唐 凱， 王海東， 彭建新， 陳華彬， 羅苗壯， 陳建波， 代傳剛

(1中國石油川慶鉆探測井公司 2中國石油塔里木油田分公司)

一、現(xiàn)狀與難點(diǎn)分析

隨著石油地質(zhì)理論水平和超深井鉆井等油氣勘探開發(fā)技術(shù)的不斷提高，目前在塔里木油田山前油氣區(qū)已經(jīng)鉆探一批8 000 m井深的超高溫超高壓超深油氣井。該類井井身結(jié)構(gòu)為直井，油氣儲(chǔ)層采用?139.7 mm套管完井，儲(chǔ)層深度在7 700～8 000 m，地層溫度多在180℃～190℃，地層壓力在130 MPa左右，預(yù)計(jì)最高可接近140 MPa。

為保護(hù)油氣層套管，常采用高密度鉆井液射孔液壓井情況下進(jìn)行鉆桿傳輸射孔作業(yè)，井底液柱壓力多在140～150 MPa，射孔加壓起爆井底總壓力最高可達(dá)185 MPa。前期國內(nèi)超高溫超高壓射孔器的最高額定承壓為175 MPa，已不能滿足該類井射孔作業(yè)的要求。射孔彈則需采用耐溫級別更高，額定工作時(shí)間更長且能夠達(dá)到超深穿透要求的射孔彈。這一方面是由于地層溫度高，作業(yè)井深，射孔作業(yè)周期加長，采用普通高溫主炸藥(如HMX，耐溫160℃/48 h)射孔彈已不能滿足要求；另一方面，?139.7 mm套管壁厚大于12 mm，鋼級高，抗內(nèi)壓、外擠級別也高，需采用高性能射孔彈，才能保證良好的穿孔效果。

另外，在先前該區(qū)塊類似超深井(5 500～7 000 m)射孔作業(yè)中，出現(xiàn)過因高壓井況條件射孔器被擠毀變形、卡槍掉槍等事故，特別是在采用帶封隔器的射孔聯(lián)作作業(yè)過程中，射孔管柱出現(xiàn)了彎曲變形、斷裂，封隔器提前坐封或解封，管柱遇卡等工程事故，這都嚴(yán)重影響了試油作業(yè)進(jìn)度，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，需要改進(jìn)射孔管柱設(shè)計(jì)，并引進(jìn)相關(guān)安全評價(jià)技術(shù)，一方面避免過大的射孔負(fù)壓造成套管變形或管柱被卡，另一方面可保證射孔管柱的安全。

二、射孔配套技術(shù)

1. 210 MPa/210℃射孔器

基于8 000 m超深井具體井況條件，通過材質(zhì)調(diào)研、理論模擬和計(jì)算，加工試制，性能測試試驗(yàn)等一系列的研發(fā)攻關(guān)工作，研制了國內(nèi)獨(dú)有的89型210 MPa/210℃射孔器。綜合理論計(jì)算與試驗(yàn)分析可知，在210℃情況下射孔槍的屈服強(qiáng)度>820 MPa，抗拉強(qiáng)度>950 MPa，延伸率<17%。對設(shè)計(jì)采用的超高溫“O”型密封圈進(jìn)行熱空氣老化測試試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為210℃/100 h，試驗(yàn)結(jié)果表明“O”型密封圈各項(xiàng)指標(biāo)(截面直徑、變形率、碳化情況以及硬度)滿足設(shè)計(jì)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

目前超高溫射孔彈主炸藥一般采用HNS或PYX。在超高溫炸藥性能基礎(chǔ)理論上，引入“先鋒”系列射孔彈超深穿透相關(guān)技術(shù)，進(jìn)行超高溫射孔彈結(jié)構(gòu)，炸藥配方等技術(shù)設(shè)計(jì)和升級。通過試制和不斷的打靶對比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在同等情況下，HNS射孔彈的平均穿深性能較PYX而言，穿孔深度要超出15%以上。為此研制了以HNS為主炸藥的高性能射孔彈，平均穿孔孔徑>8 mm，穿孔深度也超過了800 mm。

按照GB 20489相關(guān)要求，進(jìn)行了射孔器的耐溫耐壓和穿孔測試等試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明射孔器耐溫耐壓滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，打靶測試的槍管裂紋與膨脹、孔徑、穿深、毛刺高度等關(guān)鍵指標(biāo)均也達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2. 管柱設(shè)計(jì)與模擬計(jì)算

