呂煥軍，張耿浩，燕歡慶

(中海油田服務股份有限公司，海南 海口 570100)

0 引言

因油田增產需要，定向射孔技術近年來有很多應用。定向射孔技術在具有雙油管柱或多油管柱的井中應用，可以確保下入某一油管柱內的射孔槍不會射穿井眼中的其他生產管柱。隨著油田開發(fā)進入中后期，為提高采收率，這種作業(yè)需求會逐漸增加。此項作業(yè)涉及了射孔和隨鉆測井兩方面的技術和裝備，是一項創(chuàng)新技術的應用，相對傳統(tǒng)定向射孔技術，具有精確度高、能夠適應各種復雜井況的優(yōu)勢。這種創(chuàng)新型定向射孔作業(yè)需將射孔槍和隨鉆測量設備及鉆桿連接，用鉆桿將射孔槍傳送到預定深度，用隨鉆測井設備進行校深和精準確定射孔槍方向。這種組合定向射孔技術是一項新的探索，前期已經在南海西部應用，經實踐檢驗，射孔定向精度高，射孔后設備完好。在某次定向射孔作業(yè)完成后，發(fā)現(xiàn)隨鉆測量儀器傳輸設備BCPM2 電路損壞，而目前新型定向射孔作業(yè)模式可借鑒的經驗較少，為此需要分析問題發(fā)生的根本原因，為后續(xù)作業(yè)規(guī)避風險提供理論依據(jù)。

1 定向射孔作業(yè)介紹

新型定向射孔作業(yè)，在射孔槍和MWD 儀器串連接好后，先確認好隨鉆測量儀器串與射孔槍的高邊角度差，在地面做好記錄。鉆桿連接隨鉆測量儀器和射孔槍下到預定深度后，開啟泥漿泵循環(huán)，隨鉆儀器開始工作，通過隨鉆設備校深和確認方位并進行相應調整，使射孔槍對準預定方向。深度和方位調整好后，泥漿泵以排量800 L/min 循環(huán)，直至關閉旁通循環(huán)閥。在旁通循環(huán)閥關閉后，給管柱內加壓3.45 MPa，判斷旁通循環(huán)閥是否關閉良好。確認壓力穩(wěn)定后，快速加壓至最高起爆壓力17.24 MPa，此時壓力點火頭觸發(fā)，引爆射孔槍點火。點火后，管柱內流體通過點火頭與外部連通建立循環(huán)，此時泥漿泵以800 L/min 循環(huán)，隨鉆測井儀器開始工作，地面可以獲取相關數(shù)據(jù)。在某次定向射孔作業(yè)中，儀器射孔前各項數(shù)據(jù)測量正常，為射孔槍提供了精準的校深和工具面數(shù)據(jù)，但在射孔順利完成并建立循環(huán)后，儀器無響應，現(xiàn)場初步判斷儀器出現(xiàn)問題。由于射孔作業(yè)已經順利完成，現(xiàn)場未做進一步處置。

2 故障原因分析

2.1 BCPM2 電路燒毀原因分析

儀器返回車間檢查，加高壓測試后，儀器無電流無響應，加低壓測試電流正常。拆開檢查發(fā)現(xiàn)BCPM2 儀器內部線路燒毀，排查發(fā)現(xiàn)多塊電路板損壞。從現(xiàn)場作業(yè)情況來看，射孔前，儀器可以正常工作，上傳了調整射孔槍的方位參數(shù)，回車間后讀取儀器內存，也顯示射孔前儀器工作狀態(tài)正常。射孔后儀器工作異常，未見數(shù)據(jù)上傳，且設備返回后讀取內存，也未發(fā)現(xiàn)射孔后的相關數(shù)據(jù)，和現(xiàn)場人員反映狀況一致，據(jù)此推斷儀器在點火射孔期間發(fā)生損壞。

儀器在點火射孔期間，主要的風險因素有點火時的振動和射孔時的壓力迅速釋放。振動沖擊主要是機械部分的損傷，儀器的電路均有固封膠包裹，連接線有RTV 固定，檢查儀器機械部分未見振動沖擊造成的損傷，且電路部分包裹完好。進一步排查發(fā)現(xiàn)BCPM2 儀器多塊損壞的電路板故障點為電源與地線之間短路，此類故障主要由于主電源過壓所致。電子倉的接頭連接線也存在較多燒毀痕跡，符合高壓造成短路損壞特征。

