郭美華, 邢仁東, 盛廷強(qiáng)

(1.中海油能源發(fā)展工程技術(shù)分公司, 天津 300452; 2.中海油田服務(wù)股份有限公司, 天津 300452)

0 引 言

隨著海上油田進(jìn)入中后期開發(fā)階段,為降低開發(fā)成本、增產(chǎn)挖潛,小井眼側(cè)鉆井技術(shù)的應(yīng)用日益增多。小井眼鉆完井難度較大,對現(xiàn)場施工工藝要求高。渤海某油田的油藏地質(zhì)構(gòu)造主要以疏松稠油砂巖為主,需要采用大孔徑、高孔密射孔器射孔作業(yè)后進(jìn)行壓裂充填完井作業(yè),達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)控砂的目的。小井眼側(cè)鉆井采用大孔徑、高孔密射孔器完井,對射孔管柱的安全性能評估、探底校深對射孔器是否存在影響、管柱下放過程是否在射孔槍處積累扭矩以及控制射孔后的碎屑等,是完井施工所面臨的主要技術(shù)難題。本文針對渤海區(qū)塊大位移的小井眼側(cè)鉆井完井進(jìn)行工藝優(yōu)化設(shè)計和安全性評估,為解決行業(yè)內(nèi)的類似問題提供一些可以參考的依據(jù)。

1 射孔器選用與安全性能測試

為解決渤海區(qū)塊側(cè)鉆井疏松稠油砂巖壓裂充填作業(yè)的需要,要求射孔器在射孔后套管穿孔孔徑不小于0.6 in,在滿足孔徑要求的前提下,盡可能的增大孔密。因此,選用高孔密、大孔徑射孔器并進(jìn)行TCP射孔作業(yè)。

1.1 射孔器抗爆性安全試驗

側(cè)鉆井眼采用5 in套管完井,其公稱內(nèi)通徑為4.151 in,但射孔工藝對孔徑和孔密要求較高,綜合考慮射孔槍射孔后脹徑以及事故后續(xù)處理等不安全因素,射孔器外徑選為3in,孔密為8相位、25孔/m,射孔彈裝藥量17 g,34.5 MPa靶強(qiáng)度下的混凝土靶平均穿深為205 mm,平均孔徑為18.2 mm?？紤]施工過程的安全性,對3in型射孔器進(jìn)行了地面抗爆安全試驗。試驗測試結(jié)果見表1。

由表1可知,通過射孔器地面抗爆性安全試驗驗證,射孔器可以滿足射孔完井作業(yè)要求。

1.2 射孔器碎屑收集

為防止射孔彈破片導(dǎo)致井下卡管事故發(fā)生,對設(shè)計的射孔彈破裂后的碎屑大小進(jìn)行了評估,參照2006版API 19B第5部分內(nèi)容,對3in射孔器進(jìn)行碎屑收集試驗,射孔時掉出的碎屑質(zhì)量為2 546 g,對應(yīng)的體積為1 043 mL,運(yùn)輸時掉出的碎屑質(zhì)量為145 g,旋轉(zhuǎn)時掉出的碎屑質(zhì)量為917 g,運(yùn)輸和旋轉(zhuǎn)時掉出的碎屑體積為421.5 mL。對收集到碎屑進(jìn)行篩分定量分析(見表2)。

表2 射孔器碎屑收集數(shù)據(jù)

從表2可見,≥9.53 mm的破片率為(84.7+7.8)/(5980-384-278-1.9×17)=1.75%。因此,大部分碎屑均留在槍內(nèi),可降低射孔碎屑對地層的污染和確保后續(xù)完井作業(yè)順利進(jìn)行。

2 完井工藝優(yōu)化設(shè)計

2.1 作業(yè)方案及射孔管柱設(shè)計

2.1.1 射孔作業(yè)方案

為降低作業(yè)風(fēng)險,保證壓裂充填的一次成功率,射孔作業(yè)方案采用在5 in尾管內(nèi)分層射孔、分層壓裂充填的完井作業(yè)方式。首先利用鉆桿輸送沉砂封隔器,到位后進(jìn)行電纜校深,根據(jù)校深結(jié)果調(diào)整管柱,坐封封隔器,提出輸送鉆具和坐封工具;隨后在井口連接射孔槍,射孔管柱底部連接深度定位工具,利用鉆具輸送射孔管柱到位,通過下壓探沉沙封隔器的方式進(jìn)行深度校正,調(diào)整射孔管柱,井口加壓點(diǎn)火射孔作業(yè)。

