一趟管柱分層射孔試油聯(lián)作技術(shù)

劉志英, 王芝堯, 董擁軍, 王書華, 高文濤

(1.中國石油渤海鉆探工程有限公司測井分公司，天津 300280； 2.中國石油大港油田公司勘探開發(fā)研究院，天津 300280)

對于射孔測試技術(shù)在多層作業(yè)中的實現(xiàn)，一般采用分層多趟管柱射孔測試，或一趟管柱對幾個鄰近地層同時射孔后進行多層混合測試的方式，但這樣會導致射孔測試周期長、成本高，且混層測試不利于對單個地層的準確認知[1-2]。為解決上述問題，國內(nèi)外科技人員嘗試通過改良管柱結(jié)構(gòu)[3-5]，來實現(xiàn)一趟管柱分層射孔-試油聯(lián)作。該技術(shù)既可縮短時間、降低費用，又可避免混層測試導致的結(jié)果失真。但是，到目前為止國內(nèi)還沒有形成很好的技術(shù)；國外設(shè)計的管柱費用高、操作與維護不便[6-7]，不適合于國內(nèi)應(yīng)用。為此，筆者深入研究了該技術(shù)，認為首先要解決如何實現(xiàn)分層射孔，因為射孔槍多次引爆產(chǎn)生的震動和瞬間壓力直接影響射孔管柱的穩(wěn)定性，同時結(jié)合現(xiàn)有的試油管柱完成射孔-試油聯(lián)作管柱的設(shè)計，滿足一趟管柱對不同地層進行分別射孔和測試或利用一趟管柱對同一地層進行二次射孔的技術(shù)需求。

1 前期研究情況

2007年，渤海鉆探測井分公司完成了一趟管柱分層射孔-試油聯(lián)作技術(shù)的初步設(shè)計，并進行了點火頭的穩(wěn)定性現(xiàn)場試驗。該試驗的目的是，分析一級射孔槍引爆后產(chǎn)生的震動和瞬間高壓對二級射孔槍點火頭穩(wěn)定性的影響，并將試驗結(jié)果應(yīng)用于起爆方式的改良。試驗方法是，將安全機械點火頭安裝于射孔器的最下端，隨射孔器一同下入井內(nèi)，引爆射孔器后起出射孔管柱，檢查底部點火頭。試驗結(jié)果是銷釘剪切，試驗失敗。

分析試驗失敗的原因，認為：1)射孔器引爆后，因爆轟而產(chǎn)生高壓，致使銷釘剪切；2)射孔器引爆后，因爆轟而產(chǎn)生震動，也可使銷釘剪切。由此可知，高壓和震動對二級點火頭的破壞造成了試驗失敗，所以如何解決壓力、震動對二級點火頭造成的影響，是該技術(shù)進一步研究的重點。

2 一趟管柱分層射孔總體方案設(shè)計

總結(jié)前期研究、試驗的經(jīng)驗及獲得的認識，認為解決壓力、震動對二級點火頭造成的影響，實現(xiàn)可控式分級點火，是一趟式管柱分層試油射孔技術(shù)總體方案設(shè)計的首要前提。

2.1 壓力釋放方式

為驗證射孔器引爆后產(chǎn)生的瞬間壓力對二級起爆裝置的影響，將 P-T 儀與射孔槍相連，點火后測試射孔槍內(nèi)的壓力-時間曲線[8]，如圖1所示。該試驗選用102射孔槍，填裝16發(fā) DP44RDX-1 型射孔彈,引爆的峰值壓力為101.23 MPa。

圖1 射孔槍內(nèi)的壓力曲線Fig.1 Internal pressure curve of perforation gun

從圖1可以看出，在大約1.087 5 s時射孔彈發(fā)生爆轟，壓力迅速上升，射孔后壓力峰值高達101.23 MPa，高壓維持時間在10 ms左右，瞬間爆轟產(chǎn)生的高壓完全可以將點火頭銷釘剪切。

