超高溫超高壓超深穿透射孔技術(shù)在山前區(qū)塊的應(yīng)用

陳鋒，彭建新，陳華彬，唐凱，郭廷亮

（1.中國(guó)石油川慶鉆探工程公司測(cè)井公司，重慶400021；2.塔里木油田分公司，新疆 庫(kù)爾勒841000）

0 引 言

四川盆地龍崗、元壩區(qū)塊的海相儲(chǔ)層上發(fā)現(xiàn)大型油氣儲(chǔ)量，儲(chǔ)層地質(zhì)特征井屬于超高溫超高壓井［1－2］，井深5 500～7 500m，油層溫度高（150～180℃），地層壓力高（120～145MPa）；塔里木盆地深部油氣藏庫(kù)車山前勘探區(qū)塊的井深基本是6 000～8 000m，地層溫度達(dá)到160～170℃，地層壓力達(dá)到了120MPa（最高預(yù)計(jì)可達(dá)140MPa），試油完井施工壓力超過(guò)140MPa。這些區(qū)塊的勘探開發(fā)井在完井過(guò)程中為了保護(hù)油層套管，常在重泥漿壓井條件下進(jìn)行射孔作業(yè)，進(jìn)行聯(lián)作時(shí)常因打壓座封、增產(chǎn)措施等工序使得施工時(shí)井下壓力進(jìn)一步提高，部分井的施工壓力接近160MPa。超高溫條件下，油氣井試油過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，火工器材的耐溫性能需要進(jìn)一步提高。

世界范圍內(nèi)具備超高溫超高壓射孔器材及超高溫超高壓射孔完井技術(shù)的石油公司有斯倫貝謝、哈里伯頓等大石油公司。中國(guó)石油川慶鉆探工程公司測(cè)井公司通過(guò)技術(shù)攻關(guān)，已經(jīng)掌握超高溫超高壓超深穿透射孔工藝技術(shù)并投入深部油氣藏油氣開發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1 現(xiàn)場(chǎng)施工情況

對(duì)于塔里木盆地深部油氣勘探開發(fā)，試油是一個(gè)世界級(jí)難題。在超深、超高溫、超高壓等特征的油氣井試油完井過(guò)程中出現(xiàn)了一些射孔工程事故，在射孔聯(lián)作作業(yè)中表現(xiàn)尤為突出，嚴(yán)重影響聚能射孔工藝技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，給油氣田帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至可能造成難以彌補(bǔ)的油氣井報(bào)廢。

××2－16井采用射孔測(cè)試聯(lián)作工藝，現(xiàn)場(chǎng)采用先座封后射孔的工藝，沒有施加套管平衡壓力，井口泵壓達(dá)到設(shè)計(jì)最大值后泄壓、穩(wěn)壓延時(shí)，但分段延時(shí)起爆，第2段與第1段相隔20s，第3段與第2段相隔50s。該井的地層壓力為107MPa，封隔器環(huán)空上端壓力為66.7MPa，形成的靜態(tài)負(fù)壓為40MPa。由于第3段起爆延時(shí)過(guò)長(zhǎng)，在前2段溝通地層后，地層壓力迅速釋放，這時(shí)封隔器下端與上端的壓差是負(fù)壓值40MPa，第3段射孔時(shí)會(huì)形成瞬間增壓30～50MPa，作用在封隔器的壓差值達(dá)到70MPa以上，達(dá)到了封隔器解封的工作壓差，最終導(dǎo)致該井射孔后封隔器解封。

××202井采用射孔測(cè)試酸化三聯(lián)作工藝，采用7in＊非法定計(jì)量單位，1in＝25.4mm，下同的HP－1AH改造封隔器，套管7in，采用127型射孔槍配1m射孔彈，射孔厚度大，封隔器下采用2in的P110EUE油管，篩管為工程服務(wù)公司提供的打孔短節(jié)in的NUE×5.51mm，射孔后在篩管出現(xiàn)斷裂，射孔槍串落井。分析認(rèn)為打孔短節(jié)本身性能不足，鋼級(jí)低、壁薄等成為斷裂落井的主要原因，通過(guò)軟件模擬也得到驗(yàn)證；另外，一次性下井裝藥量大也是一個(gè)原因。

除此之外，××3井在山前區(qū)塊進(jìn)行鉆桿傳輸射孔作業(yè)，射孔起爆后效觀察，隨后起動(dòng)管柱遇卡，油氣井正常生產(chǎn)受到影響。山前區(qū)塊還遭遇循環(huán)閥失效、斷爆等工程案例?？偟膩?lái)說(shuō)，深部油氣藏開發(fā)過(guò)程中試油完井是一個(gè)重要工序，它受到油氣井的工況、射孔工藝、現(xiàn)場(chǎng)工藝等因素影響，施工難度極大，施工結(jié)果直接影響油氣井正常作業(yè)。

