高溫高壓井射孔工藝技術(shù)在元壩×井的應(yīng)用

姚志中，趙開良，焦建國，姚慧智

（1.中石化中原石油工程有限公司地球物理測井公司，河南 濮陽457001；2.中原油田分公司采油工程技術(shù)研究院，河南 濮陽457001）

0 引 言

元壩×井為預(yù)探井，于2008年4月20日開鉆，至2010年3月25日完鉆，完鉆井深7 080.00m，對應(yīng)垂直深度7 078.8m，氣層套管內(nèi)徑142.9mm／143.9mm。該井氣層套管在6 306.96～6 371.87m（長度64.91m）段存在漏點(diǎn)，出水管線出口檢測有硫化氫顯示，硫化氫濃度最高127mg／L；在5 482.08～5 483.68m處套管變形，最小內(nèi)徑116mm。對上二疊統(tǒng)長興組進(jìn)行射孔試氣，井段6 610.00～6 670.00m，厚度60.00m，灰色含灰細(xì)晶白云巖，電測解釋為含氣層。由于井漏，需在密度為2.11g／cm3以上的泥漿壓井下射孔，射孔段靜液柱壓力達(dá)138MPa，地層溫度153℃。

由于井漏、天然氣中含硫化氫、套管變形、高溫、高密度泥漿壓井等復(fù)雜條件，對射孔工藝、井下射孔器材等提出了苛刻要求，射孔技術(shù)難度較大，存在射孔槍被高壓擠扁、誤起爆、起爆失敗、射孔槍遇卡等安全隱患和施工失敗風(fēng)險(xiǎn)。為保證安全優(yōu)質(zhì)地完成該井射孔施工，從射孔工藝方案設(shè)計(jì)、材料選取、施工工序等方面進(jìn)行研究和控制。

1 射孔工藝方案設(shè)計(jì)

1.1 射孔工藝確定

對高壓氣井射孔，電纜輸送式射孔工藝不能有效解決防噴問題，不被采用。井漏、套變、高密度泥漿壓井等使井下條件復(fù)雜，通常采用的射孔、酸壓、測試一體化施工工藝增加了施工安全隱患，特別是增加了后續(xù)處理事故的難度與風(fēng)險(xiǎn)。為安全起見，放棄聯(lián)作施工工藝，采用普通油管輸送式射孔工藝，射孔后壓井提槍。

1.2 起爆方式優(yōu)選

1.2.1 投棒起爆

該井是直井且井漏，正常情況下最適合的起爆方式是投棒撞擊起爆，但壓井泥漿密度高，且黏度低（只有55s），在油管底部容易形成泥漿沉淀，撞擊棒在油管下部運(yùn)行速度減慢，可能造成中途遇阻或撞擊能量不夠，起爆器不能正常起爆。為避免上提射孔槍時(shí)撞擊棒下落造成誤射孔或射孔槍在井口爆炸事故，必須在井口防噴狀態(tài)下打撈撞擊棒，施工過程復(fù)雜，安全風(fēng)險(xiǎn)大，成本高。

1.2.2 油管加壓起爆

為該井設(shè)計(jì)了油管加壓起爆方式，起爆后起爆器自動(dòng)開孔，油套聯(lián)通，射孔管柱結(jié)構(gòu)見圖1。射孔管柱由下至上依次是射孔器、壓力起爆器裝置、開孔器、大容量沉淀筒、單向液流閥、油管串、油管懸掛器。起爆器起爆前，整個(gè)射孔管柱正向密封，通過油管施加的起爆壓力不會(huì)進(jìn)入到油套環(huán)空，減輕了射孔器的承壓負(fù)荷。射孔后開孔器自動(dòng)開孔，建立起油套連通通道，大容量沉淀筒可防止泥漿沉淀堵塞起爆器傳壓通道。

因?yàn)樵摼呛蚧瘹涓邏簹饩?，且上部套管漏，在下射孔管柱過程中必須時(shí)刻防范井噴的風(fēng)險(xiǎn)，在油管串底部連接一套單向液流閥，下管柱時(shí)套管內(nèi)泥漿經(jīng)單向液流閥進(jìn)入油管，萬一井口顯示異常，可反循環(huán)泥漿壓井。但氣井反循環(huán)脫氣必須倒換地面管匯流程，而且反循環(huán)對氣井有一定的誘噴效果。

圖1 油管加壓起爆射孔管柱結(jié)構(gòu)

1.2.3 套管加壓起爆

該起爆方式對射孔管柱沒有特殊要求，射孔前后油套正反向都連通，可以隨時(shí)實(shí)施大排量循環(huán)壓井，井控安全性高；可以采取雙向起爆，起爆可靠性高；不足之處就是井下射孔器承受的壓力更大，因?yàn)樯喜刻坠苈酀{密度高，要求對起爆壓力的安全性和可靠性設(shè)計(jì)更加嚴(yán)謹(jǐn)。

