張福祥 郭廷亮 楊向同 王海東 劉洪濤 巴旦

(1.中國石油塔木油田分公司 新疆 庫爾勒 841000；2.中國石油川慶鉆探測(cè)井公司 重慶 400021)

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·試驗(yàn)研究·

庫車“三超”井射孔工藝關(guān)鍵因素控制分析*

張福祥1郭廷亮2楊向同1王海東2劉洪濤1巴旦1

(1.中國石油塔木油田分公司 新疆 庫爾勒 841000；2.中國石油川慶鉆探測(cè)井公司 重慶 400021)

庫車山前油氣區(qū)超高溫超高壓超深井(“三超”井)完井方式普遍采用鉆桿傳輸射孔，該區(qū)塊特定的超高溫超高壓井況條件對(duì)射孔工藝技術(shù)提出了更高的要求?；趲燔嚿角啊叭庇蜌饩揪疀r，以目前庫車山前井鉆桿傳輸射孔工藝為例，分析了影響射孔工藝安全和質(zhì)量的壓力、溫度等關(guān)鍵性因素；同時(shí)對(duì)每項(xiàng)影響因素分析總結(jié)了相應(yīng)的可行性控制技術(shù)與方法。自實(shí)現(xiàn)“三超”井射孔技術(shù)和器材的全套國產(chǎn)化以來，該射孔工藝技術(shù)已經(jīng)在庫車山前區(qū)塊得到了全面的推廣應(yīng)用。

庫車山前；“三超”井；射孔工藝；關(guān)鍵因素；控制分析

1 引 言

隨著油氣資源勘探投入的不斷增加、理論認(rèn)識(shí)的不斷提高和方法技術(shù)的不斷進(jìn)步，在地層深部發(fā)現(xiàn)了大量的油氣資源，如塔里木油田庫車山前的克深、大北等區(qū)塊。目前在該區(qū)塊已鉆探出一大批超高溫超高壓超深井，井深普遍超過6 500 m，地層壓力達(dá)到了120 MPa(預(yù)計(jì)最高可達(dá)140 MPa)，地層溫度達(dá)到150℃～180℃。

出于具體井況和射孔工藝安全時(shí)效性考慮，該區(qū)塊普遍采用了鉆桿傳輸射孔完井方式。在國內(nèi)，傳輸射孔工藝完井經(jīng)過近30年的發(fā)展，已經(jīng)成為相當(dāng)成熟的射孔工藝，然而，庫車山前區(qū)塊“三超”井實(shí)際井況，又對(duì)傳輸射孔完井工藝提出了前所未有的挑戰(zhàn)。目前，國內(nèi)公司已成功研發(fā)出針對(duì)該類“三超”井采用的5.5 in(1 in=25.4 mm)或7 in套管完井的配套射孔工藝技術(shù)和相關(guān)器材，這一方面打破了國外公司的技術(shù)壟斷，另一方面也實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)“三超”井射孔技術(shù)和器材的全套國產(chǎn)化。

文章從現(xiàn)采用的鉆桿傳輸射孔工藝出發(fā)，分析了各個(gè)關(guān)鍵因素對(duì)射孔工藝安全和質(zhì)量的影響并總結(jié)了實(shí)際的控制技術(shù)和方法，通過應(yīng)用情況表明了該項(xiàng)工藝的安全實(shí)用性。

2 壓力影響因素

2.1 射孔槍承壓

密閉的射孔器下入井內(nèi)，射孔槍是承壓主體。如果射孔槍承壓指標(biāo)低，那么射孔器在入井或者是加壓起爆過程中會(huì)出現(xiàn)射孔槍變形，導(dǎo)致射孔失敗，嚴(yán)重的會(huì)造成卡槍、掉槍事故，甚至該井報(bào)廢。在庫車山前某井鉆桿傳輸射孔時(shí)，就曾出現(xiàn)了射孔槍承壓等級(jí)不夠，射孔槍加壓起爆過程中，在未達(dá)到起爆壓力值時(shí)射孔槍被擠癟變形的工程事故。

