陳鋒，彭建新，陳華彬，唐凱，郭廷亮

（1.中國石油川慶鉆探工程公司測井公司，重慶400021；2.塔里木油田分公司，新疆 庫爾勒841000）

0 引 言

四川盆地龍崗、元壩區(qū)塊的海相儲層上發(fā)現(xiàn)大型油氣儲量，儲層地質(zhì)特征井屬于超高溫超高壓井［1－2］，井深5 500～7 500m，油層溫度高（150～180℃），地層壓力高（120～145MPa）；塔里木盆地深部油氣藏庫車山前勘探區(qū)塊的井深基本是6 000～8 000m，地層溫度達到160～170℃，地層壓力達到了120MPa（最高預(yù)計可達140MPa），試油完井施工壓力超過140MPa。這些區(qū)塊的勘探開發(fā)井在完井過程中為了保護油層套管，常在重泥漿壓井條件下進行射孔作業(yè)，進行聯(lián)作時常因打壓座封、增產(chǎn)措施等工序使得施工時井下壓力進一步提高，部分井的施工壓力接近160MPa。超高溫條件下，油氣井試油過程時間長，火工器材的耐溫性能需要進一步提高。

世界范圍內(nèi)具備超高溫超高壓射孔器材及超高溫超高壓射孔完井技術(shù)的石油公司有斯倫貝謝、哈里伯頓等大石油公司。中國石油川慶鉆探工程公司測井公司通過技術(shù)攻關(guān)，已經(jīng)掌握超高溫超高壓超深穿透射孔工藝技術(shù)并投入深部油氣藏油氣開發(fā)的現(xiàn)場應(yīng)用。

1 現(xiàn)場施工情況

對于塔里木盆地深部油氣勘探開發(fā)，試油是一個世界級難題。在超深、超高溫、超高壓等特征的油氣井試油完井過程中出現(xiàn)了一些射孔工程事故，在射孔聯(lián)作作業(yè)中表現(xiàn)尤為突出，嚴重影響聚能射孔工藝技術(shù)的發(fā)展與進步，給油氣田帶來巨大的經(jīng)濟損失，甚至可能造成難以彌補的油氣井報廢。

××2－16井采用射孔測試聯(lián)作工藝，現(xiàn)場采用先座封后射孔的工藝，沒有施加套管平衡壓力，井口泵壓達到設(shè)計最大值后泄壓、穩(wěn)壓延時，但分段延時起爆，第2段與第1段相隔20s，第3段與第2段相隔50s。該井的地層壓力為107MPa，封隔器環(huán)空上端壓力為66.7MPa，形成的靜態(tài)負壓為40MPa。由于第3段起爆延時過長，在前2段溝通地層后，地層壓力迅速釋放，這時封隔器下端與上端的壓差是負壓值40MPa，第3段射孔時會形成瞬間增壓30～50MPa，作用在封隔器的壓差值達到70MPa以上，達到了封隔器解封的工作壓差，最終導(dǎo)致該井射孔后封隔器解封。

××202井采用射孔測試酸化三聯(lián)作工藝，采用7in＊非法定計量單位，1in＝25.4mm，下同的HP－1AH改造封隔器，套管7in，采用127型射孔槍配1m射孔彈，射孔厚度大，封隔器下采用2in的P110EUE油管，篩管為工程服務(wù)公司提供的打孔短節(jié)in的NUE×5.51mm，射孔后在篩管出現(xiàn)斷裂，射孔槍串落井。分析認為打孔短節(jié)本身性能不足，鋼級低、壁薄等成為斷裂落井的主要原因，通過軟件模擬也得到驗證；另外，一次性下井裝藥量大也是一個原因。

除此之外，××3井在山前區(qū)塊進行鉆桿傳輸射孔作業(yè)，射孔起爆后效觀察，隨后起動管柱遇卡，油氣井正常生產(chǎn)受到影響。山前區(qū)塊還遭遇循環(huán)閥失效、斷爆等工程案例?？偟膩碚f，深部油氣藏開發(fā)過程中試油完井是一個重要工序，它受到油氣井的工況、射孔工藝、現(xiàn)場工藝等因素影響，施工難度極大，施工結(jié)果直接影響油氣井正常作業(yè)。

2 優(yōu)化射孔工藝技術(shù)