射孔過程中井筒壓力是波動(dòng)的，井筒會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)負(fù)壓區(qū)，瞬間井筒負(fù)壓差過大是誘發(fā)射孔段套管變形的主要因素，加之如果套管強(qiáng)度低，固井質(zhì)量差以及地層溫度、壓力等因素，射孔后套管變形就不可避免[1]。另外，射孔爆炸瞬間，井筒內(nèi)射孔沖擊波形成的動(dòng)態(tài)載荷使射孔管柱產(chǎn)生震動(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[2]。文獻(xiàn)[2]中指出在超深井進(jìn)行帶封隔器的射孔測試聯(lián)作時(shí)，井液密度越大，井深越深，射孔厚度越大，射孔槍型越大，穿孔深度越深，孔徑越小的時(shí)候，射孔聯(lián)作管串中封隔器下端面處管柱受力越大，受約束端的射孔管柱受到的動(dòng)態(tài)沖擊載荷影響也越大。

另外，結(jié)合先前該地區(qū)在超深井射孔聯(lián)作中，射孔管柱失效和遇卡等工程復(fù)雜情況，為保證射孔管柱和井筒的安全，目前作業(yè)管柱設(shè)計(jì)并采用了常規(guī)的鉆桿傳輸射孔管柱，如需要部分射孔連接油管時(shí)，也采用了高強(qiáng)度的厚壁油管，以壓力開孔延時(shí)起爆管柱為例，見圖1。

為了能夠了解射孔瞬間井筒壓力變化和沖擊力，以上述射孔管柱為研究對象，采用PlusFrac工程軟件進(jìn)行仿真模擬分析。模擬射孔井段7 965～7 980 m，計(jì)算結(jié)果為射孔管柱動(dòng)態(tài)受力在-20～10 t變化，高強(qiáng)度射孔管柱能夠滿足受力要求，另外井筒壓力變化為35～152 MPa。根據(jù)套管強(qiáng)度校核理論，允許最大或最小峰值壓力為：

(1)

(2)

該井模擬的射孔段預(yù)測地層壓力131 MPa，采用?139.7 mm TP140V套管，其抗外擠152.7 MPa，抗內(nèi)壓139 MPa。結(jié)合上述公式，抗內(nèi)壓安全系數(shù)取值1.25，抗外壓安全系數(shù)取值也為1.25(一般取值1.125，考慮到射孔后套管強(qiáng)度降低，建議取值1.25)，射孔段套管外壓力按清水計(jì)算[3]。由此，計(jì)算出射孔允許最大峰值為189 MPa，最小峰值為8.8 MPa，模擬計(jì)算壓力是在峰值范圍之內(nèi)，模擬結(jié)果表明不會(huì)出現(xiàn)因過大的負(fù)壓差造成套管變形。

圖1 鉆桿傳輸射孔管柱示意圖

3. 激動(dòng)壓力預(yù)測

預(yù)測激動(dòng)壓力是保證油氣井射孔作業(yè)質(zhì)量與安全的一項(xiàng)非常重要的技術(shù)。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[4]。激動(dòng)壓力大小與射孔起爆壓力值有著密切的關(guān)系，出于安全考慮，要求最大激動(dòng)壓力必須小于射孔起爆壓力最低值。

理論計(jì)算激動(dòng)壓力公式為[5]：

(3)

式中：pdy—激動(dòng)壓力，Pa；

2.2 丙泊酚ECe的量效關(guān)系 Probit結(jié)果(圖1)顯示：丙泊酚ECe50為5.14 μg/mL(95% CI 4.90～5.38)，ECe95為6.07 μg/mL(95% CI 5.72～6.96)。

f—范寧摩阻系數(shù)；

ρ—井液密度，kg/m3；

Dh—井筒內(nèi)徑，m；

d—傳輸管柱外徑，m；

L—管柱長度，m；

Vp—環(huán)空平均流速，m/s。

以Ⅰ井射孔實(shí)際管柱為例，預(yù)測激動(dòng)壓力最大為17.44 MPa，見表1所示。

4. 自動(dòng)進(jìn)液閥

采用壓力開孔延時(shí)起爆射孔管柱時(shí)，管柱入井過程中油套并未連通，為此要求管柱下放時(shí)不斷的向管內(nèi)灌入井液。該工藝一方面會(huì)增加整個(gè)射孔作業(yè)時(shí)間以及火工品在井下停留時(shí)間，另一方面也增加作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。為解決上述問題，提高作業(yè)時(shí)效，研制了一套自動(dòng)進(jìn)液閥，相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表2。

表1 Ⅰ井射孔管柱激動(dòng)壓力計(jì)算表

表2 自動(dòng)進(jìn)液閥技術(shù)參數(shù)