2 優(yōu)化射孔工藝技術(shù)

塔里木油田山前區(qū)塊是典型的超深超高溫超高高壓油氣區(qū)塊之一，為了便于后續(xù)儲(chǔ)層改造及修井作業(yè)，主要采用較大套管完井。由于井深，油氣產(chǎn)層套管固井質(zhì)量差，為了實(shí)現(xiàn)井筒的高度安全以及保護(hù)油氣儲(chǔ)層，采用了高黏度高切力的油基泥漿作為完井液，完井投產(chǎn)管柱采用永久性封隔器結(jié)合氣密封油管完井［3］，射孔完井配套超高溫超高壓超深穿透射孔器材等。

由于山前區(qū)塊油氣藏的特殊性，油氣井完井集世界上最先進(jìn)的射孔工藝技術(shù)，基于油氣井射孔安全最大化，射孔完井前需要開展一系列的技術(shù)優(yōu)化。

2.1 激動(dòng)壓力預(yù)測(cè)技術(shù)

山前區(qū)塊超深油氣井射孔完井常采用油基泥漿體系，泥漿密度高、黏度高、切力大，射孔完井采用鉆桿傳輸方式。在這種工況條件下，射孔器材下井過(guò)程中需要嚴(yán)防產(chǎn)生過(guò)大的激動(dòng)壓力。激動(dòng)壓力與泥漿性能、井筒深度、傳輸管柱內(nèi)外徑、套管內(nèi)徑、下鉆瞬時(shí)速度、油套是否聯(lián)通等因素密切相關(guān)，激動(dòng)壓力與射孔起爆壓力緊密聯(lián)系，根據(jù)油氣井工況條件，激動(dòng)壓力預(yù)測(cè)（見表1）技術(shù)成為油氣井射孔設(shè)計(jì)與施工安全的一個(gè)重要保證。

激動(dòng)壓力計(jì)算公式［4］

式中，pdy為激動(dòng)壓力，Pa；f為范寧摩阻系數(shù)；ρ為井液密度，kg／m3；Dh為井筒內(nèi)徑，m；d為傳輸管柱外徑，m；L為管柱長(zhǎng)度，m為環(huán)空平均流速，m／s。

表1 某井激動(dòng)壓力預(yù)測(cè)

2.2 井筒動(dòng)態(tài)負(fù)壓預(yù)測(cè)技術(shù)

射孔過(guò)程中井筒壓力是波動(dòng)的，井筒會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)負(fù)壓區(qū)，瞬間產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)負(fù)壓過(guò)大將會(huì)嚴(yán)重影響到油層套管的安全，甚至?xí)T導(dǎo)套管外地層壓力擠毀套管，造成卡槍。加上油層套管固井質(zhì)量差，動(dòng)態(tài)負(fù)壓將會(huì)進(jìn)一步影響套管性能。井筒動(dòng)態(tài)負(fù)壓的形成與射孔器材結(jié)構(gòu)、工藝密切相關(guān)。國(guó)外有一種動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔工藝技術(shù)，利用射孔器材的特殊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)制造井筒動(dòng)態(tài)負(fù)壓，以利于地層壓力釋放而清洗射孔孔道，降低孔道表皮。這種動(dòng)態(tài)負(fù)壓射孔工藝技術(shù)在某些井射孔過(guò)程中可能出現(xiàn)瞬間的井筒動(dòng)態(tài)負(fù)壓近120MPa，在山前區(qū)塊應(yīng)用中曾造成套管變形卡槍。

因此，在山前區(qū)塊射孔完井前，根據(jù)油氣井工程數(shù)據(jù)、地質(zhì)數(shù)據(jù)、射孔參數(shù)等進(jìn)行井筒動(dòng)態(tài)負(fù)壓預(yù)測(cè)（見圖1），保證油氣井射孔過(guò)程中套管的安全，預(yù)防卡槍。

圖1 某井動(dòng)態(tài)負(fù)壓預(yù)測(cè)

2.3 管柱評(píng)價(jià)技術(shù)

降低塔里木油田山前區(qū)塊施工過(guò)程中管柱彎曲、斷裂的風(fēng)險(xiǎn)需考慮井筒結(jié)構(gòu)、傳輸管柱、封隔器座封位置、油套管鋼級(jí)、油管尺寸、泥漿密度、射孔槍類型、射孔裝藥量、人工井底、起爆工藝等諸多因素。射孔前期需要收集油氣井資料，根據(jù)油氣井試油工程設(shè)計(jì)進(jìn)行充分的力學(xué)評(píng)價(jià)，借助工程動(dòng)力學(xué)軟件，模擬計(jì)算管柱在射孔時(shí)的動(dòng)態(tài)力學(xué)變化情況，確保射孔施工安全可靠。