研制了國內(nèi)獨(dú)有的SQ-89和SQ-121型二套超高壓射孔槍，承壓指標(biāo)為175 MPa，適合于目前庫車山前區(qū)塊5.5 in和7 in套管完井射孔作業(yè)。在研制過程中嚴(yán)格執(zhí)行器材性能調(diào)研、理論模擬和計(jì)算、器材設(shè)計(jì)和高溫高壓試驗(yàn)等技術(shù)控制措施。對(duì)投入應(yīng)用前的每批次超高壓射孔槍，按照5%比例進(jìn)行抽檢，包括尺寸與精度測(cè)量、接頭抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)和超高溫高壓試驗(yàn)。尺寸與精度誤差控制在±0.05 mm，抗拉強(qiáng)度不低于600 kN，在200℃，200 MPa高溫高壓試驗(yàn)條件下，穩(wěn)壓30 min，檢測(cè)承壓性能和密封性能。

2.2 起爆裝置承壓

起爆裝置承壓受井內(nèi)液柱壓力和起爆加壓值共同制約，研發(fā)了二種超高壓的起爆裝置，分別是超高壓壓力延時(shí)起爆裝置和超高壓壓力開孔延時(shí)起爆裝置。其額定承壓分別為180 MPa和160 MPa，滿足了庫車山前“三超”井射孔起爆要求。

超高壓起爆裝置必須進(jìn)行整裝性能檢測(cè)，每批次抽檢一套。超高壓起爆裝置抽檢試驗(yàn)條件為：剪切銷釘設(shè)置起爆壓力175 MPa，開孔起爆裝置剪切銷釘設(shè)置為155 MPa，加溫至180℃恒溫2 h后加壓起爆，實(shí)際起爆值必須在理論計(jì)算值的±5%之內(nèi)，實(shí)際延時(shí)時(shí)間要在額定延時(shí)時(shí)間±1 min之內(nèi)，另外還需檢查開孔起爆裝置開孔功能運(yùn)行情況。

2.3 負(fù)壓

射孔起爆瞬間井筒內(nèi)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)壓力最高值和壓力最低值，如果壓力低值越小，那么該壓力與地層壓力存在一個(gè)壓差(負(fù)壓)。負(fù)壓值越大可能會(huì)造成套管變形、卡槍的風(fēng)險(xiǎn)。2012年在庫車山前井射孔施工中，出現(xiàn)過射孔后負(fù)壓過大引起套管變形卡槍的情況。

采用了先進(jìn)的Plusfrac軟件，結(jié)合井況參數(shù)和射孔參數(shù)進(jìn)行壓力值的數(shù)值模擬如圖1所示；利用先進(jìn)的高速電子壓力計(jì)實(shí)際采集和提取射孔瞬間動(dòng)態(tài)壓力參數(shù)如圖2所示。通過對(duì)模擬值和實(shí)際采集值的對(duì)比分析，總結(jié)一般性壓力變化規(guī)律，用于指導(dǎo)射孔管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)?，F(xiàn)目前在本區(qū)射孔施工井中，對(duì)射孔跨度超過140 m時(shí)，通常采用分為二次或多次射孔的工藝，從而避免了一次射孔在打開地層瞬間井筒內(nèi)過大的負(fù)壓值。

圖1 模擬壓力變化

圖2 射孔瞬間壓力變化

2.4 激動(dòng)壓力

在射孔管串入井過程中，井內(nèi)液體流速改變，使井內(nèi)液柱壓力變化，所增加的壓力就是激動(dòng)壓力。激動(dòng)壓力影響因素包括井液性能(密度、流變性等)、環(huán)空間隙大小、下入深度和速度等[1]。射孔管柱入井時(shí)，井液、環(huán)空間隙和下入深度基本固定，最大的影響因素則是速度。如果下放速度過快，可能產(chǎn)生大的激動(dòng)壓力，導(dǎo)致起爆裝置提前工作，發(fā)生誤射孔的工程事故。在國內(nèi)的傳輸射孔作業(yè)中，也發(fā)生過在下入管柱過程中因激動(dòng)壓力過大導(dǎo)致提前射孔的事故。

