張永濤 張偉國 覃建宇 秦世利 賀振中 陳書豪

1. 中海石油(中國)有限公司深圳分公司；2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司

相比電纜射孔工藝，油管傳輸射孔技術(shù)(TCP)具有輸送能力大、可實(shí)現(xiàn)負(fù)壓、井控處理能力強(qiáng)、受井斜影響小等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于海上油田開發(fā)［1]。南海東部近年來有多個油田采用大位移井開發(fā)，為了實(shí)現(xiàn)多層系油藏開采，同時降低射孔時對孔眼附近地層的壓實(shí)作用，大多采用一趟TCP 負(fù)壓射孔射開多個生產(chǎn)層位［2]。然而，由于大位移井井斜較大(一般最大井斜＞70°)，存在電纜校深儀器無法下入到位、常規(guī)RTTS 封隔器坐封困難的問題，導(dǎo)致射孔準(zhǔn)確度低、難以實(shí)現(xiàn)負(fù)壓射孔，對高效開發(fā)邊際底水、薄層油氣藏帶來了較大挑戰(zhàn)［3]。另外常規(guī)負(fù)壓射孔技術(shù)采用單級引爆方式，夾層段使用空槍和導(dǎo)爆索連接，斷爆機(jī)率高，無法滿足海上作業(yè)要求［4]。

1 常規(guī)定向井射孔方案分析

射孔方案及管柱設(shè)計通常要考慮完井要求、井身結(jié)構(gòu)、定向井軌跡、井下工具及鉆機(jī)能力等因素。受井斜、井身結(jié)構(gòu)的影響及井下工具作業(yè)能力的限制。常規(guī)定向井由于井斜小、軌跡相對簡單，可以通過電纜儀器校正射孔深度，配合RTTS 封隔器通過留空或者灌入輕質(zhì)液墊實(shí)現(xiàn)負(fù)壓，一趟單層和多層精準(zhǔn)負(fù)壓射孔工藝較為成熟［5-9]。

1.1 常規(guī)定向井一趟單層TCP 負(fù)壓射孔

目前海上常規(guī)定向井一趟單層射孔管柱包含定位接頭、震擊器、RD 循環(huán)閥、RTTS 封隔器、減震器及射孔槍等工具，利用電纜測量地層伽馬曲線并結(jié)合套管和鉆桿的定位接頭進(jìn)行射孔校深，通過鉆桿留空和RTTS 封堵環(huán)空實(shí)現(xiàn)負(fù)壓射孔，點(diǎn)火方式可采用機(jī)械點(diǎn)火或者液壓點(diǎn)火。

1.2 常規(guī)定向井一趟多層TCP 負(fù)壓射孔

海上常規(guī)定向井一趟多層射孔管柱自下至上主要由射孔槍(含壓力延時點(diǎn)火頭)+隔層油管+射孔槍(含壓力延時點(diǎn)火頭)+減震器+篩管接頭+RTTS封隔器+多級負(fù)壓開孔裝置+壓力激活循環(huán)閥+震擊器(上擊)+定位接頭+鉆桿+地面流動頭,較單層管柱增加了多級開孔裝置。環(huán)空加壓后壓力經(jīng)多級開孔裝置旁通接頭、傳壓管進(jìn)入多級開孔裝置，再通過裝置的傳壓孔進(jìn)入RTTS 封隔器以下環(huán)空，通過篩管接頭傳至各射孔層段的射孔槍壓力延時點(diǎn)火頭，點(diǎn)火并延時，繼續(xù)加壓，多級開孔裝置內(nèi)部滑套剪切銷釘，上行至預(yù)定位置后鎖定，此時多級開孔裝置傳壓孔關(guān)閉，生產(chǎn)通道打開，封隔器以下環(huán)空與管柱內(nèi)部連通，形成負(fù)壓，射孔后地層流體可以通過管柱到達(dá)地面。多級開孔裝置必須配合封隔器、延時起爆裝置使用，同時采用環(huán)空加壓點(diǎn)火方式完成射孔作業(yè)。為降低傳爆索斷爆風(fēng)險和作業(yè)成本，提高爆轟波傳遞效率，層間一般采用隔層油管代替空槍；同時為提高點(diǎn)火成功率，每段連續(xù)射孔槍上下各設(shè)置1 個點(diǎn)火頭。校深方式采用電纜校深。

大位移定向井由于井斜大、位移長、軌跡相對復(fù)雜，常規(guī)電纜校深無法實(shí)施，同時RTTS 封隔器坐封時容易出現(xiàn)扭矩、懸重傳遞困難，對RTTS 成功坐封提出了較大挑戰(zhàn)。大位移定向井對一趟多層TCP 精準(zhǔn)負(fù)壓射孔方案和射孔管柱設(shè)計提出了更高的要求。