分析射孔時井下壓力產(chǎn)生的原因，認為第一級射孔器引爆瞬間產(chǎn)生的壓力會對第二級起爆裝置產(chǎn)生很大影響，為了降低該壓力，在第一級射孔器底部加裝了壓力釋放裝置，然后在其下方連接空槍。壓力釋放裝置的原理是，在射孔槍底部設(shè)計一定的常壓空間，射孔時活塞向下推動打開壓孔，使常壓空間與密封環(huán)空連通，射孔槍內(nèi)劇增的壓力通過釋放裝置釋放[9]。壓力釋放裝置連接的射孔空槍長度，可以根據(jù)第一級射孔器裝彈量的多少進行調(diào)整[10]，射孔產(chǎn)生的部分壓力釋放到空槍內(nèi)，起到吸收第一級射孔器起爆時產(chǎn)生的瞬間高壓的作用，確保第二級射孔器起爆裝置的安全。

2.2 減震方式

分析射孔時井下震動的原因可知，第一級射孔器引爆瞬間產(chǎn)生的震動會對第二級起爆裝置產(chǎn)生很大影響。為了降低該震動，在兩級射孔器之間加入兩級減震器，來確保第二級射孔器起爆裝置的安全。

減震器可利用其內(nèi)部的減震元件來吸收或減少對射孔裝置縱向和橫向的沖擊震動，從而達到保護射孔器的目的[11]。在第一、第二級射孔器之間加裝兩級減震器，其壓縮量達400 mm，能夠?qū)⒌谝患壣淇灼鳟a(chǎn)生的震動充分吸收，避免影響第二級射孔器。

2.3 新起爆方式

常規(guī)投棒點火頭受到壓力和震動的影響時，其安全性是無法保證的，為使一趟管柱分層射孔-試油技術(shù)更加安全，采用電起爆方式，并采用TCP電棒起爆裝置來實現(xiàn)電起爆[12]。

TCP電棒起爆裝置主要由電棒和導電接頭總成2部分組成。其中電棒由電源倉、輸出倉(內(nèi)裝濕性插接器)、放電裝置和打撈尾桿組成，如圖2所示。

圖2 電棒的主要結(jié)構(gòu)Fig.2 Electric structure of initiation rod

TCP電棒供電起爆裝置做到了火工、電器分離，且無剪切銷釘，受壓力、震動的影響小，因而更加安全。電棒是充電電源，可重復使用并可自動定時放電，投棒遇阻時，3 h以后基本放電完畢，不用撈棒作業(yè)，直接起油管，確保安全可靠。該電棒的主要技術(shù)指標為:供電額定電壓40 V,電容量6 500 μF，安全電流0.5 A,點火電流1.0 A,耐溫160 ℃/48h，耐壓60 MPa，放電所需時間3 h(從投棒開始計時)。

導電接頭總成由濕性導電裝置、具有排砂和接地功能的導向裝置和電纜槍頭3部分組成(見圖3)。電纜槍頭與導電裝置連接端裝配有大電流雷管，其使用過程中的安全電流大于0.5 A，起爆電流為1.0 A，可有效避免因外界因素作用而引起的誤起爆，電纜槍頭另一端裝有避爆裝置，可確保射孔安全。導電接頭總成連接結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 導電接頭總成結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure of conductive connector assembly

圖4 導電接頭總成連接示意Fig.4 Structure of conductive connector assembly

導電接頭總成設(shè)計符合射孔火工、電分離的規(guī)定，使射孔更加安全。采用壓控設(shè)計能有效避免地面爆炸的危險。當射孔器下入井下300 m后，大電流雷管在液柱壓力的作用下，壓縮彈簧，使大電流雷管下行，才與傳爆管接近，避免了地面施工中存在的危險。

射孔-測試聯(lián)作技術(shù)可以用一趟管柱完成射孔和測試兩項工作，獲取井下產(chǎn)量、溫度和壓力等資料，一般采用自下而上的方式進行分層射孔-測試。在測試時，當測試管柱內(nèi)的壓力小于地層壓力時，地層流體流入測試管柱內(nèi)。

