陳建波, 唐凱, 彭建新, 陳華彬, 任國輝

(1.中國石油集團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

隨著勘探水平和鉆井技術的不斷發(fā)展,四川盆地、塔里木油田油氣勘探不斷向深層推進,在高石梯-磨溪、雙魚石構造、庫車山前等區(qū)域鉆探了一批超高溫超高壓井,發(fā)現(xiàn)了高石梯-磨溪、雙魚石構造、迪那、大北、克深等油氣區(qū)塊,這些探井井深普遍超過5 000 m,其中雙探1井完鉆井深7 308.7 m,地層壓力134 MPa,預測地層溫度180～185 ℃;KS9井井深7 580 m,地層壓力達到了130～140 MPa,預測地層溫度達到160～180 ℃[1]。

在這些超深、超高溫、超高壓等油氣井試油完井過程中,條件復雜導致了一些射孔工程事故,如射孔管柱彎曲斷裂、管柱遇卡、射孔后套管變形等,給油氣田帶來了很大的經(jīng)濟損失。如DN202井采用射孔酸化測試聯(lián)作工藝射孔完后,射孔管柱在2in*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同篩管處斷落落井;KS3井在進行鉆桿傳輸射孔后,上起射孔管柱遇卡;KS801井、KS9井等射孔后套管存在變形導致通井管柱無法通過[2]。針對超高溫超高壓射孔導致的復雜工程事故,有必要通過測量射孔爆炸載荷響應[3],了解射孔瞬間射孔性能、管柱變形、沖擊載荷響應和油氣井壓力響應等情況[4],并對測試情況作出全面分析,作出最優(yōu)化的射孔設計方案,確保射孔作業(yè)成功完成。

射孔動態(tài)特征測試分析系統(tǒng)包括射孔爆炸載荷響應井下測試系統(tǒng)和射孔動態(tài)特征分析系統(tǒng)。前者主要是從國外購買的世界最先進的高溫高壓射孔測試儀器,在塔里木油田成功完成了LN2-33-H7、LN2-33-H6、KS501、KS801等井的射孔瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集。后者是自主開發(fā)的軟件系統(tǒng),可以對高溫高壓射孔測試儀器采集的數(shù)據(jù)進行全面分析。本文對這2部分進行介紹,并給出指導高溫高壓井現(xiàn)場施工的案例。

1 測試系統(tǒng)配套及應用

準確了解射孔瞬間射孔性能、管柱變形、沖擊載荷響應和油氣井壓力響應等情況,離不開射孔爆炸載荷響應井下測試與數(shù)據(jù)分析。一個有效的非實時存儲式射孔爆炸載荷響應測試系統(tǒng)應該包含加速度傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、數(shù)據(jù)存儲器等關鍵設備,在對井下射孔器材爆炸瞬間的響應參數(shù)進行測量并存儲在數(shù)據(jù)存儲器中,最后通過PC平臺進行數(shù)據(jù)的轉換讀取和分析(見圖1)。

圖1 系統(tǒng)結構圖

1.1 主要技術參數(shù)

在充分調(diào)研國內(nèi)外同類型射孔爆炸瞬間響應參數(shù)測量儀器的基礎上,結合超深、超高溫、超高壓等油氣井特點,引進了英國某公司的超高溫超高壓射孔p—t測試儀。該儀器集成了軸向加速度傳感器、徑向加速度傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、數(shù)據(jù)存儲器等組件,耐溫175 ℃、耐壓17 MPa,可同時采集包括射孔瞬間壓力、溫度、橫向沖擊力、縱向沖擊力、電池電壓等多通道數(shù)據(jù),能夠滿足四川盆地、塔里木油田等地超深、超高溫、超高壓井的應用需求。其主要傳感器及存儲器技術指標見表1。