2 大位移定向井射孔方案及管柱設(shè)計

為解決大位移定向井射孔校深和造負(fù)壓難題，引入了隨鉆測井儀器和新型非旋轉(zhuǎn)坐封封隔器，優(yōu)化設(shè)計出一套可靠的、適用于大位移定向井的一趟多層TCP 精準(zhǔn)負(fù)壓射孔方案。該方案通過隨鉆測井儀器測量地層伽馬和套管上放射性標(biāo)記校正射孔深度，通過非旋轉(zhuǎn)坐封封隔器和管柱內(nèi)灌入輕質(zhì)液墊實(shí)現(xiàn)負(fù)壓射孔，點(diǎn)火方式采用管柱內(nèi)加壓點(diǎn)火。

2.1 關(guān)鍵工具

ChampV 封隔器是一種新型非旋轉(zhuǎn)坐封封隔器，其坐封機(jī)構(gòu)設(shè)計有3 個位置，分別為下入位置、坐封位置、起鉆位置。ChampV 封隔器自帶限位活塞鎖定銷釘,下鉆時確保坐封機(jī)構(gòu)處于鎖定狀態(tài)，即下入位置，可防止提前坐封。管柱到位后可通過環(huán)空加壓打破破裂盤，激活坐封機(jī)構(gòu)，通過上提下放管柱調(diào)整坐封機(jī)構(gòu)的位置到坐封位置即可實(shí)現(xiàn)坐封。射孔后，上提管柱使坐封機(jī)構(gòu)處于起鉆位置，可利用ChampV 封隔器自帶循環(huán)閥實(shí)現(xiàn)循環(huán)壓井作業(yè)。

IMPulse 是應(yīng)用于鉆井作業(yè)中的隨鉆測井儀器，可實(shí)時測量伽馬和電阻率并實(shí)時傳輸至地面。筆者選用合適規(guī)格的IMPulse 代替電纜校深儀器，可通過循環(huán)測量地層伽馬及套管同位素標(biāo)記來校正射孔深度。為防止循環(huán)時流體沖刷損壞封隔器膠皮，選用低排量版本IMPulse；同時為保證足夠測量精度，管柱向上運(yùn)動速度需勻速且控制在20～40 m/h，循環(huán)排量需要保持平穩(wěn)。為保證循環(huán)通路，在封隔器下部設(shè)計1 根旁通循環(huán)接頭，校正深度后，管柱內(nèi)替入輕質(zhì)液墊，坐封封隔器截斷旁通循環(huán)接頭與上部環(huán)空通路，避免U 形管效應(yīng)將輕質(zhì)液墊替出。

2.2 射孔管柱組合設(shè)計

為提高校深效率和準(zhǔn)確度，人工井底需滿足隨鉆測井工具測量1 個完整的射孔段數(shù)據(jù)，需合理設(shè)計射孔管柱零長(即隨鉆測井傳感器到第一發(fā)彈長度)和同位素標(biāo)記位置。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得到各個參數(shù)的關(guān)系為

式中，H 為游車最大允許提升高度，m；Db為最上部射孔段底深，m；Dr為同位素標(biāo)記深度，m；Dt為最上部射孔段頂深，m；L 為零長，m。

為提高作業(yè)效率、減少作業(yè)時間，設(shè)計一趟管柱射開全部層位。為降低傳爆索斷爆風(fēng)險和作業(yè)成本，提高爆轟波傳遞效率，層間使用隔層油管代替空槍。筆者選用優(yōu)質(zhì)扣油管配合扭矩監(jiān)控設(shè)備以保證隔層油管連接質(zhì)量，降低長度誤差。綜合上述，優(yōu)化設(shè)計出一套適合大位移定向井精準(zhǔn)負(fù)壓射孔的管柱組合，自下至上主要由射孔槍(含液壓延時點(diǎn)火頭)+隔層油管+射孔槍(含液壓延時點(diǎn)火頭)+減震器+旁通循環(huán)短節(jié)+非旋轉(zhuǎn)坐封封隔器+震擊器+隨鉆測井工具(LWD)+流動頭。

2.3 負(fù)壓值的選取

負(fù)壓值是負(fù)壓射孔設(shè)計中的關(guān)鍵，負(fù)壓值不能超過某個值以免造成地層出砂、垮塌、套管擠毀或封隔器失效和其他方面的問題［10]。由于IMPluse需通過循環(huán)完井液來完成射孔深度校正，管柱內(nèi)替入輕質(zhì)液墊是造負(fù)壓最簡易的方式，一般選擇容易獲取、閃點(diǎn)和燃點(diǎn)高的油基鉆井液基油。但是該方法負(fù)壓值受限，籠統(tǒng)計算有以下關(guān)系