圖3 激動(dòng)壓力變化曲線

為此，在庫車山前井射孔作業(yè)中，一方面適當(dāng)提高了起爆裝置的起爆中值(≥25 MPa)；另一方面通過高速電子壓力計(jì)監(jiān)測(cè)井內(nèi)激動(dòng)壓力變化情況如圖3所示，分析計(jì)算出合理下放速度，制定出射孔管串入井技術(shù)控制流程，下入速度控制在≤15柱/小時(shí)之內(nèi)。

3 溫度影響因素

3.1 起爆裝置剪切銷釘

超高壓起爆裝置剪切銷釘單顆剪切值受井溫增加變化趨勢(shì)如圖4所示。根據(jù)井溫資料，查詢銷釘強(qiáng)度降低百分比，才能準(zhǔn)確計(jì)算起爆壓力值。

在實(shí)際射孔工藝中，一方面嚴(yán)格按表查詢銷釘單顆剪切值隨溫度變化的強(qiáng)度降低百分?jǐn)?shù)，計(jì)算起爆壓力值；另一方面多人復(fù)核起爆壓力計(jì)算值和銷釘數(shù)量，進(jìn)而保證起爆壓力值準(zhǔn)確。

圖4 “溫度-剪切銷材料強(qiáng)度降低百分?jǐn)?shù)”曲線圖

3.2 “O”型密封圈

“O”型密封圈是射孔槍連接處唯一密封部件，隨溫度增加可能會(huì)出現(xiàn)形變、強(qiáng)度降低或碳化現(xiàn)象，影響密封效果導(dǎo)致槍體進(jìn)液。對(duì)采用的兩類氟橡膠密封圈，每批次抽樣做密封性功能測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為200℃，200 MPa，穩(wěn)壓30 min，試驗(yàn)結(jié)果要求密封圈性能可靠，密封效果良好，無刺漏。

3.3 火工品

火工品包括射孔彈、導(dǎo)爆索、傳爆管、起爆藥餅和延時(shí)藥柱，火工品耐溫等級(jí)直接影響其穩(wěn)定性。鑒于庫車山前井一般井溫在150℃～180℃，RDX和HMX型炸藥不能滿足溫度要求，特采用了超高溫型炸藥HNS(200℃)，炸藥類型與溫度、時(shí)間關(guān)系如圖5所示。研制和生產(chǎn)了符合技術(shù)要求的配套射孔作業(yè)火工品器材。

圖5 炸藥類型與溫度、時(shí)間關(guān)系圖

在射孔火工品投入實(shí)際射孔作業(yè)前，需要在試炮塔內(nèi)進(jìn)行傳爆性能和殉爆距離檢測(cè)試驗(yàn)，導(dǎo)爆索為兩段，每段長度≥500 mm，傳爆管2個(gè)，殉爆距離(50±2) mm，軸向偏心距(3±0.2) mm。每批射孔彈按數(shù)量的1‰比例抽檢，按照API-19B標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行柱狀靶射孔打靶試驗(yàn)，檢測(cè)射孔穿深和孔徑指標(biāo)。

3.4 泥漿

泥漿性能會(huì)受溫度的影響，一般而言隨著溫度上升，水基泥漿中的粘土顆粒動(dòng)能增加，采用不同的泥漿材料(即粘土和聚合物添加劑)時(shí)，從而會(huì)發(fā)生聚結(jié)，其結(jié)果是流變極限下降[2]。泥漿對(duì)射孔起爆的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是泥漿沉淀可能造成不能有效傳壓，導(dǎo)致不能正常點(diǎn)火；另一方面起爆裝置起爆壓力(銷釘設(shè)置)與泥漿有著直接關(guān)系，泥漿密度誤差最終會(huì)導(dǎo)致起爆壓力的設(shè)置誤差[3]。