2.1.2 射孔管柱優(yōu)化設(shè)計

射孔管柱設(shè)計是TCP射孔作業(yè)成敗的關(guān)鍵,在保證作業(yè)安全、可靠的前提下,射孔管柱盡量精簡。根據(jù)小井眼疏松稠油砂巖壓裂充填完井作業(yè)的施工工藝要求,需要設(shè)計2種射孔管柱以滿足作業(yè)需求,底部第1層射孔作業(yè)有別于上面各層。底部第1層射孔前,井筒套管與地層未溝通,井筒無漏失,而后續(xù)射孔作業(yè)過程中,需要壓井,實時關(guān)注井筒漏失情況,存在一定的作業(yè)風(fēng)險。為避免后續(xù)射孔作業(yè)溢流、井涌等作業(yè)風(fēng)險,決定采用壓裂充填結(jié)束后在井口投放堵塞器的作業(yè)方式,以降低作業(yè)風(fēng)險和減少井筒完井液的漏失以降低作業(yè)成本。

根據(jù)上述作業(yè)方式射孔管柱確定為2種。

(1) 底部第1層射孔管柱(見圖1)。由底部向上依次為深度定位工具、射孔槍、壓力起爆裝置、2in 的PH6鉆具、同位素接頭、2in 的PH6鉆具、變扣接頭、3in鉆具。

(2) 后續(xù)射孔管柱(見圖2)。由底部向上依次為堵塞器、深度定位工具、射孔槍、投球壓力開孔起爆裝置、2in 的PH6鉆具、同位素接頭、2in 的PH6鉆具、變扣接頭、3in鉆具。

圖1 第1層射孔管柱示意圖 圖2 后續(xù)射孔管柱示意圖

2種射孔管柱均較為簡單,管柱內(nèi)無伸縮短節(jié),同位素接頭是為了避免探底校深與管柱長度誤差過大時,進(jìn)行電纜校深確認(rèn),以保證一次作業(yè)成功率。后續(xù)射孔管柱到位后,先下壓堵塞器3～5 klb*非法定計量單位,1 klb=22.25 kN,下同,然后環(huán)空試壓3.45 MPa,確保堵塞器完全到位,減少探底校深的深度誤差。

3 完井過程的安全性分析

射孔產(chǎn)生的沖擊波形成的動態(tài)載荷使射孔管柱振動,并使管柱產(chǎn)生軸向拉伸或壓縮的作用力,嚴(yán)重情況下會使射孔管柱彎曲變形,甚至斷裂[2]。為了避免射孔作業(yè)期間工程事故的發(fā)生,通過對射孔管柱動態(tài)力學(xué)分析和定向工程軟件對下壓管柱進(jìn)行模擬,驗證射孔管柱、套管的安全性。

3.1 射孔管柱動態(tài)力學(xué)分析

根據(jù)射孔壓力波載荷,結(jié)合管柱結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型,采用模態(tài)疊加法分析射孔管柱結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)[3]。瞬態(tài)動力學(xué)分析(也稱時間歷程分析)是用于確定承受任意隨時間變化載荷的結(jié)構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)的一種方法[4-6],可用于獲得結(jié)構(gòu)在靜載荷、瞬態(tài)載荷和簡諧載荷的隨意組合作用下隨時間變化的位移、應(yīng)變、應(yīng)力等力學(xué)參量。根據(jù)射孔管柱瞬態(tài)動力學(xué)求解的基本方程[7]

(1)

利用管柱固有振型的正交性條件,進(jìn)行模態(tài)坐標(biāo)變換

i=1,2,…,P

(2)

由此可見,射孔管柱瞬態(tài)動力學(xué)求解的基本方程經(jīng)模態(tài)坐標(biāo)變換后得到P個被解耦的方程,可以如同單自由度系統(tǒng)方程一樣分別進(jìn)行求解,然后進(jìn)行模態(tài)響應(yīng)迭加,最后得到管柱動力響應(yīng)的近似解[8-10]。根據(jù)射孔壓力波作用下管柱結(jié)構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)分析,獲得起爆裝置、管柱接頭、油管等位置的應(yīng)力與形變。分析結(jié)果分別是關(guān)鍵位置壓力和時間(p—t)曲線(見圖3)、軸向爆轟壓力p′波隨井深H變化分布曲線(見圖4)、射孔管柱軸向力和時間(F—t)曲線(見圖5)、管柱軸向位移D和時間(D—t)曲線(見圖6)。