××201井射孔井段為6 505～6 548m及6 572～6 611m，泥漿密度為1.98g／cm3，人工井底為6 800m，油層套管為5?2in，采用89型超高溫超高壓射孔器材進(jìn)行射孔作業(yè)，射孔工藝為鉆桿傳輸。通過(guò)軟件模擬計(jì)算，結(jié)果見圖2。其中p1為6 000m鉆桿處受力情況；p2為6 100m處鉆桿受力情況；p3為6 400m處鉆桿受力情況；p4為6 505m處起爆器受力情況；p5為6 600m處射孔槍受力情況（見表2）。

圖2 ××201井管柱動(dòng)態(tài)力學(xué)變化

表2 射孔管柱模擬點(diǎn)受力情況

2.4 超高溫超高壓［5］器材

完成了工作壓力175MPa的89型超高壓射孔器材及配套工具開發(fā)。射孔彈是射孔器的核心部分，在150℃以上的超高溫環(huán)境下，對(duì)射孔彈主炸藥［6］的性能及整體指標(biāo)提出了更加嚴(yán)苛的要求。由于超高溫炸藥HNS、PYX本身性能的原因，相比RDX、HMX，超高溫炸藥性能要下降，為此需要彌補(bǔ)炸藥本身性能的缺陷，一方面加強(qiáng)炸藥性能的深入研究；另一方面要對(duì)射孔彈內(nèi)腔結(jié)構(gòu)、炸藥配方、藥型罩結(jié)構(gòu)與配方、制備工藝、成型工藝、過(guò)程控制等進(jìn)行創(chuàng)新，提高超高溫射孔彈整體穿孔性能。通過(guò)技術(shù)攻關(guān)，超高溫超深穿透射孔彈技術(shù)得到突破，穿孔性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。在攻關(guān)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)超高溫炸藥HNS、PYX之間也存在著一些性能差別，并完成了整套超高溫器材在200℃／100h條件下的射孔打靶試驗(yàn)。超高溫超高壓射孔器材技術(shù)在山前區(qū)塊得到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著，孔徑、膨脹量、毛刺高度均小于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2.5 現(xiàn)場(chǎng)工藝技術(shù)

現(xiàn)場(chǎng)操作要全面考慮井下工具工作性能、激動(dòng)壓力、起爆壓力、起爆工藝、油套聯(lián)通性能、緩解管柱動(dòng)態(tài)力學(xué)措施、預(yù)防管柱遇卡工藝、降低井筒動(dòng)態(tài)負(fù)壓途徑等?，F(xiàn)場(chǎng)工藝技術(shù)是一個(gè)系統(tǒng)性工程，及時(shí)處理它們之間的關(guān)系，能夠?yàn)樯淇资┕?lái)高效作業(yè)。

2.6 起爆監(jiān)測(cè)技術(shù)

山前區(qū)塊超深井射孔起爆監(jiān)測(cè)作為射孔完井一個(gè)重要組成部分。由于該區(qū)塊油氣井深度大，泥漿密度大，準(zhǔn)確判斷起爆也是一個(gè)難題，特別是聯(lián)作工藝和射孔厚度小的油氣井施工。

壓力監(jiān)測(cè)是山前區(qū)塊油氣井射孔常用的監(jiān)測(cè)方法，通過(guò)地面壓力車在施加壓力過(guò)程中壓力瞬間降低判斷起爆器動(dòng)作，進(jìn)而判斷射孔起爆情況。壓力開孔起爆方式尤其適合于射孔井段小的油氣井施工，起爆器動(dòng)作時(shí)油套及時(shí)聯(lián)通，從而判斷射孔起爆。

震動(dòng)監(jiān)測(cè)儀主動(dòng)識(shí)別起爆信號(hào)，通過(guò)使用分析軟件對(duì)起爆信號(hào)進(jìn)行頻率和短時(shí)能量分析，通過(guò)硬件模塊過(guò)濾掉噪聲及地面泵振動(dòng)等信號(hào)而識(shí)別射孔槍是否正常起爆。該監(jiān)測(cè)技術(shù)在山前應(yīng)用比較成功，但在射孔厚度?。ㄈ?m）的超深超油氣井中難以捕捉到起爆信號(hào)。

聲波監(jiān)測(cè)儀通過(guò)監(jiān)測(cè)起爆射孔時(shí)井筒的聲波判別起爆情況，與震動(dòng)監(jiān)測(cè)儀情況一樣。

3 管柱技術(shù)

根據(jù)山前區(qū)塊的試油完井工程設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了3種射孔施工作業(yè)管柱，滿足不同井況下的射孔完井作業(yè)。