式中，pmax為最大負(fù)壓值，MPa；a 為地層壓力當(dāng)量密度，g/cm3；ρ 為液墊密度，g/cm3；g 為重力加速度，9.81 N/kg；h 為儲層垂深，m。

3 應(yīng)用案例

南海東部X 油田A1 井為一口大位移定向井，完鉆井深5 912 m，1 153～5 258 m 井斜均大于70°，最大井斜75.43°，水平位移4 887 m，?177.8 mm尾管射孔完井，共計射開3 個層位(表1)。

該井?177.8 mm 尾管柱同位素深度5 139.84 m，射孔管柱零長33.43 m，最上射孔段頂部深度5 159 m，最上射孔段底部深度5 165 m，人工井底深度5 815 m(實(shí)現(xiàn)油藏探構(gòu)造需要)。

表 1 X-A1 井射孔數(shù)據(jù)Table 1 Perforation data of Well X-A1

為更好地保護(hù)儲層，降低射孔碎屑污染，設(shè)計采用負(fù)壓射孔工藝。計算本井能實(shí)現(xiàn)的最大負(fù)壓值為4 MPa，綜合考慮同層位負(fù)壓射孔經(jīng)驗(yàn)，防止負(fù)壓射孔出砂導(dǎo)致砂卡管柱，同時節(jié)約基油用量以降低作業(yè)成本，本井選擇較為保守負(fù)壓值為1.5 MPa。

3.1 現(xiàn)場施工步驟

現(xiàn)場施工主要施工步驟：?244.5 mm 套管及?177.8 mm 尾管刮管洗井作業(yè)，模擬測量射孔段伽馬數(shù)據(jù)；下射孔管柱，復(fù)測地層伽馬數(shù)據(jù)校深，按設(shè)計負(fù)壓值鉆桿內(nèi)替入白油液墊，坐封非旋轉(zhuǎn)封隔器，射孔作業(yè)，壓井起射孔管柱；?244.5 mm 套管及?177.8 mm 尾管再次刮管洗井作業(yè)；下分層防砂管柱；下生產(chǎn)管柱。

A1 井射孔管柱由上至下依次為：井口流動頭+?139.7 mm 鉆桿×4 890 m+變扣+?101.6 mm 鉆桿×231 m+IMPulse(隨鉆測井工具)+震擊器+安全接頭+ChampV 封隔器+旁通循環(huán)接頭+縱向減震器+?114.3 mm 射孔槍(上下各設(shè)計1 個液壓延時起爆裝置)+?88.9 mm 油管+?114.3 mm 射孔槍(上下各安裝1 個液壓延時起爆裝置)。

3.2 現(xiàn)場作業(yè)效果

大位移定向井一趟多層負(fù)壓射孔管柱已成功應(yīng)用3 井次，均取得較好效果。其中X-A1 井成功實(shí)施了一趟TCP 射孔管柱負(fù)壓射開3 個生產(chǎn)層位，循環(huán)壓井時有大量原油返出說明負(fù)壓效果明顯。經(jīng)分析對比射孔管柱測量地層伽馬曲線和儲層段鉆進(jìn)時測量的地層伽馬曲線(圖1)，兩條曲線吻合度高，說明隨鉆測井儀器能精確控制射孔誤差，滿足大位移定向井薄層底水油藏精確射孔作業(yè)的需要。投產(chǎn)后該井初期產(chǎn)液量達(dá)400 m3/d，含水＜10%，優(yōu)于預(yù)期效果。

4 認(rèn)識及結(jié)論

圖 1 射孔校深和儲層段鉆井伽馬曲線對比Fig. 1 Gamma curve comparision between the perforation depth correction and the reservoir drilling

(1)通過對比分析常規(guī)定向井射孔管柱，引入非旋轉(zhuǎn)坐封封隔器和隨鉆測井工具，優(yōu)化設(shè)計了一套適合大位移定向井的TCP 負(fù)壓射孔管柱。

(2)現(xiàn)場試驗(yàn)證明，優(yōu)化設(shè)計的TCP 射孔管柱能有效解決常規(guī)電纜校深儀器無法下放到位、常規(guī)RTTS 封隔器坐封困難的問題，表明了該方案的可行性和有效性，對類似的大位移定向井負(fù)壓射孔完井的實(shí)施提供了一定的借鑒價值。