3.1 射孔管柱的操作步驟

根據(jù)前述分析，采用如下射孔管柱結(jié)構(gòu)(按從上到下的順序)：上部測試管柱+定位短節(jié)+點火頭(電起爆)+射孔器+兩級減震器+壓力延時起爆裝置+射孔器+壓力釋放裝置。射孔管柱主體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 射孔試油管柱聯(lián)作示意Fig.5 Schematic diagram of integrated perforation and formation testing

將射孔管柱下入井內(nèi)，定位校深，確定深度后調(diào)整油管，到達目的層，加壓引爆壓力起爆裝置，引爆一級射孔器，完成一次射孔，產(chǎn)生的高壓由槍尾的壓力釋放裝置釋放，產(chǎn)生的震動由兩級射孔器之間的減震裝置吸收減震；移位進行二次定位校深，調(diào)整到目的層，從井口投放TCP電棒，電棒以自由落體形式向下運動，電棒的撞桿經(jīng)過導向裝置扶正，撞擊到導電裝置的插針上，與導電裝置插接，然后TCP電棒放電，電流通過大電流雷管時引爆大電流雷管，引爆射孔器，完成二次射孔。

3.2 測試管柱的操作步驟

選用APR全通徑測試器和設(shè)計的新型射孔管柱組成聯(lián)作管柱進行作業(yè)。其射孔-試油聯(lián)作原理是:用油管輸送方式將射孔管柱下入到井中，下入過程中測試閥LPR-N閥關(guān)閉，管柱下至預定射孔位置后，調(diào)整深度，坐封封隔器，然后通過環(huán)空加壓，打開測試閥后穩(wěn)定環(huán)空壓力，使測試閥保持開啟，油管內(nèi)投棒或以壓力方式激發(fā)起爆裝置，完成射孔作業(yè)，然后進行開井測試,關(guān)井時釋放環(huán)空壓力即可。具體測試過程如下:

1) 下井準備。下井前,根據(jù)測試要求,設(shè)定測試閥和循環(huán)閥的開啟壓力(氮氣室注氮)；井口安裝油嘴,倒好地面流程所有的閥閘，安裝測量壓力、流量、溫度的儀器。

2) 下井。下井時關(guān)閉LPR-N測試閥,關(guān)閉上部的2個循環(huán)閥,打開下部做旁通閥使用的循環(huán)閥,開啟旁通,使封隔器膠筒處于收縮狀態(tài)。在射孔-試油聯(lián)作時,APR測試管柱下部帶有射孔槍和點火頭(見圖5)。

3) 地層流體測試。坐封封隔器, 關(guān)閉RTTS循環(huán)閥,連接好地面管線,關(guān)閉防噴器,向環(huán)空加壓至設(shè)計值,打開LPR-N測試閥, 射孔完畢后,地層流體流經(jīng)測試閥，測試流體進入流動期。

4) 關(guān)井泄壓。關(guān)閉LPR-N測試閥,通過井口釋放環(huán)空壓力。

5) 反循環(huán)。測試完畢后,將環(huán)空壓力加至OMNI循環(huán)閥操作壓力，打開循環(huán)孔，將管柱內(nèi)的地層流體返出。若該循環(huán)閥出現(xiàn)故障，可對環(huán)空繼續(xù)加壓，打開上部RD安全循環(huán)閥，實現(xiàn)反循環(huán)。其目的是使上部管柱內(nèi)的多余液體通過安全閥排出。

6) 起出與壓井。上提管柱并打開RTTS循環(huán)閥,平衡RTTS封隔器上、下方壓力,膨脹的封隔器膠筒開始收縮解封,管柱可移動。此時,對環(huán)空加壓,通過RTTS旁通閥將封隔器以下井筒內(nèi)的油氣排出;同時,仍然關(guān)閉LPR-N測試閥,打開上部反循環(huán)閥,用壓井液進行反循環(huán)將管柱內(nèi)的油氣排出;然后,再使壓井液進入正循環(huán),壓住射開的層位。