（1）三聯(lián)作射孔管柱。利用油管將超高壓射孔槍、壓力起爆器、篩管、封隔器以及測(cè)試工具等輸送到目的層，校深、封隔器座封好后向環(huán)空施加操作泵壓，打開測(cè)試閥后穩(wěn)定環(huán)壓，使測(cè)試閥保持開啟，從油管內(nèi)采用壓力方式激發(fā)起爆器，完成射孔作業(yè)；射孔成功后轉(zhuǎn)入正常的酸化流程；酸化完成后，關(guān)井測(cè)試時(shí)泄放環(huán)壓即可［見圖3（a）］。

該管柱在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，由于庫(kù)車山前區(qū)塊采用的是重泥漿壓井，應(yīng)考慮封隔器、測(cè)試工具的承壓指標(biāo)是否滿足要求。該工藝在庫(kù)車區(qū)塊應(yīng)用較少，目前，國(guó)外公司在××2井、××201井采用該聯(lián)作管柱進(jìn)行了射孔和測(cè)試作業(yè)后，管柱遇卡，不能正常取出射孔測(cè)試管柱。

（2）一次射孔完井管柱。一次性完井管柱技術(shù)是油管傳輸射孔技術(shù)與永久封隔器完井技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，下油管時(shí)，進(jìn)行氣密封檢測(cè)，射孔器輸送到目的層位后，座封封隔器，驗(yàn)封合格后，加壓引爆射孔槍，不必起出管柱，可以進(jìn)行酸化、生產(chǎn)測(cè)井等措施，利用該管柱轉(zhuǎn)入正常采油采氣。它可以提高完井效率，同時(shí)避免壓井造成的二次污染，特別適用于高產(chǎn)、高酸性、高壓氣田的開發(fā)［見圖3（b）］。

（3）TCP傳輸射孔管柱。在超深超高溫超高壓條件下，射孔聯(lián)作試油過(guò)程中管柱及封隔器受到?jīng)_擊力大，封隔器失效明顯，管柱遇卡的情況也有發(fā)生?？紤]到試油安全，山前區(qū)塊在在重泥漿或有機(jī)鹽壓井條件下，常采用鉆桿傳輸射孔作業(yè)，射孔成功后，再單獨(dú)下測(cè)試管柱進(jìn)行測(cè)試。該工藝在庫(kù)車山前區(qū)塊應(yīng)用較多［見圖3（c）］。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

超高溫超高壓超深穿透射孔技術(shù)自成功研發(fā)以來(lái)，綜合運(yùn)用激動(dòng)壓力預(yù)測(cè)技術(shù)、動(dòng)態(tài)負(fù)壓預(yù)測(cè)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)工藝技術(shù)等，截至目前，已在塔里木油田山前勘探開發(fā)區(qū)塊現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用達(dá)10余井次，工藝成功率100%，射孔孔眼圓潤(rùn)規(guī)則，槍體基本無(wú)變形，毛刺低（見表3）。

圖3 山前區(qū)塊射孔作業(yè)管柱設(shè)計(jì)

表3 超高溫超高壓超深穿透射孔統(tǒng)計(jì)表（部分）

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）隨著深部油氣藏成為陸上戰(zhàn)略資源的主體之一，超高溫超高壓超深穿透射孔技術(shù)成為深部油氣藏開發(fā)的主力射孔技術(shù)。

（2）通過(guò)多年的技術(shù)攻關(guān)和科技創(chuàng)新，依靠先進(jìn)的設(shè)計(jì)工具和領(lǐng)先的試驗(yàn)技術(shù)，目前已形成一套穩(wěn)定的超高溫超高壓超深穿透射孔技術(shù)，打破了國(guó)外石油公司在這一技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的壟斷和封鎖。

（3）超高溫超高壓超深穿透射孔技術(shù)具備多項(xiàng)核心技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用過(guò)程中，大大降低試油完井成本，推動(dòng)了國(guó)內(nèi)射孔技術(shù)水平提高，提升了國(guó)內(nèi)試油整體技術(shù)。

［1］ Martin Schoener－Scott.HPHT Perforating Practices［C］∥2012International Perforating Symposium，2012.

［2］ Nauman Mhaskar，Mark Sloan，William Myers，et al.Design and Qualification of an Ultra－h(huán)igh Pressure Perforating System［C］∥2012SPE Deepwater Drilling and Completions Conference，Deepwater Drilling and Completions Conference，2012，Galveston，Texas.

［3］ 唐凱，陳華彬，陳鋒，等.超高壓長(zhǎng)跨度全通徑射孔在高壓氣田的應(yīng)用 ［J］.天然氣工業(yè)，2011，31（9）：58－61.

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