李周波

（1.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

SEW油層套管在模擬井條件下的射孔試驗(yàn)*

李周波1,2

（1.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

為了在模擬井條件下進(jìn)行油層套管射孔試驗(yàn)，從而可以直觀地判斷油層套管的射孔性能，對(duì)SEW（hot stretch-reducing electric welding）套管在石油工業(yè)油氣田射孔器材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行了模擬井條件下射孔試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：J55、N80Q、P110、BSG－80TT及BSG－110TT五種鋼級(jí)的SEW油層套管，其射孔性能完全符合中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，其中裂孔率為0%，裂紋長(zhǎng)度為0 mm，射孔后外徑最大脹大量總體偏小，優(yōu)于國(guó)內(nèi)及國(guó)外某些套管廠油層套管的射孔性能水平。

SEW套管；模擬井；射孔試驗(yàn)；無(wú)槍身射孔

射孔完井是目前最主要的完井方法，是石油開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。射孔作業(yè)是油氣田勘探和開(kāi)發(fā)的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)[1-3]。油層套管的射孔性能是套管質(zhì)量的重要衡量指標(biāo)，直接影響射孔完井的質(zhì)量和效果，決定油井的產(chǎn)量和使用壽命[4-6]。由于套管射孔作業(yè)是在數(shù)千米的井下進(jìn)行，影響因素較多，無(wú)法進(jìn)行有效的觀察，因此，到目前為止美國(guó)石油協(xié)會(huì)（API）也沒(méi)有擬定出套管射孔性能的試驗(yàn)方法和評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。隨著水平井?dāng)?shù)量的不斷增加，對(duì)套管的射孔性能提出了更高的要求，中國(guó)石油行業(yè)根據(jù)幾十年的生產(chǎn)實(shí)踐及研究成果，制定出了SY/T 6491—2011《油層套管模擬井射孔試驗(yàn)與評(píng)價(jià)》標(biāo)準(zhǔn)[7]，用于評(píng)價(jià)套管的射孔性能。寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱寶雞鋼管）委托石油工業(yè)油氣田射孔器材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行了外徑為139.7 mm的SEW J55、N80Q、P110、BSG-80TT和BSG-110TT五種鋼級(jí)套管模擬井下射孔試驗(yàn)，其中BSG-80TT、BSG-110TT是非API高抗擠系列套管產(chǎn)品。按照SY/T 6491—2011的要求進(jìn)行射孔后套管內(nèi)毛刺高度、外徑脹大、孔眼處裂孔率、孔眼處單側(cè)裂紋長(zhǎng)度、孔眼處裂紋寬度和非孔眼處裂紋數(shù)的檢測(cè)，判斷開(kāi)發(fā)的SEW油層套管是否滿足油田現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求。

1 試驗(yàn)設(shè)備及原理

1.1 試驗(yàn)?zāi)M井

在大慶油田射孔器材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的模擬試驗(yàn)井進(jìn)行試驗(yàn)，模擬井結(jié)構(gòu)如圖1所示。模擬試驗(yàn)井井筒內(nèi)徑為335 mm，試驗(yàn)套管在約250 m井深處射孔，井內(nèi)介質(zhì)為清水。模擬井射孔時(shí)，井筒壓力18~20 MPa，溫度為50~60℃。

圖1 模擬井結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 套管試驗(yàn)靶

試驗(yàn)靶結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。使用2~2.5 mm鋼板焊成水泥環(huán)養(yǎng)護(hù)套，長(zhǎng)度7 m，將養(yǎng)護(hù)套套在試驗(yàn)套管外側(cè)，使用扶正套保證試驗(yàn)套管位于養(yǎng)護(hù)套中心，確保養(yǎng)護(hù)套內(nèi)徑與試驗(yàn)套管外徑間距≥25 mm。采用API A級(jí)油井水泥制成相對(duì)密度為1.85~1.93 g/cm3的水泥漿，將水泥漿加壓注滿養(yǎng)護(hù)套與試驗(yàn)套管之間的空隙，封堵上端，制成套管試驗(yàn)靶。將試驗(yàn)靶全部放入模擬井下，井下溫度50~60℃，養(yǎng)護(hù)所用時(shí)間＞48 h，起出放在露天待用。

圖2 試驗(yàn)靶結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 標(biāo)準(zhǔn)射孔器

射孔器分為無(wú)槍身射孔器和有槍身射孔器。本次試驗(yàn)采用大慶射孔彈廠生產(chǎn)的50DP30RDX17無(wú)槍身射孔器，裝藥量為17 g，螺旋布孔，裝彈密度10發(fā)/米，射孔彈相位為四相右旋轉(zhuǎn)90°，每根套管一次下入60發(fā)射孔彈，軸向兩彈間距為400 mm。每次試驗(yàn)1根套管，發(fā)射率要求≥95%，穿孔率要求≥90%。

1.4 射孔后套管的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)SY/T 6491—2011《油層套管模擬井射孔試驗(yàn)與評(píng)價(jià)》的要求，模擬井射孔后，套管內(nèi)毛刺高度要求≤2.5 mm，外徑脹大≤5 mm，孔眼處裂孔率≤10%，孔眼處單側(cè)裂縫長(zhǎng)度≤45 mm，孔眼處裂紋寬度≤1.5 mm，非孔眼處裂紋數(shù)為0。