塔里木油田山前區(qū)塊是典型的超深超高溫超高高壓油氣區(qū)塊之一，為了便于后續(xù)儲層改造及修井作業(yè)，主要采用較大套管完井。由于井深，油氣產(chǎn)層套管固井質(zhì)量差，為了實現(xiàn)井筒的高度安全以及保護油氣儲層，采用了高黏度高切力的油基泥漿作為完井液，完井投產(chǎn)管柱采用永久性封隔器結(jié)合氣密封油管完井［3］，射孔完井配套超高溫超高壓超深穿透射孔器材等。

由于山前區(qū)塊油氣藏的特殊性，油氣井完井集世界上最先進的射孔工藝技術(shù)，基于油氣井射孔安全最大化，射孔完井前需要開展一系列的技術(shù)優(yōu)化。

2.1 激動壓力預(yù)測技術(shù)

山前區(qū)塊超深油氣井射孔完井常采用油基泥漿體系，泥漿密度高、黏度高、切力大，射孔完井采用鉆桿傳輸方式。在這種工況條件下，射孔器材下井過程中需要嚴防產(chǎn)生過大的激動壓力。激動壓力與泥漿性能、井筒深度、傳輸管柱內(nèi)外徑、套管內(nèi)徑、下鉆瞬時速度、油套是否聯(lián)通等因素密切相關(guān)，激動壓力與射孔起爆壓力緊密聯(lián)系，根據(jù)油氣井工況條件，激動壓力預(yù)測（見表1）技術(shù)成為油氣井射孔設(shè)計與施工安全的一個重要保證。

激動壓力計算公式［4］

式中，pdy為激動壓力，Pa；f為范寧摩阻系數(shù)；ρ為井液密度，kg／m3；Dh為井筒內(nèi)徑，m；d為傳輸管柱外徑，m；L為管柱長度，m為環(huán)空平均流速，m／s。

表1 某井激動壓力預(yù)測

2.2 井筒動態(tài)負壓預(yù)測技術(shù)

射孔過程中井筒壓力是波動的，井筒會出現(xiàn)動態(tài)負壓區(qū)，瞬間產(chǎn)生的動態(tài)負壓過大將會嚴重影響到油層套管的安全，甚至?xí)T導(dǎo)套管外地層壓力擠毀套管，造成卡槍。加上油層套管固井質(zhì)量差，動態(tài)負壓將會進一步影響套管性能。井筒動態(tài)負壓的形成與射孔器材結(jié)構(gòu)、工藝密切相關(guān)。國外有一種動態(tài)負壓射孔工藝技術(shù)，利用射孔器材的特殊結(jié)構(gòu)實現(xiàn)制造井筒動態(tài)負壓，以利于地層壓力釋放而清洗射孔孔道，降低孔道表皮。這種動態(tài)負壓射孔工藝技術(shù)在某些井射孔過程中可能出現(xiàn)瞬間的井筒動態(tài)負壓近120MPa，在山前區(qū)塊應(yīng)用中曾造成套管變形卡槍。

因此，在山前區(qū)塊射孔完井前，根據(jù)油氣井工程數(shù)據(jù)、地質(zhì)數(shù)據(jù)、射孔參數(shù)等進行井筒動態(tài)負壓預(yù)測（見圖1），保證油氣井射孔過程中套管的安全，預(yù)防卡槍。

圖1 某井動態(tài)負壓預(yù)測

2.3 管柱評價技術(shù)

降低塔里木油田山前區(qū)塊施工過程中管柱彎曲、斷裂的風(fēng)險需考慮井筒結(jié)構(gòu)、傳輸管柱、封隔器座封位置、油套管鋼級、油管尺寸、泥漿密度、射孔槍類型、射孔裝藥量、人工井底、起爆工藝等諸多因素。射孔前期需要收集油氣井資料，根據(jù)油氣井試油工程設(shè)計進行充分的力學(xué)評價，借助工程動力學(xué)軟件，模擬計算管柱在射孔時的動態(tài)力學(xué)變化情況，確保射孔施工安全可靠。

××201井射孔井段為6 505～6 548m及6 572～6 611m，泥漿密度為1.98g／cm3，人工井底為6 800m，油層套管為5?2in，采用89型超高溫超高壓射孔器材進行射孔作業(yè)，射孔工藝為鉆桿傳輸。通過軟件模擬計算，結(jié)果見圖2。其中p1為6 000m鉆桿處受力情況；p2為6 100m處鉆桿受力情況；p3為6 400m處鉆桿受力情況；p4為6 505m處起爆器受力情況；p5為6 600m處射孔槍受力情況（見表2）。

