川東北超深含硫水平氣井射孔工藝技術(shù)探討

倪先龍 （中國石化集團(tuán)西南石油局測井公司 四川 成都 610100）

引言

川東北有著豐富的油氣資源，僅普光氣田探明儲(chǔ)量即有3500億立方米，加上外圍則達(dá)到4200億立方米。四川盆地川東北巴中低緩構(gòu)造元壩區(qū)塊長興組礁灘復(fù)合體的突破更是為川東北的油氣勘探再添佳績。但是川東北的油氣層均埋藏深，以元壩區(qū)塊長興組礁灘復(fù)合體為例，目的層深度均在7000米左右，最深直井達(dá)7450米，最深斜井7990米。隨之而來的則是高溫（最高達(dá)165℃）高壓（鉆井時(shí)達(dá)153 MPa），而且由于是海相地層還高含硫；同時(shí)為了提高單井產(chǎn)能，高效開發(fā)元壩長興組超深含硫氣藏，大斜度井及水平井在該區(qū)大量應(yīng)用。這些復(fù)雜條件對射孔技術(shù)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，無論對工藝、火工品還是射孔器材都提出了更高更嚴(yán)格的要求。而在如此深的含硫超深水平井中開展射孔工作，在國內(nèi)還沒有先例，因此，研究高溫高壓高含硫條件下的水平井射孔工藝、火工品和器材就顯得尤為重要。本文在前期技術(shù)調(diào)研、實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合元壩地區(qū)施工的YB10-側(cè)1井射孔實(shí)例對含硫超深水平井的射孔工藝、火工品和器材進(jìn)行了探討，取得了一些初步認(rèn)識(shí)。

1、前期調(diào)研和射孔初步方案

1.1、Y B 10-側(cè)1井基本數(shù)據(jù)

YB10-側(cè)1井是四川盆地川東北巴中低緩構(gòu)造元壩區(qū)塊長興組Ⅰ號(hào)礁灘復(fù)合體上大斜度超深井，目的層為海相地層，在長興組有良好顯示。完鉆井深7273米，造斜點(diǎn)6404.88米，最大井斜79.14°，完鉆垂深6861米，射孔段套管為177.8mm×12.65mm；井內(nèi)預(yù)測H2S含量3.7%～7.2%，CO2含量6.62%～15.5%，井底溫度150℃左右，射孔時(shí)井底壓力108MPa，射孔井段7011-7180米，射孔長度169米，跨10個(gè)氣層。

1.2、射孔難點(diǎn)

在此之前，國內(nèi)沒有施工過類似的超深大斜度含硫氣井射孔先例，沒有相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)借鑒。經(jīng)過分析研討，本井主要有以下難點(diǎn)：

(1)射孔槍的選擇：理論上越大的射孔槍越利于油氣井的開發(fā)，但同時(shí)必須考慮槍和套管間隙，槍身在井斜變化大的位置的通過能力，射孔后產(chǎn)生的毛刺是否會(huì)卡槍等問題。

(2)高壓：本井設(shè)計(jì)射孔壓井液為1.21g/cm3泥漿，井底靜壓力81.36MPa，射孔采用加壓起爆方式，設(shè)計(jì)井口加壓16 MPa；同時(shí)根據(jù)深井射孔作業(yè)規(guī)范和銷釘剪切值5%的誤差可在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上附加3-10 MPa，綜合考慮井底最高壓力可達(dá)108 MPa。為此所有射孔器材均要考慮耐高壓性能。

(3)高溫：本井射孔段地層溫度有150℃，密封圈和導(dǎo)爆索、射孔彈等火工品均要考慮耐高溫性能。

(4)防退扣：水平井和大斜度井井筒與槍串的摩擦力大，很容易在接頭處退扣，導(dǎo)致掉槍。因此需要考慮接頭與接頭之間的防退扣和接頭與套管接頭間的卡掛風(fēng)險(xiǎn)。

(5)防硫：本井含硫，無論射孔槍、起爆器和密封圈都要考慮高壓高溫下的防硫問題。

(6)防卡：本井作業(yè)時(shí)間長，射孔槍串在井內(nèi)滯留時(shí)間長，還要考慮粘卡風(fēng)險(xiǎn)。

1.3、射孔初步方案

(1)射孔液的不僅涉及到射孔管柱的安全，同時(shí)還涉及射孔后井內(nèi)壓力的平衡和射孔加壓起爆時(shí)壓力的傳遞。前期設(shè)計(jì)采用無固相泥漿做為射孔液，但由于成本太高，只能采用固相泥漿作為射孔液，通過對YB10-側(cè)1井鄰井的壓力資料統(tǒng)計(jì)，元壩長興組地壓系數(shù)在1.0-1.06左右。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，高壓氣井附加0.15,因此YB10-側(cè)1射孔泥漿密度選擇1.21 g/cm3。