隨鉆測井儀器井下主電源由渦輪發(fā)電機提供，發(fā)電機依靠管柱內流體流動帶動渦輪旋轉發(fā)電，流體流速決定了渦輪的轉速，渦輪轉速快慢決定了發(fā)電機輸出電壓的高低。儀器內部存在過大的流量會導致發(fā)電機渦輪轉速過高，從而導致發(fā)電機輸出電壓過高。因此，初步判斷設備在射孔時管柱內有較大的流量產生，超過儀器能承受的極限流量，造成發(fā)電機輸出過高電壓燒毀電路部分。因此，分析儀器燒毀的原因應分析出產生過大流量的根本原因。

2.2 流量過大原因分析

射孔時儀器的排量由兩部分組成：

(1)管柱內液體壓縮后壓力釋放產生的排量；(2)泥漿泵泵入液體加壓的排量。

為查找流量過大原因，對作業(yè)設計、作業(yè)日報、錄井數(shù)據(jù)等進行了分析。射孔時泥漿泵的排量為800 L/min，因此計算出憋壓射孔后釋放產生的排量即可計算出當時儀器的總排量。

計算憋壓后壓力釋放產生的排量，需要計算出憋壓后管柱內液體產生的壓縮量，由壓縮量和壓力放噴時間計算出射孔瞬間壓力釋放產生的排量。查詢作業(yè)資料，管柱內的流體主要是水。

根據(jù)作業(yè)設計的管柱圖得知，5"鉆桿內徑ID=4.28"(108.7 mm)，故內半徑R=54.4 mm，鉆桿內截面積：

S=πR2=9.29×10-3m2(1)

查詢管柱圖得知BCPM2 儀器在井下的深度H=2 259.96 m，故BCPM2 儀器以上管柱內液體總容量為：

V=S×H=9.29×10-3×2 259.96 =21 m3(2)

要計算出水的壓縮量，就必須知道水的壓縮系數(shù)。水的壓縮系數(shù)定義為單位體積水的體積隨壓力的變化率。在不同的溫度、壓力下，其數(shù)值不同。溫度為T時，水的壓縮系數(shù)為[1]:

為了計算管柱內水的壓縮量，需求出水的壓縮率，常用的方法有圖版法和經驗公式法，下面分別用兩種方法進行計算。

2.2.1 圖版法

水 的 壓 縮 系 數(shù) 圖版(據(jù)Dodson and standing，1944)[2]如圖1 所示，可以查出對應溫度、壓力條件下水的壓縮系數(shù)。

圖1 水的壓縮系數(shù)圖版

結合井況參數(shù)，管柱內液體平均溫度為35 ℃。儀器深度為2 259.96 m，加壓前管柱內水的平均壓力為水的自重產生的壓力和空氣壓力之和，所以管柱內水的平均壓力為：

式中：ρ為管柱內液體密度(1.06×103kg/m3)；g為重力加速度，取9.8 N/kg；H為儀器所處深度，取2 259.96 m；P0為空氣壓力，取0.101 3 MPa；

代入相關數(shù)據(jù)計算得到管柱內水的平均壓力P=11.6 MPa。根據(jù)平均壓力可在圖版中讀取水的壓縮系數(shù)為Cw=4.37×10-4/MPa。射孔時點火頭需要加壓17.24 MPa，此時水的壓縮率為：

由管柱內水的總容量和水的壓縮系數(shù)，即可計算管柱內水的壓縮體積：

2.2.2 經驗公式法

根據(jù)油藏工程的相關資料，地層水的壓縮系數(shù)與溫度、壓力及水中天然氣的溶解度有關。預測地層水壓縮系數(shù)的相關經驗式(7)[3]：

其 中：A=5.625×10-2T+1；a=3.854 6-1.943 5×10-2P；b=-0.336 6+2.212 4×10-3P；c=4.021×10-2－1.306 9×10-4P；f=1+4.997 4×10-2Rsw。

式中：Cw為地層水的壓縮系數(shù)(MPa-1)；T為地層溫度(℃)；P為地層壓力(MPa)；Rsw為地層水中天然氣的溶解度(m3/m3)。

計算管柱內水的壓縮量時，可以引入式(7)進行計算。管柱內注入的是不含天然氣的水，故取RSW=0。在圖版法中已計算出管中水的平均壓力為11.6 MPa，根據(jù)井況數(shù)據(jù)，取管柱內液體平均溫度為35 ℃。

