水平井及大斜度老井再射孔的校深方法

刁林濤，高峰，湯繼超

（河南油田測井公司，河南 南陽 473132）

0 引 言

有些水平井及大斜度老井需要進行補孔或重復射孔。由于水平井、大斜度井井況的特殊性和保護油氣層射孔的復雜性，傳統(tǒng)的射孔方法和射孔器材已不能完全滿足老井再射孔的技術要求。在現(xiàn)有技術水平下，水平井、大斜度井只能采用加壓起爆方式。采用套管完井的水平井、大斜度井初次射孔井段長，根據設計的管柱結構，一般使用多個壓力或壓差起爆器，并用環(huán)空加壓的辦法就能實現(xiàn)起爆，而水平井、大斜度老井再射孔由于地層已經打開，用環(huán)空加壓的方法將造成壓井液擠入地層而造成地層污染，還可能由于地層滲透性強出現(xiàn)井口加壓達不到起爆器的設定值而無法起爆的現(xiàn)象，因此采用常規(guī)的起爆方式不可靠。

水平井、大斜度井初次射孔由于使用環(huán)空加壓起爆方式，射孔槍在深度校正后，不會因為環(huán)空壓力變化而使位置移動。但再射孔時，由于不能使用環(huán)空加壓方式起爆，為保證起爆可靠性，現(xiàn)場一般采用密封管柱，采用油管內加壓方式起爆。射孔槍的深度在校正后，雖然起爆前位置準確，但在起爆時，由于外加壓力的影響，射孔槍管柱會在壓力作用下相對位置發(fā)生變化。解決射孔時管柱位置的變化，使射孔槍正對目的層位射孔是水平井、大斜度井再射孔的難點。本文主要敘述大斜度井再射孔的校深方法。

1 水平井、大斜度井再射孔施工校深

水平井因射孔層段長，射孔誤差較小對其影響不大。而大斜度井射孔層位多、層薄、夾層段地質條件復雜，射孔深度對射后產能影響很大。

水平井、大斜度井再射孔起爆受外在壓力作用，使油管受力發(fā)生變化，造成射孔管柱伸長。伸長值不是一個隨井深和壓力變化而線性變化的數(shù)值。解決加壓起爆造成的管柱伸長問題，國內有減少使用壓力車等設備采用油管自重壓力起爆的方法[1－2]。該方法施工時，管串上要加封隔器，雖然消除了加壓造成的管柱伸長，但存在著斜井中封隔器不好坐封、管柱起下比較困難、射孔后不能直接完井和工藝復雜等問題。經校深調整后的管柱在加壓射孔時伸長是大斜度井再射孔校深的技術難點。

根據河南油田張28井現(xiàn)場施工經驗，該井射孔井段2768～2776m，井斜76°，采用102槍和102彈進行射孔施工。由于該井是河南油田第1口大斜度井，現(xiàn)場施工采用全密封管串下井。第1次校深時油管內沒有注入液墊，待油管加滿水后，進行第2次校深。2次校深結果深度讀值相差10cm。在連續(xù)對3口井進行了2次校深結果基本相同的情況下，現(xiàn)采用1次校深定位，但射孔后曲線顯示，深度存在大小不等的誤差現(xiàn)象（見表1）。

表1 部分斜井施工數(shù)據表

由表1可見，大多施工井段誤差超過標準規(guī)定值，雖然在管柱校正時考慮了伸長誤差，但是考慮的方法是每1000m經驗伸長0.2m，從射后檢驗曲線上反映出，沒有完全消除存在的誤差問題。

2 射孔管柱受力情況分析

2.1 油管受力分析及油壓引起的油管軸向變形

在水平井及大斜度井再射孔時，油管串采用全密封管串進行施工，起爆靠油管內加壓，在外力作用下，管柱在外力作用下存在伸縮問題。

油管所受力主要包括[1]：①油管與套管柱接觸摩擦力；②井筒溫度應力；③液體對油管底部的軸向推力；④油壓、套壓和液柱壓力作用；⑤油管自重產生的拉伸力；⑥射孔槍重量產生的拉伸力；⑦當校深結束進行射孔時，由于使用壓力起爆，會產生一個較大的影響力——引爆起爆裝置時的外加壓力。以上7個力中影響較大的是浮力、外加壓力和摩擦力、管柱螺旋彎曲造成的管柱變化。油管長度變化為

式中，F(xiàn)為力（壓縮力為正），F(xiàn)＝pisAi；ΔL1為油壓引起的油管長度變化；Ai為油管內面積（相應于油管內徑面積）；As為油管壁橫截面積；E為彈性模量（對于鋼，E＝2.07×105MPa）；L為油管柱長度。

2.2 鼓脹效應引起的油管軸向變形

如果向油管柱內施加壓力，只要內壓大于外壓，水平作用于油管內壁的壓力就會使管柱的直徑有所增大，這種鼓脹效應叫做正鼓脹效應。反之，如果向環(huán)形空間施加壓力，只要外壓力大于內壓力，測量油管柱直徑有所減小，即稱為反向鼓脹。圖1、圖2為鼓脹效應力學模型。與活塞效應和螺旋彎曲效應不同，鼓脹效應發(fā)生在整個管柱度上。鼓脹效應受力的數(shù)學模型為

