SEW油層套管在模擬井條件下的射孔試驗*

李周波

（1.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

SEW油層套管在模擬井條件下的射孔試驗*

李周波1,2

（1.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

為了在模擬井條件下進行油層套管射孔試驗，從而可以直觀地判斷油層套管的射孔性能，對SEW（hot stretch-reducing electric welding）套管在石油工業(yè)油氣田射孔器材質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心進行了模擬井條件下射孔試驗。試驗結(jié)果表明：J55、N80Q、P110、BSG－80TT及BSG－110TT五種鋼級的SEW油層套管，其射孔性能完全符合中國石油天然氣集團公司行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，其中裂孔率為0%，裂紋長度為0 mm，射孔后外徑最大脹大量總體偏小，優(yōu)于國內(nèi)及國外某些套管廠油層套管的射孔性能水平。

SEW套管；模擬井；射孔試驗；無槍身射孔

射孔完井是目前最主要的完井方法，是石油開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。射孔作業(yè)是油氣田勘探和開發(fā)的一個非常重要的環(huán)節(jié)[1-3]。油層套管的射孔性能是套管質(zhì)量的重要衡量指標(biāo)，直接影響射孔完井的質(zhì)量和效果，決定油井的產(chǎn)量和使用壽命[4-6]。由于套管射孔作業(yè)是在數(shù)千米的井下進行，影響因素較多，無法進行有效的觀察，因此，到目前為止美國石油協(xié)會（API）也沒有擬定出套管射孔性能的試驗方法和評判標(biāo)準(zhǔn)。隨著水平井?dāng)?shù)量的不斷增加，對套管的射孔性能提出了更高的要求，中國石油行業(yè)根據(jù)幾十年的生產(chǎn)實踐及研究成果，制定出了SY/T 6491—2011《油層套管模擬井射孔試驗與評價》標(biāo)準(zhǔn)[7]，用于評價套管的射孔性能。寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司（以下簡稱寶雞鋼管）委托石油工業(yè)油氣田射孔器材質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心進行了外徑為139.7 mm的SEW J55、N80Q、P110、BSG-80TT和BSG-110TT五種鋼級套管模擬井下射孔試驗，其中BSG-80TT、BSG-110TT是非API高抗擠系列套管產(chǎn)品。按照SY/T 6491—2011的要求進行射孔后套管內(nèi)毛刺高度、外徑脹大、孔眼處裂孔率、孔眼處單側(cè)裂紋長度、孔眼處裂紋寬度和非孔眼處裂紋數(shù)的檢測，判斷開發(fā)的SEW油層套管是否滿足油田現(xiàn)場作業(yè)要求。

1 試驗設(shè)備及原理

1.1 試驗?zāi)M井

在大慶油田射孔器材質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心的模擬試驗井進行試驗，模擬井結(jié)構(gòu)如圖1所示。模擬試驗井井筒內(nèi)徑為335 mm，試驗套管在約250 m井深處射孔，井內(nèi)介質(zhì)為清水。模擬井射孔時，井筒壓力18~20 MPa，溫度為50~60℃。

圖1 模擬井結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 套管試驗靶

試驗靶結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。使用2~2.5 mm鋼板焊成水泥環(huán)養(yǎng)護套，長度7 m，將養(yǎng)護套套在試驗套管外側(cè)，使用扶正套保證試驗套管位于養(yǎng)護套中心，確保養(yǎng)護套內(nèi)徑與試驗套管外徑間距≥25 mm。采用API A級油井水泥制成相對密度為1.85~1.93 g/cm3的水泥漿，將水泥漿加壓注滿養(yǎng)護套與試驗套管之間的空隙，封堵上端，制成套管試驗靶。將試驗靶全部放入模擬井下，井下溫度50~60℃，養(yǎng)護所用時間＞48 h，起出放在露天待用。