通過對以上3種起爆方式的分析比較，側(cè)重含硫化氫氣井井控安全方面的考慮，最終選擇套管加壓起爆方式。

1.3 射孔管柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

射孔管柱結(jié)構(gòu)必須滿足可隨時(shí)循環(huán)壓井液、起爆可靠、防炸槍等要求。套管加壓起爆射孔管柱結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

利用單倍體育種技術(shù)培育出來的DH系完全純合，純合度高達(dá)100%，在今后制種和繁殖過程中，不會(huì)出現(xiàn)分離現(xiàn)象，能夠長期應(yīng)用到玉米育種實(shí)踐。

圖2 套管加壓起爆射孔管柱結(jié)構(gòu)

油管串尾部的篩管可滿足大排量循環(huán)壓井液的要求；在頂部起爆器上端連接一隔離接頭，防止泥漿沉淀堵塞起爆器傳壓孔；采取雙向起爆，保證可靠引爆射孔器；在底部起爆器上端連接一套延時(shí)裝置，延時(shí)時(shí)間3～5min，萬一頂部起爆器引爆的射孔器傳爆中斷，未爆射孔彈被井內(nèi)高壓液體浸泡失效，防止短時(shí)間內(nèi)下部起爆器引爆射孔器可能造成的炸槍事故發(fā)生。

1.4 起爆壓力設(shè)計(jì)

起爆壓力設(shè)計(jì)必須遵循安全和可靠2條原則，既防止井內(nèi)波動(dòng)壓力造成的起爆器早爆，又要保證起爆器剪切銷釘能夠被正常剪斷。壓井液是清水情況下，Φ73mm油管在5?2in＊非法定計(jì)量單位，1in＝25.4mm；1psi＝6 894.757Pa，下同套管內(nèi)正常運(yùn)行就可造成2MPa以上的波動(dòng)壓力。元壩×井泥漿密度高，井深，套管變形，加之可能發(fā)生的頓鉆、急剎車、管柱遇阻等現(xiàn)象，根據(jù)前人研究結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)判斷，井內(nèi)波動(dòng)壓力可能會(huì)達(dá)到6～7MPa［1］，所以起爆壓力值不宜太低；提高起爆壓力，必然增大射孔器承壓失敗風(fēng)險(xiǎn)，而且由于射孔層上部套管漏，壓力摩擦阻力大，過大壓力有可能造成上部地層漏失而泄壓。

起爆器裝置剪切銷釘?shù)募羟袕?qiáng)度誤差是±5%，因?yàn)殇N釘數(shù)目多，總的剪切強(qiáng)度應(yīng)該在平均值附近，以往的現(xiàn)場施工經(jīng)驗(yàn)也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。經(jīng)過綜合分析，將外加的起爆壓力設(shè)計(jì)為14～15MPa。起爆壓力設(shè)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 起爆壓力設(shè)計(jì)結(jié)果

2 井下射孔器材選擇

2.1 射孔槍

目前最常用射孔槍材料是32CrMo4，最小屈服強(qiáng)度724MPa，外徑Φ88.9mm的耐高壓槍管壁厚10mm，生產(chǎn)廠商給出的耐壓指標(biāo)是140MPa，根據(jù)射孔槍管最低塑性擠壓力計(jì)算公式

式中，pp為槍管最低塑性擠壓力，psi＊；YP為槍管最小屈服強(qiáng)度，psi；D為槍管直徑，in；T為槍管壁厚，in。

當(dāng)壁厚為10mm時(shí)，槍管最低塑性擠壓力181MPa，但是射孔槍管生產(chǎn)時(shí)允許有±10%的偏差，將壁厚為9mm代入式（1）計(jì)算得出槍管最低塑性擠壓力155.6MPa。

加上起爆時(shí)井口施壓的壓力，射孔槍在井下所受到的壓力和理論計(jì)算得出的槍管最低塑性擠壓力相近，超過生產(chǎn)廠商給出的射孔槍耐壓指標(biāo)，射孔槍被壓扁的風(fēng)險(xiǎn)較大。

2.2 起爆器裝置

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，YB1－5－SC壓力起爆器共有48個(gè)剪切銷釘，常溫下單個(gè)銷釘剪切值3.65MPa，在153℃環(huán)境中單個(gè)銷釘剪切值降低為3.233MPa，可承受最高壓力155MPa，經(jīng)過起爆壓力設(shè)計(jì)計(jì)算，銷釘剪切強(qiáng)度可滿足該井耐壓要求。

2.3 爆破器材

井下爆破器材有射孔彈、導(dǎo)爆索、傳爆管和起爆器火工件4種，它們的最低耐溫指標(biāo)必須滿足井下環(huán)境溫度和停留時(shí)間的要求，并應(yīng)考慮可能發(fā)生的情況，留有足夠的安全量。