圖1 正鼓脹油管縮短

圖2 反鼓脹油管伸長

當油管內流體流動而環(huán)形空間的流體不流動時，其管柱長度變化ΔL2為式中，ΔL2為鼓脹效應引起的油管長度變化；pos為井口處套管壓力；Δpos為井口處套管壓力的變化；R0為油管外徑與內徑的比值（外徑／內徑）；δ為由于流體流動而引起的單位長度油管內的壓力降；ρi為油管內流體的密度；ρo為環(huán)形空間流體的密度；Δρi為油管中流體密度的變化；Δρo為環(huán)形空間流體密度的變化；μ為材料的泊松比（鋼的μ為0.3）。

2.3 井斜摩擦引起的油管的軸向變形

水平井、大斜度井射孔管柱軌跡見圖3。省略計算過程后得井斜摩擦引起的油管軸向變形為

式中，L為管柱調整值；ΔL3為螺旋彎曲引起的油管長度變化；TfB為最大累計摩擦力。

圖3 水平井井眼軌跡垂直剖面圖

2.4 射孔槍尺寸與油管彎曲引起油管軸向變形

由于射孔槍與油管底部相聯(lián)結，射孔槍單位長度的尺寸和重力遠大于油管的尺寸和重力。因此，射孔槍對油管的軸向變形影響不能忽視，根據其幾何位置和幾何關系，推導出射孔槍對油管變形為

式中，F(xiàn)gun為射孔槍對油管產生的摩擦阻力，N；Lprof為射孔槍長度，m；Wgun為射孔槍單位長度重量，kg／m；fk為射孔槍與套管的摩擦系數(shù)；αk為油管底部與射孔槍相聯(lián)結處的井斜角，（°）；ΔLgun為射孔槍對油管產生的軸向位移。

管柱在井下的狀態(tài)見圖4、圖5。省略計算過程后得螺旋彎曲產生的路徑縮短量為ΔL4。

2.5 油管總軸向變形

根據對油管柱變形和路徑縮短的分析研究結果，油管柱在起爆時的油管總伸縮量ΔL為油壓引起的油管軸向變形＋膨脹效應引起油管軸向變形＋井斜摩擦引起的油管軸向變形＋射孔槍尺寸引起油管的軸向變形＋螺旋彎曲引起的油管軸向縮短。即

根據受力模型的建立和分析，結合校深的原理和流程開發(fā)出深度校正實用軟件，以提高工作效率和射孔精度。

3 現(xiàn)場應用

3.1 施工設計

（1）根據通知單的設計要求進行施工設計。設計槍串結構要合理，要設計起爆壓力、定深短節(jié)位置（井斜在65°左右）、現(xiàn)場施工程序、可能存在的隱患及防范措施和應急處置方案。

（2）附加校正值的計算。根據井斜數(shù)據、定深短節(jié)的位置和射孔深度，用深度校正軟件計算出需要增加的調整值L，附在施工設計中。

3.2 現(xiàn)場校深

現(xiàn)場射孔管柱的深度校正，首先利用電纜測量油管放磁曲線，將該曲線與完井組合圖上的自然伽馬曲線對比，確定定深短節(jié)處的深度。

式中，L為管柱調整值，m；H1為油層頂界深度，m；H2為測得定位標記深度，m；L1為射孔總零長，m。

計算不考慮伸縮情況下管柱調整值L，利用

計算管柱深度的總調整值，正值上提，負值下放進行管柱調整，即可達到深度校正的目的。

圖6 基本參數(shù)及結果

3.3 應用效果

張2204井2680m斜井基本參數(shù)及油管校正計算結果見圖6、圖7、表2至表5。

圖7 斜垂直剖面曲線

表2 射孔基本結構參數(shù)

表3 斜井射孔校正基本參數(shù)

表4 射孔校深位置參數(shù)

表5 各種因素引起的油管軸向位移計算結果

表6 部分井使用效果分析表

張1309井射后曲線顯示設計射孔頂界2161.8 m，實際射后位置2161.8m，射孔位置準確。

從測有射后曲線的部分施工井數(shù)據統(tǒng)計（見表6）看，在使用校正軟件施工的各井射后檢查曲線上，射孔位置誤差都控制在20cm以內，與使用前基本每井超差±50cm的現(xiàn)象相比，減少誤差30cm左右，大大提高了射孔精度。但由于各井使用的油管疲勞程度差異、壓井液密度不準，計算的結果會存在一定誤差。同時，該軟件只適合計算井斜≥30°斜井的附加校正值計算。

4 結 論

（1）通過水平井、大斜度井再射孔校深技術研究，對油管輸送內加壓射孔產生深度誤差進行原因分析。

（2）建立了斜井管柱受力的數(shù)學模型，研究了消除誤差的校正方法，并編制了自動計算軟件。

（3）成功地解決了大斜度井和水平井再射孔的深度誤差校正問題，總體誤差不超過20cm，符合行業(yè)標準要求的油管輸送射孔深度誤差控制在20cm的規(guī)定，達到了預期效果。

[1]練章華，李洪建，楊斌，等 斜井射孔管住深度校正方法研究[D].成都：西南石油大學，2007.

[2]曹紅海.水平井再射孔技術探討[C]∥2004射孔年會論文集，2004.