目前庫車山前井中，常采用性能更加穩(wěn)定的油基類泥漿。在現(xiàn)場(chǎng)，一方面進(jìn)行特定溫度和保溫時(shí)間的泥漿性能測(cè)試試驗(yàn)；另一方面時(shí)刻監(jiān)測(cè)泥漿性能變化情況，特別是在射孔管柱入井前對(duì)全井筒泥漿充分調(diào)試循環(huán)。

在采用壓力開孔起爆方式時(shí)，為了防止泥漿中存在固結(jié)現(xiàn)象，采用特定的篩網(wǎng)過濾泥漿后灌入管柱內(nèi)；為了防止較大的液柱氣墊產(chǎn)生影響壓力傳遞起爆，在下入管柱過程中采用每柱灌泥漿，每三柱一灌滿的控制辦法。

4 其他影響因素

4.1 校深儀器

外徑、耐溫和承壓是放磁組合校深儀器(CCL+GR)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。經(jīng)多年的發(fā)展，國內(nèi)校深儀器也取得了較大的技術(shù)突破。針對(duì)庫車山前井管柱內(nèi)徑、溫度和井內(nèi)壓力情況，現(xiàn)在常采用￠35型(耐溫200℃、承壓140 MPa)，￠38型(耐溫180℃、承壓140 MPa)和￠44型(耐溫180℃、承壓160 MPa)三類校深儀器，均能滿足了不同井況的校深要求。

在校深工作技術(shù)控制中明確規(guī)定：結(jié)合井底液柱壓力、測(cè)井溫度和管柱最小水眼選擇符合要求的放磁組合儀器；另外，為保證校深儀器在管柱內(nèi)順利起下，要求入井的每柱管柱必須地面通徑，同時(shí)防止井內(nèi)或管柱內(nèi)掉物。

4.2 加壓起爆過程

射孔管柱加壓起爆過程分為加壓、泄壓、延時(shí)和起爆四個(gè)環(huán)節(jié)。如果在加壓或未完全泄壓環(huán)節(jié)中射孔器已起爆，這會(huì)增加對(duì)地層的壓實(shí)污染，影響射孔效果；同時(shí)井內(nèi)壓力會(huì)造成射孔管柱移動(dòng)，影響射孔精度。實(shí)際施工中一方面采用了10 min的延時(shí)起爆裝置，另一方面嚴(yán)格控制整個(gè)加壓、泄壓過程時(shí)間。

4.3 射孔管柱震動(dòng)

射孔爆炸瞬間射孔沖擊波形成的動(dòng)態(tài)載荷使射孔管柱產(chǎn)生振動(dòng), 促使管柱軸向拉伸或壓縮，嚴(yán)重情況下會(huì)使射孔管柱彎曲，甚至斷裂[4]。如今還沒有完備的技術(shù)手段和研究方法對(duì)管柱動(dòng)態(tài)受力做出十分準(zhǔn)確的分析；目前采用了抗拉、抗壓、屈服強(qiáng)度等參數(shù)更高的鉆桿或油管，有效的防止了管柱變形打扭、彎曲和斷裂。

5 部分井作業(yè)統(tǒng)計(jì)

為了保證庫車山前“三超”井射孔作業(yè)的時(shí)效性和成功率，先后制訂了“庫車山前超高溫超高壓射孔器材產(chǎn)品質(zhì)量控制規(guī)定”和“庫車山前井射孔現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)規(guī)程”。通過器材控制和現(xiàn)場(chǎng)工藝控制，有力的保證了射孔作業(yè)的安全順利進(jìn)行。自2013年以來，“三超”井射孔工藝已在庫車山前區(qū)塊應(yīng)用超過30井次，作業(yè)效果良好，均取得了成功，部分井應(yīng)用統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 庫車山前部分井射孔作業(yè)統(tǒng)計(jì)