該進(jìn)液閥采用了單流閥的進(jìn)液原理，在下放射孔管柱過程中，依靠井內(nèi)液體壓力實(shí)現(xiàn)向管柱內(nèi)進(jìn)行單向自動(dòng)進(jìn)液，同時(shí)采用了錐形單向閥結(jié)構(gòu)，具有良好的密封性，能夠?qū)崿F(xiàn)管柱內(nèi)加壓射孔起爆的目的。自動(dòng)進(jìn)液閥目前在超深井中已進(jìn)行了3次應(yīng)用，作業(yè)效果良好，成功率100%，節(jié)約時(shí)效達(dá)40%。

5. 射孔起爆與傳爆

起爆和傳爆系統(tǒng)是保證射孔啟動(dòng)和連續(xù)性的關(guān)鍵因素，研制了二類超高壓起爆裝置即210 MPa的超高壓壓力延時(shí)起爆裝置和開孔延時(shí)起爆裝置，銷釘數(shù)均為84顆。壓力延時(shí)起爆射孔是最常用的起爆方式，通過管柱內(nèi)加壓或環(huán)空加壓剪斷承壓銷釘后實(shí)現(xiàn)擊發(fā)起爆藥和延時(shí)藥柱，延時(shí)燃燒完成后進(jìn)行射孔。壓力開孔延時(shí)起爆是指在井口對管柱內(nèi)加壓，承壓銷釘被剪斷后擊發(fā)起爆藥和延時(shí)藥柱，延時(shí)燃燒完成后進(jìn)行射孔。承壓銷釘被剪斷的同時(shí)，開孔器內(nèi)套上行，打開孔道形成通道，使油套連通[6]。通過對起爆裝置整體殼體260 MPa的超高壓極限壓力測試，表明該起爆裝置具有較高的安全系數(shù)。

一般壓力起爆器裝置的殼體承壓指標(biāo)較高，關(guān)鍵是擊針活塞上剪切銷釘?shù)募羟袕?qiáng)度能否承受高壓[7]。常溫情況下單顆銷釘剪切值為3.90 MPa，需要剪斷全部銷釘84顆時(shí)，需要剪切壓力為327.6 MPa，在210℃溫度條件下剪切值衰變?yōu)?.16 MPa，表明起爆器84顆銷釘?shù)淖罡咂鸨羟袎毫?65 MPa。結(jié)合實(shí)際井況進(jìn)行起爆器高溫高壓剪切試驗(yàn)，設(shè)定射孔段液柱壓力最高150 MPa，井口加壓起爆值30 MPa，共計(jì)180 MPa的起爆壓力。在210℃，預(yù)設(shè)180 MPa理論起爆值條件下，加壓至175 MPa成功剪切銷釘，按照±5%的誤差計(jì)算，實(shí)際起爆壓力偏理論計(jì)算的低值，但屬正常起爆壓力范圍，起爆器功能測試合格。

傳爆管、導(dǎo)爆索均采用超高溫HNS為填裝炸藥，傳爆管高溫傳爆結(jié)果表明，在傳爆管間徑向?qū)ΨQ時(shí)傳爆距離10 mm，徑向偏離5 mm時(shí)傳爆距離5 mm，理論設(shè)計(jì)的射孔器傳爆管徑向間隙距離為3 mm，能夠滿足超高溫井射孔傳爆的要求。導(dǎo)爆索能量傳播與爆轟起爆試驗(yàn)結(jié)果表明足以起爆配套的射孔彈，另外額定溫度條件下0.6%的收縮率，爆速>6 000 m/s，也是符合SYT 6411.1標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

6. 管柱校深與起爆監(jiān)測

在傳輸射孔作業(yè)中，采用校深儀器即放磁組合儀測量自然伽馬曲線，進(jìn)行射孔管柱的深度校對。耐溫、耐壓以及在管柱內(nèi)的通過性是校深儀器的關(guān)鍵參數(shù)，目前國內(nèi)采用較多的校深儀器技術(shù)指標(biāo)為(120～140) MPa/160℃～180℃。通過提高材質(zhì)耐壓等級，提高耐溫的技術(shù)，研制了?44 mm高溫高壓校深儀器。通過高溫高壓條件下儀器功能性測試試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度200℃，試驗(yàn)壓力160 MPa，供電采樣，伽馬曲線顯示正常。通過實(shí)際校深作業(yè)看，采集的放磁組合曲線正常，校深儀器滿足了作業(yè)要求。