圖2 試驗靶結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 標(biāo)準(zhǔn)射孔器

射孔器分為無槍身射孔器和有槍身射孔器。本次試驗采用大慶射孔彈廠生產(chǎn)的50DP30RDX17無槍身射孔器，裝藥量為17 g，螺旋布孔，裝彈密度10發(fā)/米，射孔彈相位為四相右旋轉(zhuǎn)90°，每根套管一次下入60發(fā)射孔彈，軸向兩彈間距為400 mm。每次試驗1根套管，發(fā)射率要求≥95%，穿孔率要求≥90%。

1.4 射孔后套管的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)SY/T 6491—2011《油層套管模擬井射孔試驗與評價》的要求，模擬井射孔后，套管內(nèi)毛刺高度要求≤2.5 mm，外徑脹大≤5 mm，孔眼處裂孔率≤10%，孔眼處單側(cè)裂縫長度≤45 mm，孔眼處裂紋寬度≤1.5 mm，非孔眼處裂紋數(shù)為0。

1.5 試驗套管的力學(xué)性能

射孔試驗用套管采用寶雞鋼管生產(chǎn)的SEW J55、N80Q、P110油層套管及非API系列 BSG-80TT、BSG-110TT SEW高抗擠套管，每種射孔套管各3根。試驗套管的理化性能見表1和表2。

表1 試驗套管的化學(xué)成分

表2 試驗套管的力學(xué)性能

2 試驗方法

2.1 套管試驗靶下井

首先將底部安裝憋壓凡爾座的Φ244.48 mm承壓套管下入模擬井的預(yù)定井深，再把套管試驗靶下入承壓套管內(nèi)指定深度，用大小頭與承壓套管連接后，井口安裝密封加壓裝置，通蒸汽開循環(huán)泵加溫，使井水溫度保持50℃。

2.2 射孔器組裝及下井

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的彈型、彈數(shù)、孔密和孔的相位組裝射孔器。射孔器上端與電纜連接，下端與加重桿和密封球連接。將射孔器下入模擬井規(guī)定的深度，置于套管試驗靶射孔部位，在電路斷路的情況下接通電纜、雷管腳線和導(dǎo)爆索。

2.3 加壓引爆

接好模擬井井口加壓管線，確保承壓套管密封，啟動高壓泵加壓，當(dāng)井筒壓力達到18 MPa時，通電引爆。待射孔完畢后，停泵泄壓。

2.4 檢測套管試驗靶

從模擬井內(nèi)取出套管試驗靶，剖開養(yǎng)護套，剝開水泥環(huán)，檢測試驗套管的穿孔數(shù)、裂孔數(shù)、裂縫長度和寬度、最大外徑脹大量和最大內(nèi)毛刺高度，并進行數(shù)據(jù)處理。

3 試驗結(jié)果與討論

試驗套管射孔后的各項指標(biāo)檢測結(jié)果見表3。試驗數(shù)據(jù)表明，試驗的5種鋼級套管的射孔性能完全符合SY/T 6491—2011《油層套管模擬井射孔試驗與評價》的規(guī)定。射孔彈爆炸產(chǎn)生巨大的壓力，雖然其能量絕大部分形成聚能射流撞擊套管壁起到射孔作用，但仍有相當(dāng)?shù)哪芰恳詻_擊波的形式作用于套管，使套管周向管壁發(fā)生整體膨脹，膨脹過大會導(dǎo)致射孔套管外水泥環(huán)脹裂，甚至沿孔眼附近產(chǎn)生過量變形，致使射孔開裂[8-9]。

表4[10]為石油工業(yè)油氣田射孔器材質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心對國內(nèi)、外其他套管產(chǎn)品進行射孔試驗所得的試驗數(shù)據(jù)。從表3和表4可以看出，試驗采用的SEW油層套管的射孔性能優(yōu)于國內(nèi)、外其他套管產(chǎn)品。國內(nèi)、外其他廠家生產(chǎn)的J55套管的最大外徑脹大幾乎都在5 mm以上，寶雞鋼管公司生產(chǎn)的SEW油層套管的最大外徑脹大都在5 mm以內(nèi)，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。主要由于SEW油層套管的屈服強度都在標(biāo)準(zhǔn)要求值的中上線，具有較高的屈服強度，保證射孔后套管有較低的最大外徑脹大量；沖擊韌性遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求，除SEW J55套管的全尺寸沖擊值在60 J以上，其他4種鋼級的SEW套管沖擊值都在100 J以上，具有高的沖擊韌性，保證射孔時沒有出現(xiàn)射孔裂紋。