表1 主要傳感器及存儲器技術指標

非法定計量單位,1 psi=6 894.757 Pa,下同

1.2 數(shù)據(jù)采樣設置

數(shù)據(jù)采樣設置是正確采集射孔瞬間動態(tài)參數(shù)變化的關鍵。一般射孔數(shù)據(jù)采集作業(yè)需要經(jīng)歷3個階段:慢速采樣、快速緩存和快速采樣階段。通常需要根據(jù)儀器設置時間和裝配時間、下井前地面測試的時間、下井到預定深度的時間、測量預定深度的靜壓值、激發(fā)進入快速緩存模式、激發(fā)進入快速采樣模式、快速采樣后的采樣步驟(慢速或中速采樣)、設定采集多次射孔數(shù)據(jù)等因素進行編程設置。

典型的管柱傳輸射孔數(shù)據(jù)采樣程序設置步驟1和步驟2為慢速采樣階段,當壓力大于7 500 psi時激發(fā)進入快速緩存階段。在快速緩存階段,儀器以40 kHz的速度進行壓力采樣,但由于內(nèi)存限制,僅能每隔1 s存儲1次數(shù)據(jù)。如果壓力差在1.6 ms內(nèi)超過了250 psi,儀器就會激發(fā)進入快速采樣階段。在快速采樣階段,儀器會以40 kHz的速度進行壓力采樣,以2.5 kHz的速度為其他通道(除了電池電壓外)采樣。在設定時間采樣結束后,跳轉至第5階段,但如果壓力大于7 500 psi儀器會被循環(huán)激發(fā)進入快速緩存階段,以保證出現(xiàn)冗余激發(fā)仍然能夠采集射孔瞬間數(shù)據(jù)。

1.3 射孔爆炸載荷響應井下測試

射孔爆炸載荷響應井下測試技術配套成功后,在塔里木油田進行了幾次成功的數(shù)據(jù)采集應用。到目前為止,已完成了LN2-33-H7、LN2-33-H6、KS501、KS801等井共計8井次的射孔爆炸載荷響應井下測試。表2是詳細的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

表2 射孔爆炸載荷響應井下測試統(tǒng)計數(shù)據(jù)

2 射孔動態(tài)特征分析系統(tǒng)研制

為對采集到的射孔瞬間數(shù)據(jù)進行有效分析,自主研發(fā)了射孔動態(tài)特征分析系統(tǒng),該系統(tǒng)運用面向對象(OOP)技術,采用模塊化思想,以Microsoft公司的Visual C++工具開發(fā),具有時域分析、壓力波頻譜分析、壓力波頻譜校正、速度分析、位移分析、單位沖擊力分析、激動壓力分析等功能。

采集到的壓力波響應曲線進行頻譜分析后,把復雜的壓力波時域信號轉換成頻域信號,能更有效地揭示射孔瞬間微秒級別內(nèi)的壓力響應。加速度響應曲線是一個非常重要的采集參數(shù),依靠微積分和沖量定理對加速度信號作一系列的分析和處理后,可以得到射孔管柱速度、位移和所受沖擊力等一些重要的特征數(shù)據(jù)。

2.1 壓力波時域分析功能與套管及管柱強度校核

射孔瞬間會產(chǎn)生較高的峰值壓力和較低的低值壓力,壓力過高或過低都會導致套管或傳輸管柱強度破壞造成嚴重后果,因此有必要根據(jù)射孔瞬間壓力進行套管及管柱校核。

圖2 KS501井射孔瞬間壓力時域曲線

如圖2所示,KS501井射孔最大峰值壓力20 818.9 psi,最小峰值壓力10 732.2 psi,射孔段靜液柱壓力16 923 psi。根據(jù)套管強度校核理論,允許最大或最小峰值壓力為

(1)

(2)