(2)YB10-側(cè)1井套管完井為177.8mm套管，最大井斜角79.14，常規(guī)配套的127槍遇阻的風(fēng)險(xiǎn)極大，根據(jù)普光類似水平井以及前期HF302大斜度井的經(jīng)驗(yàn)，需采用114mm及以下尺寸射孔槍。

(3)射孔參數(shù)初步定為孔密16，相位60°，螺旋布孔。

(4)目前川東北已射孔井（井深5000米左右）多采用HMX火藥射孔彈，考慮用HMX火藥射孔彈。

2、工藝論證

2.1、射孔槍的選擇

射孔槍大小的選擇主要受射孔段套管內(nèi)徑和斜井段狗腿度的影響，射孔槍材質(zhì)和厚度決定其耐壓。

通過表1看出：在套管177.8mm情況下，配127槍槍套間隙小，校正后的穿深、孔徑最大，射孔效果最好；但射孔槍爆炸后會(huì)發(fā)生膨脹和彎曲變形以及射孔產(chǎn)生得得毛刺，上提射孔槍至 “狗腿彎處”存在卡槍風(fēng)險(xiǎn)，射孔槍外徑越大，風(fēng)險(xiǎn)越大；而且127射孔槍重量比114槍重量高16%，射孔后形成的爆轟沖擊力也明顯增大，進(jìn)一步降低了射孔管柱的安全系數(shù)，射孔管柱脫落的風(fēng)險(xiǎn)增加。因此為了安全選用114槍。

本井狗腿度最大井段6434.45-6449.5m/15.05m，理論計(jì)算不考慮毛刺的情況下114槍槍身通過能力為64.49m?？紤]出現(xiàn)毛刺的可能，槍身通過能力為55.48m，這樣一次射開169米的長度顯然太長。考慮下套管后狗腿度可能會(huì)變小，槍體本身具有一定的柔韌性，為了保證傳爆同時(shí)為了減輕射孔槍起爆瞬間產(chǎn)生的爆轟波對射孔管柱安全的影響分兩至三個(gè)射孔單元，中間用篩管連接。

2.2、射孔彈的選擇

在高溫條件射孔，主要是要解決整個(gè)射孔系統(tǒng)耐高溫的問題，YB10-側(cè)1井射孔段的溫度在150℃左右，如圖1常規(guī)的高溫射孔器材（HMX）的耐溫指標(biāo)為160℃/48小時(shí)，基本可以滿足YB10-側(cè)1井的射孔需要；但第一次施工如此深的水平井并不能保證48小時(shí)完成施工，為了確保成功和為后期更高溫度射孔積累經(jīng)驗(yàn)，本井采用了超高溫的射孔器材即PYX系列。射孔彈、導(dǎo)爆索、傳爆管、起爆器全部采用超高溫系列。選擇的射孔彈型為DP43PYX45-5,其地面打柱狀水泥靶的穿深達(dá)到900mm，鋼靶穿深為195mm，孔徑為11mm。

2.3、射孔參數(shù)選擇

在一定的工藝條件，影響射孔效果的主要因數(shù)是射孔參數(shù)。理論研究表明，一般情況下產(chǎn)率比隨孔深的增加而增加，當(dāng)孔深增加到一定程度時(shí)，氣井產(chǎn)率比增加的幅度明顯變緩，一般長井段氣井在低孔密情況下孔深的影響更為明顯，通過調(diào)整彈型可以達(dá)到控制孔深，實(shí)現(xiàn)對儲(chǔ)層產(chǎn)出能力的控制。

該井選用的射孔彈穿深達(dá)到900mm，孔徑11mm，能較好的滿足射孔的需要，同時(shí)在顯示好的井段采用低孔密的射孔。在顯示不太好的井段采用16孔/米的孔密。為了盡可能沿地層的最大主應(yīng)力方向射孔，采用60°相位螺旋布孔方式。

2.4、防倒扣和防卡

大斜度井井筒與槍串的摩擦力大，很容易在接頭處退扣，導(dǎo)致掉槍。因此，射孔槍接頭之間全部采用頂絲防倒扣裝置，上下兩端30度倒角防卡。

表1 射孔槍及射孔彈參數(shù)表

2.5、射孔工藝和管柱安全

為了縮短射孔槍在井內(nèi)的停留時(shí)間，防止出現(xiàn)因射孔槍在井內(nèi)停留時(shí)間過長，射孔泥漿性能發(fā)生變化造成卡槍等事故，不采用射孔-測試聯(lián)作工藝，采用光油管的TCP射孔工藝。射孔加壓起爆時(shí)，井口不裝采油樹，射孔點(diǎn)火后地面觀察1-2小時(shí)，然后上提射孔槍出井口，再組下封隔器管柱進(jìn)行酸壓改造。