1.5 試驗(yàn)套管的力學(xué)性能

射孔試驗(yàn)用套管采用寶雞鋼管生產(chǎn)的SEW J55、N80Q、P110油層套管及非API系列 BSG-80TT、BSG-110TT SEW高抗擠套管，每種射孔套管各3根。試驗(yàn)套管的理化性能見(jiàn)表1和表2。

表1 試驗(yàn)套管的化學(xué)成分

表2 試驗(yàn)套管的力學(xué)性能

2 試驗(yàn)方法

2.1 套管試驗(yàn)靶下井

首先將底部安裝憋壓凡爾座的Φ244.48 mm承壓套管下入模擬井的預(yù)定井深，再把套管試驗(yàn)靶下入承壓套管內(nèi)指定深度，用大小頭與承壓套管連接后，井口安裝密封加壓裝置，通蒸汽開(kāi)循環(huán)泵加溫，使井水溫度保持50℃。

2.2 射孔器組裝及下井

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的彈型、彈數(shù)、孔密和孔的相位組裝射孔器。射孔器上端與電纜連接，下端與加重桿和密封球連接。將射孔器下入模擬井規(guī)定的深度，置于套管試驗(yàn)靶射孔部位，在電路斷路的情況下接通電纜、雷管腳線和導(dǎo)爆索。

2.3 加壓引爆

接好模擬井井口加壓管線，確保承壓套管密封，啟動(dòng)高壓泵加壓，當(dāng)井筒壓力達(dá)到18 MPa時(shí)，通電引爆。待射孔完畢后，停泵泄壓。

2.4 檢測(cè)套管試驗(yàn)靶

從模擬井內(nèi)取出套管試驗(yàn)靶，剖開(kāi)養(yǎng)護(hù)套，剝開(kāi)水泥環(huán)，檢測(cè)試驗(yàn)套管的穿孔數(shù)、裂孔數(shù)、裂縫長(zhǎng)度和寬度、最大外徑脹大量和最大內(nèi)毛刺高度，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

試驗(yàn)套管射孔后的各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，試驗(yàn)的5種鋼級(jí)套管的射孔性能完全符合SY/T 6491—2011《油層套管模擬井射孔試驗(yàn)與評(píng)價(jià)》的規(guī)定。射孔彈爆炸產(chǎn)生巨大的壓力，雖然其能量絕大部分形成聚能射流撞擊套管壁起到射孔作用，但仍有相當(dāng)?shù)哪芰恳詻_擊波的形式作用于套管，使套管周向管壁發(fā)生整體膨脹，膨脹過(guò)大會(huì)導(dǎo)致射孔套管外水泥環(huán)脹裂，甚至沿孔眼附近產(chǎn)生過(guò)量變形，致使射孔開(kāi)裂[8-9]。

表4[10]為石油工業(yè)油氣田射孔器材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)國(guó)內(nèi)、外其他套管產(chǎn)品進(jìn)行射孔試驗(yàn)所得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。從表3和表4可以看出，試驗(yàn)采用的SEW油層套管的射孔性能優(yōu)于國(guó)內(nèi)、外其他套管產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)、外其他廠家生產(chǎn)的J55套管的最大外徑脹大幾乎都在5 mm以上，寶雞鋼管公司生產(chǎn)的SEW油層套管的最大外徑脹大都在5 mm以內(nèi)，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。主要由于SEW油層套管的屈服強(qiáng)度都在標(biāo)準(zhǔn)要求值的中上線，具有較高的屈服強(qiáng)度，保證射孔后套管有較低的最大外徑脹大量；沖擊韌性遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求，除SEW J55套管的全尺寸沖擊值在60 J以上，其他4種鋼級(jí)的SEW套管沖擊值都在100 J以上，具有高的沖擊韌性，保證射孔時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)射孔裂紋。

套管射孔性能是反映套管質(zhì)量的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)[11]。如果套管射孔作業(yè)時(shí)產(chǎn)生射孔開(kāi)裂，勢(shì)必就會(huì)降低套管整體的抗外壓擠毀性能，從而縮短油井的壽命。一旦射孔開(kāi)裂產(chǎn)生的裂縫過(guò)大，還會(huì)造成油氣串層，影響油氣的開(kāi)采；套管射孔后外徑脹大量過(guò)大，則會(huì)對(duì)固井的質(zhì)量產(chǎn)生不利影響；套管射孔后孔眼內(nèi)毛刺高度過(guò)高，則

會(huì)妨礙采油分隔器及相關(guān)工具的下井。試驗(yàn)采用的SEW套管射孔形貌如圖3所示，國(guó)內(nèi)某無(wú)縫套管射孔開(kāi)裂的照片如圖4所示。