圖3 關(guān)鍵位置p—t曲線圖

圖4 軸向爆轟壓力波分布曲線

從圖3至圖4中分析可知,射孔瞬間產(chǎn)生的最大沖擊力為46.8 MPa,小于各器材的屈服極限,射孔過程中的射孔管柱是安全可靠的。

圖5 射孔管柱軸向F—t曲線

圖6 管柱軸向D—t曲線

3.2 定向工程軟件對管柱校深的模擬分析

為分析探底校深對射孔器是否存在影響,管柱下放過程是否在射孔槍處積累扭矩,選用A平臺44井?dāng)?shù)據(jù)通過定向工程模擬軟件對射孔管柱在下壓5、10 klb和15 klb的狀態(tài)下進(jìn)行分析。

通過分析,44井在射孔管柱在下壓5 klb時總的管柱壓縮量為-0.03 m;在下壓10 klb時總的管柱壓縮量為-0.13 m,在2 030.72～2 031.07 m深度段時鉆具發(fā)生螺旋彎曲;在下壓5 klb時總的管柱壓縮量為-0.26 m,分別在1 724.47～1 832.56 m、1 868.59～1 949.65 m、2 030.72～2 031.07 m深度段時鉆具發(fā)生螺旋彎曲。根據(jù)結(jié)果分析得知,施工時選用下壓5 klb進(jìn)行射孔管柱深度校正。

3.3 射孔后套管強(qiáng)度分析

射孔后套管內(nèi)的應(yīng)力隨射孔孔徑、射孔密度和射孔相位的增加而增大,并使套管的抗拉、抗壓強(qiáng)度降低。但在一定射孔孔徑、射孔密度和射孔相位下,射孔產(chǎn)生的最大應(yīng)力和應(yīng)變不超過允許的范圍[11]。為了驗證3in高孔密、大孔徑射孔器(射孔槍型號為89-26-135-140,射孔彈型為692B-89R-3)在H3c層射孔后對套管的損傷程度是否還能滿足作業(yè)和生產(chǎn)的要求,利用射孔優(yōu)化軟件對該射孔器第1次射孔后和第2次射孔后見進(jìn)行有限元分析(見表3)。

由表3分析可得,套管強(qiáng)度降低系數(shù)分別是8.7%、22.7%,可以滿足作業(yè)的需求。

表3 第1次射孔后和第2次射孔后射孔參數(shù)優(yōu)選表

4 應(yīng)用案例

根據(jù)上述施工方案,在渤海油田區(qū)塊進(jìn)行了××井次的射孔完井作業(yè),無一例安全事故。表4列出典型井射孔完井后的產(chǎn)液效果。

從表4可以看出,采用該工藝完井,井的產(chǎn)液量和產(chǎn)油量大于配產(chǎn),說明射孔完井后控砂效果較好。

表4 完井后產(chǎn)液效果統(tǒng)計表

5 結(jié) 論

(1) 通過大孔徑射孔器使用和施工工藝的優(yōu)化設(shè)計和安全性評估,能有效降低近井帶的壓降和相同產(chǎn)量時的生產(chǎn)壓差,達(dá)到了穩(wěn)產(chǎn)控砂的目的,解決了小井眼疏松稠油砂巖壓裂充填完井中的射孔技術(shù)難題。

(2) 射孔管柱以及探底校深的施工新工藝,為

以后類似作業(yè)提供技術(shù)參考,為國內(nèi)海洋石油深水油藏開發(fā)提供了技術(shù)儲備。

(3) 利用射孔管柱動態(tài)力學(xué)分析軟件,分析了爆轟載荷作用下井筒管柱的動態(tài)響應(yīng),通過定向工程軟件對管柱校深進(jìn)行模擬,以及利用射孔優(yōu)化軟件對射孔后套管強(qiáng)度進(jìn)行分析,建立了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的安全評價方法,為施工過程中的安全性分析提供理論依據(jù)。

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