套管射孔性能是反映套管質(zhì)量的一項重要性能指標(biāo)[11]。如果套管射孔作業(yè)時產(chǎn)生射孔開裂，勢必就會降低套管整體的抗外壓擠毀性能，從而縮短油井的壽命。一旦射孔開裂產(chǎn)生的裂縫過大，還會造成油氣串層，影響油氣的開采；套管射孔后外徑脹大量過大，則會對固井的質(zhì)量產(chǎn)生不利影響；套管射孔后孔眼內(nèi)毛刺高度過高，則

會妨礙采油分隔器及相關(guān)工具的下井。試驗采用的SEW套管射孔形貌如圖3所示，國內(nèi)某無縫套管射孔開裂的照片如圖4所示。

表3 試驗用SEW套管在模擬井條件下射孔試驗檢測結(jié)果

表4 國內(nèi)、外著名套管廠的套管在模擬井射孔試驗結(jié)果

圖3 SEW套管射孔實物照片

圖4 國內(nèi)某無縫套管射孔開裂照片

套管射孔裂紋形成機理的研究[12]表明，若使套管具有抗射孔開裂性能，套管就得具備較高的沖擊韌性、良好的屈服強度及細(xì)小均勻的晶粒。文中大量套管射孔性能與材料的力學(xué)性能和組織之間關(guān)系的統(tǒng)計分析結(jié)果表明，5種SEW套管具備了保證套管射孔性能（不產(chǎn)生裂紋）的各種力學(xué)性能和組織[13]。寶雞鋼管公司生產(chǎn)的5種鋼級SEW油層套管采用TMCP工藝熱軋卷板為原料，確保了石油管材的內(nèi)在質(zhì)量，組織均勻，晶粒細(xì)小，力學(xué)性能優(yōu)良，裂孔率為0%，最大裂紋長度為0 mm。

4 結(jié) 論

（1） 本 研 究 采 用 SEW J55、 N80Q、 P110、BSG－80TT及BSG－110TT五種鋼級套管的射孔性能完全滿足中石油天然氣集團公司行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（2）SEW 套管產(chǎn)品與國內(nèi)、外無縫管廠家生產(chǎn)的套管產(chǎn)品射孔試驗結(jié)果相比較，裂孔率為0%，裂紋長度為0 mm。射孔后外徑最大脹大量總體偏小，說明SEW套管的射孔性能優(yōu)良，可以滿足油田現(xiàn)場的使用要求。

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Perforation Test of SEW Oil Casing Under Simulated Well Conditions

LI Zhoubo1,2
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008， Shaanxi， China；2.Steel Pipe Research Institute,Baoji Petroleum Steel Pipe Co.， Ltd.， Baoji 721008， Shaanxi， China）

In order to judge the perforation performance of oil casing intuitively，the SEW（hot stretch-reducing electric welding）casing pipe was tested under simulated well conditions in oilfield perforators inspection center.The test results showed that J55，N80Q，P110，BSG-80TT and BSG-110TT，5 kinds of steel grade SEW oil casing，its perforating performance was fully in accordance with the industry standard of China National Petroleum Corporation.The percentage of fractured hole was 0%，the crack length was 0 mm，and the outer diameter expansion was small after perforation，which was better than the perforation performance of the other casing plants in domestic and abroad.

SEW casing pipe； simulated well； perforating test； body-free perforator

TE925

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.10.003

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃項目“110 ksi鋼級SEW高抗擠套管開發(fā)”（項目號2016KTCQ01-106）。

李周波（1981—），男，工程師，主要從事焊接技術(shù)及油井管新產(chǎn)品開發(fā)工作。

2017－07－28

羅 剛