起爆監(jiān)測是判斷射孔器起爆與否的一項(xiàng)重要方法，起爆監(jiān)測儀通過信號(hào)接收器和處理軟件，將接受的井下震動(dòng)或聲波信號(hào)處理后，以直觀圖像形式表現(xiàn)出來，該類射孔監(jiān)測儀在超深井射孔作業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。射孔起爆監(jiān)測儀主要特點(diǎn)是監(jiān)測精度較高，監(jiān)測、操作方便，但是在一次性傳輸射孔厚度特短(比如<2 m)，井深且高密度鉆井液壓井情況下，射孔信號(hào)微弱可能會(huì)出現(xiàn)信號(hào)難以采集的情況。

7. 控制措施與規(guī)范

山前油氣區(qū)超深井射孔作業(yè)一直都是“世界級”的技術(shù)難題，結(jié)合先前射孔作業(yè)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況，為保證該區(qū)塊油氣井射孔工藝技術(shù)質(zhì)量與安全，針對該區(qū)塊油氣井制定了“射孔作業(yè)技術(shù)規(guī)程”、“射孔器材質(zhì)量控制規(guī)定”和“射孔質(zhì)量控制規(guī)范”。制定的相關(guān)規(guī)范從射孔器材選材測試、加工工藝、試驗(yàn)檢測、現(xiàn)場操作、工藝安全、施工質(zhì)量、HSE要求等方面進(jìn)行了的嚴(yán)格規(guī)定。通過采用這種“從源頭到結(jié)尾式”的全過程管理控制，有力地保證了該區(qū)塊射孔工藝的安全與質(zhì)量。

三、應(yīng)用與評價(jià)

自2014年底，210 MPa/210℃射孔技術(shù)和配套射孔器成功研發(fā)以來，目前已在山前區(qū)塊8 000 m超深井中完成了5次射孔施工，射孔作業(yè)成功率100%，具體應(yīng)用情況見表3所示。

注：射孔槍型為89-210，射孔發(fā)射率100%。

從現(xiàn)場作業(yè)效果可知，210 MPa/210℃超高溫超高壓射孔器材性能整體表現(xiàn)優(yōu)良，配套射孔工藝技術(shù)既保證了射孔質(zhì)量，也保證了射孔工藝的安全，帶來了良好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益和社會(huì)效益，同時(shí)也提升了國內(nèi)超高溫超高壓超深井射孔技術(shù)的整體水平。

四、結(jié)論與建議

(1)山前區(qū)塊鉆探了一批8 000 m超高溫超高壓超深井，該類井地層溫度高，地層壓力及施工總壓力大，以及在射孔配套器材、作業(yè)質(zhì)量控制、工藝安全等方面給射孔技術(shù)提出了前所未有的難題。

(2)通過研究，形成了一套210 MPa/210℃的射孔器材和工藝技術(shù)，解決了超高溫超高壓井況射孔的難題，研制自動(dòng)進(jìn)液閥提高作業(yè)時(shí)效，并保證了射孔質(zhì)量和工藝安全。

(3)通過3口井5次射孔作業(yè)的成功應(yīng)用，表明了該套射孔工藝技術(shù)的安全適用性，是國內(nèi)超高溫超高壓超深井射孔技術(shù)的重大突破，同時(shí)也提高了國內(nèi)整體射孔技術(shù)水平，對射孔工藝技術(shù)發(fā)展具有重要的意義。

(4)建議對射孔機(jī)理，射孔管柱受力以孔配套器材等深入研究，優(yōu)化完善射孔與測試聯(lián)作管串，形成一套能夠針對8 000 m超深井的射孔測試聯(lián)作工藝技術(shù)。

[1]陳鋒,彭建新,陳華彬,等.超高溫超高壓超深穿透射孔技術(shù)在山前區(qū)塊的應(yīng)用[J].測井技術(shù),2014,38(1):111-115.

[2]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].測井技術(shù),2010,34(5):487-491.

[3]陳建波,唐凱,彭建新,等.射孔動(dòng)態(tài)特征測試分析系統(tǒng)研制及應(yīng)用[J].測井技術(shù),2016, 40(1):116-121.

[4]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.

[5]陳華彬,唐凱,歐躍強(qiáng),等.封隔器中途座封對射孔影響的分析[C].2011年油氣井射孔技術(shù)交流會(huì)論文集,2011.

[6]郭希明,蔣宏偉,郭慶豐,等.油管輸送式射孔技術(shù)起爆方式的設(shè)計(jì)與應(yīng)用分析[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,13(3)：96-99.

[7]姚志中,趙開良,焦建國,等.高溫高壓井射孔工藝技術(shù)在元壩X井的應(yīng)用[J].測井技術(shù),2013,37(1)：114-117.