3、器材實(shí)驗(yàn)

3.1、防硫

在含硫化氫的井內(nèi)射孔，防硫是目前國內(nèi)射孔面臨的一個(gè)主要難題。如果全部采用材質(zhì)防硫，成本太高，器材的加工周期長，不能滿足生產(chǎn)的需要。通過調(diào)研，硫化氫在93℃以上對金屬材料的腐蝕大大減弱，而YB10-側(cè)1井射孔段的溫度在150℃左右，射孔時(shí)用泥漿壓井，射孔后井內(nèi)基本不會(huì)有硫化氫，鑒于此決定采用部分防硫的方式。射孔槍、壓力起爆裝置、延時(shí)起爆裝置、槍接頭、等產(chǎn)品材料都選用32CrMo或40CrMo，熱處理HRC：20-25（經(jīng)過退火、正火、調(diào)質(zhì)處理），采用磷化表處理。最后通過優(yōu)化射孔工藝，提高射孔效率，縮短射孔槍在井內(nèi)的停留時(shí)間等來達(dá)到防硫的目的。

3.2、為了確保一次性成功和為以后施工提供數(shù)據(jù)作了以下實(shí)驗(yàn)：

①對所用的射孔槍全部做了35MPA、穩(wěn)壓15分鐘的低壓防滲漏試驗(yàn)，并隨機(jī)抽取一只射孔槍做了120MPA、穩(wěn)壓15分鐘的高壓試驗(yàn)。所有射孔槍均合格。

②所有密封圈全部做了200℃高溫狀態(tài)下的變形試驗(yàn)。沒有不合格密封圈。

③對傳爆管抽樣進(jìn)行了200℃條件下，上下間距5cm，偏心3.5mm情況下傳爆穩(wěn)定性試驗(yàn)。所有傳爆管均正常傳爆。

④對超高溫導(dǎo)爆索進(jìn)行了170℃溫度下的收縮性試驗(yàn)，實(shí)測收縮率≤1.2%，小于設(shè)計(jì)指標(biāo)2%。

⑤在地面做了延期裝置延時(shí)試驗(yàn)。該井使用的延期裝置的理論延時(shí)時(shí)間為10分鐘，在地面實(shí)際時(shí)間為10分46秒，考慮井下溫度高，實(shí)際起爆時(shí)間可能縮短。

⑥做了壓力起爆器剪切銷試驗(yàn)。該井使用的壓力起爆裝置剪切銷釘，單顆剪切值在常溫下為3.09MPA,在160℃溫度下最大為2.91MPA最小為2.69MPA,實(shí)測為2.825MPA。

⑦對導(dǎo)爆索，壓力起爆藥、延時(shí)起爆藥進(jìn)行了X射線掃描，未發(fā)現(xiàn)異常。

⑧對起爆裝置、延時(shí)裝置、減震器進(jìn)行了抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)拉到70噸無損傷。

⑨對射孔彈抽樣做了常溫下打柱狀水泥靶、鋼靶試驗(yàn)和170℃高溫下打鋼靶試驗(yàn)。常溫下柱狀水泥靶的穿深達(dá)到900mm,孔徑為11mm。

⑩通過調(diào)研，將射孔彈由外繞方式改為內(nèi)繞方式，主要目的是為了讓導(dǎo)爆索在射孔槍內(nèi)更好的與射孔彈端面接觸好，同時(shí)減小裝槍過程中導(dǎo)爆索和槍內(nèi)壁的磨損。

4、射孔方案確定

根據(jù)工藝論證及器材實(shí)驗(yàn)，本井射孔采用光油管射孔，射孔后及時(shí)提出管串防止粘卡和硫化氫腐蝕；分兩個(gè)射孔單元中間用0.7米篩管連接，每個(gè)射孔單元均為兩端雙向起爆方式；射孔槍為 114槍，孔密16孔/米，耐壓 120MPa，相位 60°的內(nèi)繞式螺旋布孔；射孔彈為DP43PYX45-5；泥漿為1.21 g/cm3；井口不裝采油樹，加壓起爆方式。

5、施工效果和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

5.1、施工效果

本井按照上述方案進(jìn)行了射孔施工，施工順利，經(jīng)酸化測試獲天然氣無阻流量323萬方/日。射孔完后提出射孔槍，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)有7發(fā)射孔彈未發(fā)射。射孔發(fā)射率為99.68%，達(dá)到規(guī)范要求。起出射孔管串后發(fā)現(xiàn)連接兩個(gè)射孔單元之間的篩管彎曲變形，現(xiàn)場監(jiān)測不明顯。