代入相關數(shù)據(jù)可得：

因此，水的壓縮系數(shù)為：Cw=4.41×10-4MPa-1。

點火時加壓17.24 MPa，故管柱內水的壓縮率為：

由管柱內水的總容量和水的壓縮系數(shù)，即可計算管柱內水的壓縮體積：

對比圖版法和經驗公式法的計算結果，發(fā)現(xiàn)兩種方法計算的管柱內水的壓縮量近似。

查詢錄井數(shù)據(jù)，得知射孔后泄壓時間(如圖2 所示)t≈13 s ≈0.217 min。

圖2 射孔后壓力釋放錄井曲線圖

兩種方法計算出水的壓縮量近似，取平均值Vp=158.95 L，由水的壓縮量和泄壓時間，計算出射孔泄壓產生的排量：

根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)記錄，射孔時泥漿泵排量QB=800 L/min，所以此時BCPM2 儀器處的總排量：

查詢475 型BCPM2 儀器手冊，常規(guī)儀器的安全排量為950 L/min，而此次射孔作業(yè)中釋放的總排量達到1 532.49 L/min，超過了儀器的安全排量。通過查詢排量和馬達電壓對應關系表，渦輪發(fā)電機輸出的最終電壓超過500 V，過高電壓造成儀器電路部分損壞。BCPM2 儀器常規(guī)排量渦輪的安全排量為950 L/min,極限排量可以達到1 326 L/min，但常規(guī)使用均在安全排量以內，極限排量時儀器達到了電路器件的最高耐壓，超過安全排量使用會影響儀器后續(xù)的穩(wěn)定性，超過極限排量則會對儀器造成損壞。儀器手冊中有儀器過排量使用會造成發(fā)電機輸出電壓過高、儀器電路損壞的安全警示。為了此新型作業(yè)能夠推廣，應采取相應的措施，不僅保證作業(yè)的順利進行，還能確保儀器完好。

3 應對措施

3.1 降低泥漿泵加壓射孔時的排量

為了避免儀器損壞，需要控制射孔瞬間的排量，分別從射孔時泥漿泵的排量QB和射孔后壓力釋放產生的排量Qp兩個方面分析。

射孔后壓力釋放產生的排量QP與管柱內的總液體體積和井口加壓有關。點火壓力17.24 MPa 由點火頭性能決定，無法改變；而管柱內的液體總量由射孔深度決定，也無法改變，因此射孔壓力釋放產生的排量無法減少。但是可以確定的是井越深，壓力釋放產生的排量越大。

在旁通循環(huán)閥關閉后加壓3.45 MPa，確認壓力穩(wěn)定。在開啟泥漿泵加壓至射孔壓力17.24 MPa 的過程中，可以降低泥漿泵的排量QB，確保射孔時總排量不會超過儀器的安全排量，以保護儀器，加壓射孔完成后，泥漿泵的排量可以恢復正常。在3.45 MPa 到17.24 MPa 加壓的過程中，泥漿泵的安全排量與射孔段的深度有關，射孔段的深度越深，則射孔時管柱內液體壓縮量越大，泄壓產生的排量越大，泥漿泵的安全排量越小。但在此次作業(yè)中，儀器深度達到2 259.96 m，泄壓排量疊加泵的排量超出儀器極限，造成儀器損壞。故后續(xù)新型的定向射孔作業(yè)應進行相應的排量計算，嚴格控制3.45 MPa 到17.24 MPa 加壓過程中的泥漿泵排量，確保儀器安全。

3.2 更換高排量渦輪進行定向射孔作業(yè)

此次作業(yè)中使用475 型BCPM2 安裝的是常規(guī)排量渦輪，最大安全排量為950 L/min。相同排量下，高排量渦輪發(fā)電機轉速更低，其最大安全排量可達1 325 L/min,故高排量渦輪可以提高儀器的安全排量。在定向射孔作業(yè)中，可以給儀器安裝高排量渦輪，以提高儀器的排量極限，起到保護儀器的作用。

4 結語

(1)由于液體的可壓縮性，憋壓時管柱內的液體會產生一定的壓縮量，壓縮量與井口加壓壓力、管柱內液體體積、井溫相關，其中管柱內液體體積與井口壓力對壓縮量影響最大。

(2)定向射孔作業(yè)使用到隨鉆測量設備時，要將在射孔瞬間釋放壓力產生的排量考慮在內，綜合考慮泥漿泵排量和泄壓排量，防止儀器損壞。

(3)定向射孔作業(yè)中，為保證儀器的安全，應在管柱內壓力3.45 MPa 開始上升至點火壓力17.24 MPa 這段時間內降低泥漿泵排量，具體排量根據(jù)計算結果確定，點火完成后可以按正常排量循環(huán)。

(4)定向射孔作業(yè)中BCPM2 儀器應安裝高排量渦輪，以提高儀器的安全排量閾值。