KS501井產(chǎn)層套管抗內(nèi)壓120.2 MPa,抗擠120.1 MPa,抗內(nèi)壓安全系數(shù)取值1.25,抗外擠(一般安全系數(shù)取值1.125,射孔后套管強度降低,建議取值1.25),地層壓力103.5 MPa(6 413 m),射孔段套管外壓力按清水計算。計算可得射孔允許最大峰值壓力158.9 MPa,允許最小峰值壓力7.4 MPa。KS501井射孔峰值在允許范圍內(nèi),作業(yè)是安全的。

2.2 壓力波頻譜分析功能與射孔槍結構改進

根據(jù)模態(tài)分析理論,任何一個物體都有其固有頻率,如果作用在該物體上載荷的頻率和固有頻率相同或者呈一定倍數(shù)關系,就容易出現(xiàn)諧振。對采集到的壓力波信號進行頻譜分析,結果見圖3。

圖3 壓力波頻譜分析

圖4 121射孔槍模態(tài)分析頻率

LN2-33-H7井射孔瞬態(tài)壓力頻譜分析結果[見圖3(a)]顯示,射孔壓力波主要集中在76.2～5 500 Hz的寬頻范圍內(nèi),其中以229.1和76.2 Hz下的壓力波峰最大。LN2-33-H6井射孔瞬態(tài)壓力頻譜分析結果[見圖3(b)]顯示,射孔壓力波主要集中在76.4～4 150 Hz的寬頻范圍內(nèi),其中以76.4 Hz下的壓力波峰最大128.6 psi。KS501井射孔瞬態(tài)壓力頻譜分析結果[見圖3(c)]顯示,射孔壓力波主要集中在83.1～4 583 Hz的寬頻范圍內(nèi),其中以83.1 Hz時的壓力波峰最大,為255.6 psi。

以KS501井采用的121射孔槍為例,采用PROE模態(tài)分析的一階固有頻率為368.86 Hz,二階固有頻率為923.08 Hz(見圖4)。對比KS501的壓力波頻譜分析,可知該型射孔槍的結構設計是合理的,不會產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。

2.3 管柱速度、位移及沖擊力分析功能與抗拉強度校核

射孔沖擊加速度屬于變加速運動,因此只能依靠微積分和沖量定理進行反運算,得出管柱速度、位移和所受沖擊力等關鍵信息。按照此原理,設計相應的算法程序,編入射孔動態(tài)特征分析軟件中,分析LN2-33-H7、LN2-33-H6井和KS501井,可得以下軸向加速度特征關鍵數(shù)據(jù)(見圖5和表3)。

LN2-33-H7井和LN2-33-H6井采用3.5 in油管傳輸射孔,油管壁厚7.34 mm,抗拉1 427 kN,滿足射孔沖擊的要求。KS501井采用3.5 in鉆桿傳輸射孔,鉆管壁厚17.45 mm,其抗拉能力完全滿足射孔沖擊的要求。

表3 LN2-33-H7、LN2-33-H6和KS501井軸向關鍵特征提取數(shù)據(jù)

*單位沖擊力為每10 kg管柱所受的沖擊力

2.4 激動壓力分析

對于油氣井射孔完井,激動壓力會給射孔起爆帶來影響。下管柱瞬間速度過快,形成激動壓力可能導致卡鉆、誤射孔等工程事故。根據(jù)激動壓力理論

(3)

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為管柱外徑,m;L為管柱長度,m;v1為井內(nèi)流體流動速度,m/s。

LN2-33-H7井和LN2-33-H6井下鉆造成的激動壓力最高達500 psi,下鉆速度約3～4 min每柱。KS501井下鉆造成的波動壓力最高達1 100 psi,下鉆速度約4 min每柱。實測數(shù)值和理論計算結果相吻合(見圖6)。

造成高激動壓力原因有多種,其中下鉆瞬間速度是一個關鍵因素。下鉆過程中頓鉆、溜鉆、中途封隔器啟動坐封、瞬間遇阻等都將帶來瞬間最大速度,從而使井筒激動壓力劇增。因此,在超高溫超高壓射孔作業(yè)時,應適當增大壓力安全起爆系數(shù)。