測試完畢,注水泥塞封閉,確保上下封隔,重復上述操作，進行第二層測試。

4 現(xiàn)場試驗及技術(shù)優(yōu)勢分析

4.1 現(xiàn)場試驗

一趟管柱分層射孔-試油聯(lián)作技術(shù)目前已在3口井中進行了試驗應(yīng)用，試驗效果見表1。

表1 試驗井情況及試驗結(jié)果Table 1 Tested wells and formation testing conclusion

由表1及實際應(yīng)用情況可知，施工均一次性成功，射孔發(fā)射率100%，試油結(jié)果均與測井解釋結(jié)果相符，油層投產(chǎn)順利。試驗還表明，該技術(shù)簡化了下井工具和井口裝置，操作簡便，可使井下作業(yè)及射孔成本降低27%；分層測試的準確性得到提高，縮短了試油周期，試油成功率提高37%。

4.2 技術(shù)優(yōu)勢分析

通過現(xiàn)場試驗應(yīng)用可知，該技術(shù)已經(jīng)基本具備現(xiàn)場大量應(yīng)用的條件。進一步分析、比較后認為，該技術(shù)具有以下技術(shù)優(yōu)勢：

1) 采用常規(guī)射孔、試油方法，起下管柱次數(shù)多，周期長，工作量大，在井深2 500 m左右試油需要15～20 d。與之相比，采用一趟管柱分層射孔-試油聯(lián)作技術(shù)，僅需4～6 d，大大縮短了試油周期，減小了勞動強度，降低了試油成本。而且，一趟管柱可對每個油層分別進行測試，能提高測試的準確性。

2) 一趟式管柱分層射孔-試油聯(lián)作技術(shù)可以利用一趟管柱，對跨度較大的地層進行移位式射孔，大大提高射孔效率；在槍串的連接中，不使用常規(guī)射孔槍中的夾層槍連接起爆下一層位，可降低夾層斷爆概率，降低成本。

3) 采用一趟管柱對同一地層進行重復射孔，使孔密增大，流動效能增加，射孔效能提高。

4) 一趟管柱分層射孔-試油聯(lián)作技術(shù)中，由于是在爆炸時進行測試并記錄，因此可用變化率褶積方法在早期即獲得儲層滲透率。

5) 利用一趟管柱分層射孔-試油聯(lián)作技術(shù)能及時發(fā)現(xiàn)薄產(chǎn)層、劃分出水層，為油田開發(fā)提供及時準確的地質(zhì)資料，降低試油成本，有利于多發(fā)現(xiàn)產(chǎn)層，提高勘探開發(fā)效益。一趟管柱選擇性點火，進行分別測試，大大提高了試油效率。

6) 由于APR全通徑測試器是一種壓控測試器，由環(huán)空壓力控制測試閥的開關(guān)。它的通徑大，除具有常規(guī)測試器的功能外，還適合于高產(chǎn)油氣井的測試、試油，稍加改造還可使用一趟管柱完成射孔—測試—酸化(壓裂)—再測試等綜合作業(yè)及電纜作業(yè)。特別是低滲透高污染儲層，為了更好地清除污染，提供更真實的地層評價，可以采用射孔-酸化-APR測試三聯(lián)作。

5 結(jié) 論

1) 一趟管柱分層射孔-試油聯(lián)作技術(shù)，可對不同目的層進行一趟分層射孔和測試，提高試油的準確性并縮短試油周期、降低工程事故的概率。在槍串的連接中，采用移位式射孔方式替代夾層槍，大幅度減少了夾層槍的數(shù)量，降低了夾層斷爆概率，減少了管柱起下次數(shù)，降低了成本。

2) 采用一趟管柱對跨度較大的地層進行移位式射孔，能夠減少起下油管的次數(shù)，有效提高井下作業(yè)效率，降低油層二次污染的風險。另外，通過一趟管柱對同一地層進行重復射孔，使孔密增大、流動效能增加，提高射孔效能。

3) 以后有望使用一趟管柱完成射孔—測試—酸化(壓裂)—再測試等作業(yè)。對于低滲透高污染儲層，可望采用射孔-酸化-APR測試三聯(lián)作，在射孔后通過酸化清除污染，可以提供更真實的地層評價。

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