圖2 ××201井管柱動態(tài)力學(xué)變化

表2 射孔管柱模擬點受力情況

2.4 超高溫超高壓［5］器材

完成了工作壓力175MPa的89型超高壓射孔器材及配套工具開發(fā)。射孔彈是射孔器的核心部分，在150℃以上的超高溫環(huán)境下，對射孔彈主炸藥［6］的性能及整體指標(biāo)提出了更加嚴苛的要求。由于超高溫炸藥HNS、PYX本身性能的原因，相比RDX、HMX，超高溫炸藥性能要下降，為此需要彌補炸藥本身性能的缺陷，一方面加強炸藥性能的深入研究；另一方面要對射孔彈內(nèi)腔結(jié)構(gòu)、炸藥配方、藥型罩結(jié)構(gòu)與配方、制備工藝、成型工藝、過程控制等進行創(chuàng)新，提高超高溫射孔彈整體穿孔性能。通過技術(shù)攻關(guān)，超高溫超深穿透射孔彈技術(shù)得到突破，穿孔性能達到國際先進水平。在攻關(guān)過程中發(fā)現(xiàn)超高溫炸藥HNS、PYX之間也存在著一些性能差別，并完成了整套超高溫器材在200℃／100h條件下的射孔打靶試驗。超高溫超高壓射孔器材技術(shù)在山前區(qū)塊得到現(xiàn)場應(yīng)用，技術(shù)優(yōu)勢顯著，孔徑、膨脹量、毛刺高度均小于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2.5 現(xiàn)場工藝技術(shù)

現(xiàn)場操作要全面考慮井下工具工作性能、激動壓力、起爆壓力、起爆工藝、油套聯(lián)通性能、緩解管柱動態(tài)力學(xué)措施、預(yù)防管柱遇卡工藝、降低井筒動態(tài)負壓途徑等?，F(xiàn)場工藝技術(shù)是一個系統(tǒng)性工程，及時處理它們之間的關(guān)系，能夠為射孔施工帶來高效作業(yè)。

2.6 起爆監(jiān)測技術(shù)

山前區(qū)塊超深井射孔起爆監(jiān)測作為射孔完井一個重要組成部分。由于該區(qū)塊油氣井深度大，泥漿密度大，準(zhǔn)確判斷起爆也是一個難題，特別是聯(lián)作工藝和射孔厚度小的油氣井施工。

壓力監(jiān)測是山前區(qū)塊油氣井射孔常用的監(jiān)測方法，通過地面壓力車在施加壓力過程中壓力瞬間降低判斷起爆器動作，進而判斷射孔起爆情況。壓力開孔起爆方式尤其適合于射孔井段小的油氣井施工，起爆器動作時油套及時聯(lián)通，從而判斷射孔起爆。

震動監(jiān)測儀主動識別起爆信號，通過使用分析軟件對起爆信號進行頻率和短時能量分析，通過硬件模塊過濾掉噪聲及地面泵振動等信號而識別射孔槍是否正常起爆。該監(jiān)測技術(shù)在山前應(yīng)用比較成功，但在射孔厚度?。ㄈ?m）的超深超油氣井中難以捕捉到起爆信號。

聲波監(jiān)測儀通過監(jiān)測起爆射孔時井筒的聲波判別起爆情況，與震動監(jiān)測儀情況一樣。

3 管柱技術(shù)

根據(jù)山前區(qū)塊的試油完井工程設(shè)計，設(shè)計了3種射孔施工作業(yè)管柱，滿足不同井況下的射孔完井作業(yè)。

（1）三聯(lián)作射孔管柱。利用油管將超高壓射孔槍、壓力起爆器、篩管、封隔器以及測試工具等輸送到目的層，校深、封隔器座封好后向環(huán)空施加操作泵壓，打開測試閥后穩(wěn)定環(huán)壓，使測試閥保持開啟，從油管內(nèi)采用壓力方式激發(fā)起爆器，完成射孔作業(yè)；射孔成功后轉(zhuǎn)入正常的酸化流程；酸化完成后，關(guān)井測試時泄放環(huán)壓即可［見圖3（a）］。