圖3 炸藥耐溫曲線

油管輸送式射孔施工，射孔管柱下放完畢，要經(jīng)過測井校深、油管調(diào)整、安裝井口、連接壓力管線等一系列工序，占用時(shí)間較長。正常情況下，該井射孔器下至5 000m到點(diǎn)火起爆間隔時(shí)間大概需要24h。炸藥耐溫曲線（見圖3）顯示，HMX炸藥24h耐溫指標(biāo)170℃，48h耐溫指標(biāo)160℃，基本滿足該井射孔環(huán)境條件要求，指標(biāo)富余量不大。考慮到該井井況復(fù)雜，為應(yīng)對可能發(fā)生的地面設(shè)備故障和井下異常情況，全部選用超高溫炸藥，射孔彈裝藥PYX，導(dǎo)爆索、傳爆管和起爆器火工件都裝填HNS炸藥。

3 井下器材耐壓試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

模擬該井油管輸送式射孔施工工況，井內(nèi)泥漿密度2.11g／cm3，用油管輸送1套壓力起爆器裝置和1支3.3m射孔槍下井至6 670m，從井口加壓20MPa，然后提出試驗(yàn)器材，檢查器材受高壓后變化情況。

拆除起爆器內(nèi)火工件，保留全部48個(gè)剪切銷釘；射孔槍內(nèi)不裝配射孔彈和導(dǎo)爆索等，為防止射孔槍被壓扁至嚴(yán)重變形，在套管變形處遇卡，在空槍管內(nèi)均勻分布3個(gè)支撐環(huán)，支撐環(huán)厚度50mm，直徑Ф55mm，支撐環(huán)和槍管內(nèi)壁保留14mm間隙，確保在抗壓強(qiáng)度不夠時(shí)槍管發(fā)生塑性變形［2］，為施工方案制定提供真實(shí)試驗(yàn)結(jié)果。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)器材到預(yù)定深度后，井口加壓20MPa，由于套管漏，停泵后井口壓力很快下降到14MPa，隨后又進(jìn)行了持續(xù)加壓，井口壓力穩(wěn)定在20MPa左右。提出試驗(yàn)管柱，檢查起爆器和射孔槍狀態(tài)，起爆器內(nèi)沒有液體滲入，剪切銷釘完好；射孔槍密封良好，外觀沒有變形。試驗(yàn)結(jié)果說明起爆器和射孔槍可以滿足該井高壓施工環(huán)境要求。

4 施工過程控制

（1）下射孔管柱前循環(huán)井內(nèi)泥漿，防止泥漿沉淀堵塞起爆器。

（2）裝配和連接射孔器時(shí)，對密封面和密封膠圈嚴(yán)格按產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求進(jìn)行仔細(xì)檢查，按規(guī)范程序裝配，確保密封可靠。

（3）射孔管柱下放速度控制在0.3m／s以內(nèi)，在射孔器下放到5 000m以下時(shí)，管柱下放速度控制在0.25m／s以內(nèi)，勻速平穩(wěn)，防急剎車和頓鉆，防止產(chǎn)生較大波動(dòng)壓力。

（4）射孔器下放到預(yù)定位置后，測井校深、調(diào)整油管、安裝井口、加壓起爆等工序銜接緊湊，盡量縮短射孔器在井下停留時(shí)間。

（5）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，該井從井口施加的起爆壓力到達(dá)射孔位置后將損耗3～4MPa左右，所以井口加壓至20MPa時(shí)，井下實(shí)際外加壓力達(dá)到了16～17MPa，射孔器應(yīng)該被引爆。為盡量減小射孔器承受的環(huán)境壓力，設(shè)計(jì)第1次井口加壓上限20MPa，如果井口加壓至20MPa射孔器仍未起爆，上部起爆器可能瞎火，等待6min以上，觀察下部起爆器是否起爆；如果此次加壓未能引爆射孔器，再加壓至25MPa。

實(shí)際施工結(jié)果顯示，該井井口加壓至18.6MPa時(shí)射孔器被引爆，這時(shí)井下實(shí)際外加壓力15MPa左右，和設(shè)計(jì)值相符。井口沒有觸摸到震動(dòng)信號(hào)，但TCP監(jiān)測識(shí)別系統(tǒng)監(jiān)測的2路震動(dòng)信號(hào)和壓力信號(hào)都清楚顯示射孔器被引爆（見圖4）。

圖4 元壩×井TCP地面監(jiān)測曲線

射孔后將射孔槍串管柱提出井口，射孔彈發(fā)射率100%，射孔槍沒有明顯變形，最大膨脹直徑Ф91.6mm。

5 結(jié)束語

對于地層中含硫化氫的高溫高壓復(fù)雜井，較合適的射孔方式是油管輸送式射孔；針對射孔施工中存在的技術(shù)難題，以保證施工安全性和可靠性為基本原則，優(yōu)選射孔起爆方式，設(shè)計(jì)合理的起爆壓力；通過理論計(jì)算和現(xiàn)場試驗(yàn)，確保射孔器材滿足井下環(huán)境要求，科學(xué)控制施工重點(diǎn)工序，從而保證了射孔施工成功。

［1］ 李貴吉，張建民，王承恩.南堡油田NP511井下管柱誤射孔事故原因分析［J］.測井技術(shù)，2008，32（5）：471－475.

［2］ 陶亮，周志華.夾層槍壓扁理論與彈性分析［J］.測井技術(shù)，2005，29（增刊）：13－16.