圖6 LN2-33-H6井和KS501井實測激動壓力

3 現(xiàn)場應用

射孔動態(tài)特征分析系統(tǒng)研制成功后,通過對采集到的數(shù)據(jù)進行分析與總結,成功指導了KS3-1、KS8-2、DB304、DB307等井超高溫超高壓井的射孔方案設計及現(xiàn)場作業(yè)。下面僅以KS3-1井為例進行數(shù)據(jù)分析及射孔方案優(yōu)化設計。

KS3-1井是塔里木盆地庫車坳陷克拉蘇構造帶克深區(qū)帶克深2號構造上的1口開發(fā)井,人工井底7 024 m,采用5in套管固井完井,井液密度1.88 g/cm3,預測地層壓力114 MPa,預測溫度161 ℃,擬在6 805～6 930 m井段進行鉆桿傳輸射孔作業(yè)。

圖7 仿真模擬數(shù)據(jù)

根據(jù)KS3-1油氣井的地質(zhì)、工程、射孔管柱數(shù)據(jù)及射孔參數(shù)進行了模擬數(shù)據(jù)分析,整個射孔段打開的井筒動態(tài)壓力變化,最高值為145.9 MPa,最小值為41.6 MPa(見圖7)。根據(jù)前面提及的套管強度校核計算方法,KS3-1井一次性打開儲層時套管抗壓強度滿足要求。

根據(jù)射孔動態(tài)特征分析理論結果,若下鉆速度為4 min每柱,激動壓力最高達977 psi;若采用89超高壓射孔槍和89超高溫射孔彈,孔密20孔/m,射孔瞬間最大沖擊力可達1 050 kN。根據(jù)理論分析結果和現(xiàn)場實際,現(xiàn)場施工作業(yè)起爆器安全壓力至少應大于20 MPa,下鉆速度不應大于4 min每柱,射孔時選擇壁厚7.82 mm、P110鋼級、抗拉強度1 287 kN的2in油管是經(jīng)濟合理的。

KS3-1井射孔完成后,井筒完整性良好,證明其射孔方案合理,同時也進行了射孔爆炸載荷響應測試。測試顯示,射孔瞬間最大壓力167 MPa,射孔瞬間最小壓力42.9 MPa,下鉆速度6 min每柱,下鉆激動壓力最大500 psi,軸向最大沖擊力174/119 g。數(shù)據(jù)表明,模擬仿真和實測結果基本吻合。

4 結 論

(1) 通過對射孔瞬間壓力波的頻譜分析發(fā)現(xiàn),盡管射孔壓力波頻率范圍較寬,但不會與射孔槍的模態(tài)頻率一致而產(chǎn)生簡諧振動。

(2) 射孔管柱起下鉆過程中會產(chǎn)生激動壓力。在超高溫超高壓射孔作業(yè)時應適當增大壓力安全起爆系數(shù)。

(3) 對射孔動態(tài)特征分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)深入分析發(fā)現(xiàn),射孔峰值壓力與炸藥類型、藥量、距爆心距離相關性較大。射孔負壓值與地層滲透率、裂縫發(fā)育程度、口袋長度、射孔孔眼直徑、射孔孔眼深度、射孔排布、油氣井是否已打開等相關性較大。

(4) 射孔沖擊載荷響應與井深、井液密度、射孔段排布、射孔長度等相關性較大。單段射孔沖擊力、速度和位移分析比較簡單,多段射孔則復雜得多。管柱初始受力和各射孔段動態(tài)受力疊加之和應在管柱允許抗拉能力之內(nèi)。

(5) 現(xiàn)場應用證明,該系統(tǒng)對改進超高壓射孔槍結構、套管及油管安全性校核、射孔施工工藝的科學性、保障井筒完整性等具有重要的意義。

參考文獻:

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