6 結(jié)論與建議

(1)庫車山前“三超”井射孔工藝關(guān)鍵控制因素主要包括井內(nèi)壓力，井下溫度，泥漿因素以及校深儀器、加壓起爆過程控制和管柱震動(dòng)影響等其他因素。

(2)分析了各個(gè)因素對(duì)射孔工藝的具體影響，總結(jié)分析了現(xiàn)目前的針對(duì)性解決控制措施和方法，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。

(3)通過實(shí)際應(yīng)用情況表明了國產(chǎn)“三超”井射孔工藝技術(shù)和配套器材完全能夠滿足庫車山前井況的施工和技術(shù)要求。

(4)加強(qiáng)射孔管柱力學(xué)研究，形成一套準(zhǔn)確有效的超深井射孔管柱安全評(píng)價(jià)技術(shù)和方法，用于指導(dǎo)射孔管柱設(shè)計(jì)。

(5)針對(duì)塔里木油田今后會(huì)勘探開發(fā)出溫度、壓力更高的超深井，應(yīng)基于目前的射孔工藝技術(shù)，研制開發(fā)出承壓更強(qiáng)，耐溫更高的射孔器材及配套設(shè)備，不斷推動(dòng)國內(nèi)“三超”井射孔工藝技術(shù)的發(fā)展。

[1] 付華才,劉 洋,孫 政，等.套管下入激動(dòng)壓力計(jì)算模型及影響因素分析[J].鉆采工藝,2013,36(3):15-17.

[2] M.A.Faraz,C.Marx,張 偉.水基鉆井泥漿耐溫性能的試驗(yàn)研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),1989,33(2)：64.

[3] 康健利,付多辰.高壓深井射孔工藝關(guān)鍵因素分析[J].油氣井測(cè)試,2004,13(6):32-33.

[4] 陳華彬，唐 凱，任國輝，等.超深井射孔管柱動(dòng)態(tài)力學(xué)分析[J].測(cè)井技術(shù),2010,34(5)：487-491.

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Analysis of the Key Factor Influencing on Perforating Technique in ultra High Temperature & Pressure & Deep Well in Kuqa Foreland

ZHANG FuXiang1GUO TingLiang2YANG XiangTong1WANG HaiDong2LIU HongTao1BA Dan1

(1.TarimOilfieldcompany,CNPC,Kuerle,Xinjiang841000,China；

2.LoggingCompany,ChuanqingDrillingEngineeringCo.,Ltd.,CNPC,Chongqing400021,China)

Completion of ultra high temperature & pressure & deep well in kuqa foreland area is usually drilling pipe conveyed perforation. The actual well status put forward higher requirement to perforating technique. This paper introduce basic well condition and current perforating technique, analyze the key factors influence the safety and quality of perforating technique, like temperature, pressure factors, and summary analysis corresponding method and technology .Since the localization, perforating technique and equipment get successful popularization and application in kuqa foreland area.

kuqa foreland， ultra high temperature & pressure & deep well， perforating technique， key factor， control and analysis

國家科技重大專項(xiàng)子課題“超深超高壓高溫氣井試油、完井及儲(chǔ)層改造配套技術(shù)”

張福祥,男,1961年生，教授級(jí)高級(jí)工程師，1982年畢業(yè)于新疆石油學(xué)院鉆井專業(yè),現(xiàn)在中國石油塔木油田分公司從事油氣勘探開發(fā)管理工作。E-mail:0996zfx@vip.sina.com

TE257

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2096-0077(2015)02-0041-04

2014-08-09 編輯：馬小芳)