孔枪上的射孔呈螺旋状分布，且相邻两射孔之间的相位角为90°，另使射孔方向与最大水平地应力方向呈45°，其中，具体请参见图3a示意出射孔枪4上相位角为90°射孔41分布，此时，水力裂缝将沿着射孔方向起裂，射孔对套管的损伤将达到最小；

其中，上述射孔相位角、最大水平地应力及最小水平地应力均为本领域的公知术语，比如，射孔相位角是指是相邻两射孔弹之间的空间夹角，是射孔工艺设计的关键参数；最大水平地应力又称水平最大主地应力，最小水平地应力又称水平最小主地应力，这是岩石力学中一般情况下水平主地应力的表示方法。

当最小水平地应力与最大水平地应力相差大于7mpa时，使射孔方向沿着与最大水平地应力方向呈180°定向射孔，此时，可在射孔枪4上采用相位角为180°分布的射孔41作业((请参见图3b)，在此条件下，由于水力裂缝的起裂将与射孔方向无关，总是沿着最大水平地应力方向起裂，沿该方向定向射孔将对套管起到很好的保护作用；

当最小水平地应力与最大水平地应力之差介于5mpa与7mpa之间时，采用射孔相位角为90°进行螺旋射孔并使射孔方向f与最大水平地应力方向σh呈45°(请参见图4)，或者使射孔方向沿着最大水平地应力方向σh呈180°定向射孔(请参见图5)；

在实际作业中，由于射孔必然会造成套管的抗挤毁强度减弱，其削减系数与水平地应力的非均匀度和射孔方位有关，若最小最大水平地应力相差在5mpa以内，套管局部抗挤毁强度将削弱20％，若最小最大水平地应力相差5mpa以上，套管局部抗挤毁强度将削弱30％。因此，射孔相位角的选取需要与水力裂缝起裂和套管强度削弱有机结合，由于油田的长期开采，地层原始地应力被破坏，最大水平地应力及最小水平地应力的方向与水力裂缝的产生和套管的损坏关系密切，根据两者之间的相互数值关系，采用上述方式分别处理，能最大限度的减弱对套管的损坏。

b)选择射孔枪的射孔孔密和射孔孔径：射孔孔密为13孔/米至16孔/米之间，射孔孔径为10.2～12.6毫米，由此，通过低孔密与小孔径相结合，可减弱射孔套管的应力集中，有效减弱射孔套管的损伤；

c)确定射孔枪的直径与套管内径的匹配：射孔枪的直径比套管的内径小10～20毫米。以此，能避免出现因射孔枪的位置不居中，使套管两侧孔密不均而导致局部应力过大的现象发生。

较佳地，在步骤b)中，射孔枪采用10.2毫米的射孔孔径，10.2毫米的射孔孔径对应的最小应力解(theminimumstress)比12.6毫米的射孔孔径对应的最小应力解(theminimumstress)更小，因而能够更好地减弱射孔时套管周围的应力集中和损伤面积。

进一步地，还包括步骤d)射孔时机的选择：当固井水泥环弹性模量在15～20gpa时，射孔枪进行射孔作业。根据实践，固井水泥在未完全凝结硬化时为射孔的最佳时机，若距离固井时间过长进行射孔作业，射孔套管将会产生8mpa左右的附加载荷，而且，随着水泥环弹性模量的增加，套管承受的最大等效应力及受力面积逐步增加，因此在水泥未完全凝结硬化状态进行射孔作业，可以对套管起到很好保护的作用。

其中，在步骤d)中，当固井水泥环弹性模量在15gpa(1gpa＝1000mpa)时，射孔枪进行射孔作业。由于15gpa的水泥环弹性模量对应的最小应力解(theminimumstress)和最大应力解(themaximumstress)，均比20gpa的水泥环弹性模量对应的最小应力解(theminimumstress)和最大应力解(themaximumstress)更小，因而能够更好地减弱射孔周围的应力分布和损伤面积。

与现有技术相比，本发明提供的防止射孔引发套管损坏的优化方法，具有如下的有益效果：首先，充分考虑射孔的方位与地应力的大小和方向共同决定了初始水力裂缝的方位，既考虑了水力裂缝的起裂对压裂的影响，又考虑了套管对于射孔条件下的保护；其次，从孔密和孔径的角度，考虑了射孔与套管会产生应力集中等不利因素影响，有效减弱了射孔套管的损伤；再者，从固井水泥凝结硬化时机方面，考虑了不同时间对于套管附加载荷的情况，并确定最佳射孔时机，减弱了套管损坏的程度。需要说明的是，对于所采用射孔枪以及套管等，结构与现有技术大致相同，在此不再赘述。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。