5.2、問題總結(jié)和分析

5.2.1 射孔后有7發(fā)彈沒有發(fā)射，經(jīng)檢查裝配沒有問題，分析可能有以下原因：

①國內(nèi)的超高溫射孔器材使用還不多，對超高溫炸藥的性能和穩(wěn)定研究還需要加強(qiáng)。

②超高溫炸藥的理論傳爆速度比常溫和高溫炸藥的傳爆速度低1000-2000米/秒，客觀上超高溫炸藥存在感度低、傳爆難等情況。

③超高溫射孔彈傳爆孔位置炸藥的敏感度不夠，還需要加強(qiáng)技術(shù)公關(guān)，提高射孔彈的敏感度。

④雖然采用了導(dǎo)爆索內(nèi)繞方式，但導(dǎo)爆索和射孔彈的接觸方式和結(jié)構(gòu)還是需要改進(jìn)。

5.2.2 射孔管串提出井口后，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)射孔單元之間的連接篩管彎曲變形，分析認(rèn)為主要原因?yàn)椋?/p>

兩個(gè)射孔單元的間距設(shè)計(jì)不合理，兩個(gè)射孔單元之間間距僅為2米，除掉起爆器和延時(shí)裝置，篩管長度僅70cm，兩邊的射孔井段長度都在80米左右，射孔爆炸產(chǎn)生的爆轟波直接作用在篩管上，造成篩管彎曲變形。在以后這樣的長井段射孔中，是否還要分為兩個(gè)射孔單元應(yīng)重新論證和設(shè)計(jì)。

5.2.3 起爆監(jiān)測

起爆監(jiān)測在深井是個(gè)重點(diǎn)，只有確切的監(jiān)測好了起爆才能決定下一步工作。本井用的是TCP-1D射孔監(jiān)測儀，它能同時(shí)監(jiān)測兩道振動(dòng)信號(hào)和一路壓力信號(hào)。

由于本井井深且用泥漿射孔，振動(dòng)信號(hào)小，加壓前即估計(jì)振動(dòng)信號(hào)不易監(jiān)測，應(yīng)以壓力監(jiān)測為主。由于延時(shí)起爆器為10分鐘，擔(dān)心長時(shí)間加高壓影響管串安全，因此設(shè)計(jì)了如圖2中蘭色曲線所示的起爆監(jiān)測壓力曲線：井口快速加壓最高至20 MPa（A點(diǎn)）穩(wěn)壓1分鐘泄壓到4-5 MPa后到C點(diǎn)起爆監(jiān)測壓力，而起爆器實(shí)際10-15 MPa即可起爆。

實(shí)際監(jiān)測中振動(dòng)信號(hào)果然不明顯，而加壓設(shè)備排量不夠，致使加壓時(shí)間過長，如圖2中紅色曲線所示，加到20 MPa時(shí)（B點(diǎn)）已接近起爆時(shí)間，導(dǎo)致泄壓和起爆基本同時(shí)進(jìn)行，從而壓力信號(hào)也沒有監(jiān)測到。射孔后利用頻譜分析技術(shù)對現(xiàn)場記錄的監(jiān)測振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了重新分析，才最終確認(rèn)起爆。

今后類似施工中，建議加壓時(shí)應(yīng)用大排量能快速加壓設(shè)備，同時(shí)監(jiān)測設(shè)備應(yīng)有現(xiàn)場能進(jìn)行頻譜分析的功能。

6、結(jié)論

（1）為節(jié)省完井成本，超深含硫水平氣井的射孔槍在正壓條件下可以不采用專門的防硫材料，但不宜采用射孔-測試聯(lián)作工藝，防止射孔槍長時(shí)間滯留井內(nèi)發(fā)生氫脆落井。

（2）150℃以上超深高溫井中，一般48小時(shí)不能完成射孔作業(yè)，建議使用PYX系列火工品。

（3）水平井和大斜度井的射孔器材必須上下兩端倒角防卡且作防倒扣處理。

（4）射孔監(jiān)測應(yīng)以壓力監(jiān)測為主，加壓設(shè)備的排量要大。

（5）目前超深水平井的射孔技術(shù)方面尚存在一些不足和急需解決的問題，包括：如何解決超高溫導(dǎo)爆索低爆速、感度低、傳爆難等問題；如何改變導(dǎo)爆索纏繞方式來提高射孔彈發(fā)射率的問題；大斜度長射孔段射孔槍的通過能力問題；超深泥漿井的起爆監(jiān)測等問題。

[1]牛超群等.《油氣井完井射孔技術(shù)》.石油工業(yè)出版社.1994年4月第一版

[2]陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究西安物華巨能爆破器材有限責(zé)任有限公司《射孔器材產(chǎn)品說明書》