表3 試驗(yàn)用SEW套管在模擬井條件下射孔試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

表4 國(guó)內(nèi)、外著名套管廠的套管在模擬井射孔試驗(yàn)結(jié)果

圖3 SEW套管射孔實(shí)物照片

圖4 國(guó)內(nèi)某無(wú)縫套管射孔開(kāi)裂照片

套管射孔裂紋形成機(jī)理的研究[12]表明，若使套管具有抗射孔開(kāi)裂性能，套管就得具備較高的沖擊韌性、良好的屈服強(qiáng)度及細(xì)小均勻的晶粒。文中大量套管射孔性能與材料的力學(xué)性能和組織之間關(guān)系的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，5種SEW套管具備了保證套管射孔性能（不產(chǎn)生裂紋）的各種力學(xué)性能和組織[13]。寶雞鋼管公司生產(chǎn)的5種鋼級(jí)SEW油層套管采用TMCP工藝熱軋卷板為原料，確保了石油管材的內(nèi)在質(zhì)量，組織均勻，晶粒細(xì)小，力學(xué)性能優(yōu)良，裂孔率為0%，最大裂紋長(zhǎng)度為0 mm。

4 結(jié) 論

（1） 本 研 究 采 用 SEW J55、 N80Q、 P110、BSG－80TT及BSG－110TT五種鋼級(jí)套管的射孔性能完全滿足中石油天然氣集團(tuán)公司行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（2）SEW 套管產(chǎn)品與國(guó)內(nèi)、外無(wú)縫管廠家生產(chǎn)的套管產(chǎn)品射孔試驗(yàn)結(jié)果相比較，裂孔率為0%，裂紋長(zhǎng)度為0 mm。射孔后外徑最大脹大量總體偏小，說(shuō)明SEW套管的射孔性能優(yōu)良，可以滿足油田現(xiàn)場(chǎng)的使用要求。

[1]王海東，孫新波.國(guó)內(nèi)外射孔技術(shù)發(fā)展綜述[J].爆破器材，2006，35（3）：33-36.

[2]劉湘.興隆場(chǎng)高含硫氣藏完井方式研究[J].江漢石油職工大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，29（2）：42-44.

[3]高娟，樊偉，姜向祖，等.螺旋布孔射孔對(duì)套管抗擠強(qiáng)度的影響分析[J].新疆石油天然氣，2008，4（1）：56-58.

[4]吳成和，林青，傅繼成，等.TP65石油套管在模擬井條件下的射孔試驗(yàn)[J].鋼管，2001，30（1）：7-10.

[5]賈寶貴，王偉，郇國(guó)慶，等.超深井用140鋼級(jí)套管模擬井射孔試驗(yàn)研究[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2015，44（1）：38-43.

[6]丁祖，羅艷艷，韓彬，等.射孔對(duì)套管抗擠強(qiáng)度的影響分析與試驗(yàn)[J].鉆采工藝，2016，39（4）：15-18.

[7]SY/T 6491—2011，油層套管模擬井射孔試驗(yàn)與評(píng)價(jià)[S].

[8]LI Chengbing，XIONG Jin，MA Mingyong.Theoretical and experimental research on perforation remnant energy[J].Advanced Materials Research，2011，339（1）：379-385.

[9]李海濤，王永清.復(fù)雜結(jié)構(gòu)井射孔完井設(shè)計(jì)理論與應(yīng)用[M].湖南：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2009：2-18.

[10]傅繼成，張傳友，吳成和，等.油層套管在模擬井條件下的射孔試驗(yàn)[J].特種鋼，2000，21（2）：31-34.

[11]陳新平，李少華.N80套管射孔性能的斷裂韌性判據(jù)及驗(yàn)證[J].天津冶金，2000（1）：36-39.

[12]陳華彬，陳鋒，唐凱，等.射孔對(duì)油層套管動(dòng)態(tài)力學(xué)研究進(jìn)展[J].測(cè)井技術(shù)，2016，40（5）：650-653.

[13]張毅，吉玲康，宋治，等.油層套管射孔開(kāi)裂的安全韌性判據(jù)[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1998（6）：46-49.

Perforation Test of SEW Oil Casing Under Simulated Well Conditions

LI Zhoubo1,2
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008， Shaanxi， China；2.Steel Pipe Research Institute,Baoji Petroleum Steel Pipe Co.， Ltd.， Baoji 721008， Shaanxi， China）

In order to judge the perforation performance of oil casing intuitively，the SEW（hot stretch-reducing electric welding）casing pipe was tested under simulated well conditions in oilfield perforators inspection center.The test results showed that J55，N80Q，P110，BSG-80TT and BSG-110TT，5 kinds of steel grade SEW oil casing，its perforating performance was fully in accordance with the industry standard of China National Petroleum Corporation.The percentage of fractured hole was 0%，the crack length was 0 mm，and the outer diameter expansion was small after perforation，which was better than the perforation performance of the other casing plants in domestic and abroad.

SEW casing pipe； simulated well； perforating test； body-free perforator

TE925

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.10.003

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目“110 ksi鋼級(jí)SEW高抗擠套管開(kāi)發(fā)”（項(xiàng)目號(hào)2016KTCQ01-106）。

李周波（1981—），男，工程師，主要從事焊接技術(shù)及油井管新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作。

2017－07－28

羅 剛