該管柱在現(xiàn)場應(yīng)用時，由于庫車山前區(qū)塊采用的是重泥漿壓井，應(yīng)考慮封隔器、測試工具的承壓指標(biāo)是否滿足要求。該工藝在庫車區(qū)塊應(yīng)用較少，目前，國外公司在××2井、××201井采用該聯(lián)作管柱進行了射孔和測試作業(yè)后，管柱遇卡，不能正常取出射孔測試管柱。

（2）一次射孔完井管柱。一次性完井管柱技術(shù)是油管傳輸射孔技術(shù)與永久封隔器完井技術(shù)的有機結(jié)合，下油管時，進行氣密封檢測，射孔器輸送到目的層位后，座封封隔器，驗封合格后，加壓引爆射孔槍，不必起出管柱，可以進行酸化、生產(chǎn)測井等措施，利用該管柱轉(zhuǎn)入正常采油采氣。它可以提高完井效率，同時避免壓井造成的二次污染，特別適用于高產(chǎn)、高酸性、高壓氣田的開發(fā)［見圖3（b）］。

（3）TCP傳輸射孔管柱。在超深超高溫超高壓條件下，射孔聯(lián)作試油過程中管柱及封隔器受到?jīng)_擊力大，封隔器失效明顯，管柱遇卡的情況也有發(fā)生?？紤]到試油安全，山前區(qū)塊在在重泥漿或有機鹽壓井條件下，常采用鉆桿傳輸射孔作業(yè)，射孔成功后，再單獨下測試管柱進行測試。該工藝在庫車山前區(qū)塊應(yīng)用較多［見圖3（c）］。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

超高溫超高壓超深穿透射孔技術(shù)自成功研發(fā)以來，綜合運用激動壓力預(yù)測技術(shù)、動態(tài)負壓預(yù)測技術(shù)、現(xiàn)場工藝技術(shù)等，截至目前，已在塔里木油田山前勘探開發(fā)區(qū)塊現(xiàn)場應(yīng)用達10余井次，工藝成功率100%，射孔孔眼圓潤規(guī)則，槍體基本無變形，毛刺低（見表3）。

圖3 山前區(qū)塊射孔作業(yè)管柱設(shè)計

表3 超高溫超高壓超深穿透射孔統(tǒng)計表（部分）

5 結(jié)束語

（1）隨著深部油氣藏成為陸上戰(zhàn)略資源的主體之一，超高溫超高壓超深穿透射孔技術(shù)成為深部油氣藏開發(fā)的主力射孔技術(shù)。

（2）通過多年的技術(shù)攻關(guān)和科技創(chuàng)新，依靠先進的設(shè)計工具和領(lǐng)先的試驗技術(shù)，目前已形成一套穩(wěn)定的超高溫超高壓超深穿透射孔技術(shù)，打破了國外石油公司在這一技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的壟斷和封鎖。

（3）超高溫超高壓超深穿透射孔技術(shù)具備多項核心技術(shù)，現(xiàn)場推廣應(yīng)用過程中，大大降低試油完井成本，推動了國內(nèi)射孔技術(shù)水平提高，提升了國內(nèi)試油整體技術(shù)。

［1］ Martin Schoener－Scott.HPHT Perforating Practices［C］∥2012International Perforating Symposium，2012.

［2］ Nauman Mhaskar，Mark Sloan，William Myers，et al.Design and Qualification of an Ultra－h(huán)igh Pressure Perforating System［C］∥2012SPE Deepwater Drilling and Completions Conference，Deepwater Drilling and Completions Conference，2012，Galveston，Texas.

［3］ 唐凱，陳華彬，陳鋒，等.超高壓長跨度全通徑射孔在高壓氣田的應(yīng)用 ［J］.天然氣工業(yè)，2011，31（9）：58－61.

［4］ 陳華彬，唐凱，歐躍強，等.封隔器中途座封對射孔的影響分析 ［C］∥2011年油氣井射孔技術(shù)交流會論文集，2011.

［5］ 唐凱，陳建波，陳華彬，等.超高壓射孔槍結(jié)構(gòu)設(shè)計及數(shù)值分析 ［J］.測井技術(shù)，2012，36（1）：73－77.

［6］ 陸大衛(wèi).油氣井射孔技術(shù) ［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2012：31－40.