多重疊套管射孔性能試驗與現場應用

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(1.中國石油集團 測井有限公司西南分公司，重慶 400021；2.塔里木油田分公司，新疆 庫爾勒 841000)①

國內各大油氣田鉆井設計的套管井一般包含導管、表層套管、技術套管和生產套管。在淺層油氣鉆井至少設計二開，下入至少2層套管；而高風險井、高含硫井、超深井的鉆井設計則需設計四開到五開，便于油氣井鉆進，需要下入4～5層套管。套管下入或懸掛在外層大套管上或直接返回到井口。在遇到高壓地層、蠕變地層、斷層等[1]，需要多層套管隔離封堵之外，鉆探超深油氣井的淺層部分儲層也會被2～3層套管同時隔離[2-3]，尤其在氣井，需要通過高抗壓生產套管保證油氣井生產時井口的安全。

部分含水氣層的油氣井在生產開發(fā)過程中會產出地層水，而這部分水不能直接排到地面，污染環(huán)境，需要對這部分水進行油氣井回注，而回注的地層一般滲透率高，且符合環(huán)保要求，這些地層多數在多層套管隔離段內。還有一種情況，油氣田開發(fā)前期，沒有全面考慮物性較差儲層的產能，需懸掛回接多層套管封堵。

無論是氣田水回注還是物性差儲層挖潛，對這些多層套管固封的儲層重新利用開發(fā)，首先需要解決地層與井筒之間的通道難題，這種情況下聚能射孔[4]成為首選工藝。常規(guī)射孔作業(yè)幾乎都是針對單層套管射孔，而多層套管會對射孔彈在套管上孔徑、地層穿深等性能產生很大影響，需要對多層套管射孔進行技術研究。

1 技術分析

射孔對象為固井作業(yè)后多層套管與地層，不但套管層數多、壁厚大，而且每層都進行了固井作業(yè)，有些油氣井為2層套管，有些油氣井為3層套管，甚至4層套管。例如139.7 mm(5英寸)外層套管回接114.3 mm(4英寸)內層套管、177.8 mm(7英寸)外層套管回接127.0 mm(5英寸)內層套管、346.0 mm (13英寸)外層套管重疊244.5 mm(9英寸)中間套管再回接177.8 mm(7英寸)內層套管等。這些多層套管油氣井重新挖潛或注水開發(fā)利用，首先需要解決井筒和地層之間建立流體流動通道，最常用的建立通道技術是聚能射孔，內層套管小會限制了下入聚能射孔器尺寸，也就限制了聚能射孔器的套管穿孔性能，無論是常規(guī)聚能射孔彈技術還是先鋒射孔彈技術，聚能射孔彈打穿多層套管過程中，每層套管穿孔過程都需要消耗大量能量，射孔射流的拉伸作用使得內層套管孔徑能夠達標，而外層套管孔徑會逐漸變小，在地層上建立的孔道和穿深都變小。多層套管射孔作業(yè)后，因外層套管孔徑小，套管孔眼附近流體注入或產出摩阻變大，地層破裂壓力升高。為了更好地溝通地層，需要采取酸化、氣體壓裂等措施對地層進行改造作業(yè)，使地層具備更好的流通通道。

2 工藝技術研究與功能試驗

油氣井多層套管射孔主要采用聚能射孔技術，利用聚能射孔彈瞬間形成的高溫、高壓、高速金屬射流射穿套管、水泥環(huán)和地層，建立井筒與地層通道。對于多層套管射孔，開展了地面多層套管模擬穿孔試驗研究，包括常規(guī)聚能射孔彈技術、先鋒射孔彈技術進行打靶檢測。模擬套管與油氣井同等鋼級、壁厚相同，槍管與套管間隙相同，套管與套管間隙相同，套管間充填水泥模塊，地層應用API RP 19B標準水泥柱狀靶。

2.1 工藝技術研究

針對要在油氣井多層套管內形成孔道并溝通地層，聚能射孔為首選工藝技術，而深穿透射孔最優(yōu)，它利用射孔彈瞬間形成的高溫、高壓、高速金屬射流穿透多層套管，但射孔彈的射流是有限的，隨著套管離射孔器距離增加，套管上形成的孔徑將會變小，在地層上形成的孔道變短。對此，優(yōu)先選擇穿深技術最好的先鋒射孔彈技術。

除此之外，穿透套管并在地層形成孔道，為了獲取更好地溝通地層，獲取良好的地層滲透性，具備氣體壓裂的StimGun射孔[5]為另一種選擇，其可以更好地突破地層污染帶，更好地溝通地層天然裂縫，也可以降低后續(xù)儲層改造的破裂壓力。

現階段，還有一種磨料射流高壓水力噴砂射孔方式[6]，借助攜砂高壓水射流打磨套管的方式對套管進行穿孔作業(yè)，建立井筒與套管之間的通道，該方式可一次性形成4～6孔道。有限的孔道，會影響多層大套管的噴砂射孔效果。該方式在多層復合套管射孔中應用的很少，在單層套管射孔中用的較多。

2.2 工藝試驗方案

利用完整的套管進行模擬打靶測試[7]，中間填充水泥模塊，建立的模型技術參數與井下施工作業(yè)接近(溫度、壓力除外)，該方案是一種臥式打靶測試方案。另一種是將套管進行切割成塊狀，然后按照井下技術參數，建立豎立式打靶測試方案。2種工藝試驗方案均能夠獲取可靠的打靶測試數據，但豎立式打靶測試方案更方便操作。如圖1～2。

圖1 臥式打靶方案

圖2 立式打靶方案

2.3 功能試驗

應用常規(guī)射孔彈技術對177.8 mm(7英寸)內層套管和244.5 mm(9英寸)外層套管進行雙層套管打靶測試。3發(fā)射孔彈DP43RDX45-1(大1 m彈)，炸高20 mm ，槍套間隙21.5 mm，槍套間介質為水，套管間水泥環(huán)厚度21.4 mm ，應用鋼級P110鋼材作為模擬177.8 mm套管壁厚10 mm、 模擬244.5 mm套管壁厚12 mm，API RP 19B 柱靶110 mm×1 000 mm。

DP43RDX45-1打雙層套管打靶檢測結果，柱靶穿深627 mm，177.8 mm(7英寸)套管孔徑?12.7 mm，244.5 mm(9英寸)套管孔徑10.2 mm。如圖3。

圖3 大1 m彈打雙層套管示意

應用先鋒射孔彈技術[8]對177.8 mm(7英寸)內層套管、244.5 mm(9英寸)中層套管和346.0 mm(13英寸)外層套管進行3層套管打靶測試。2發(fā)射孔彈SDP44HMX45-2，炸高25 mm ，槍套間隙13 mm ，槍套間介質為水，中間套管間水泥環(huán)厚度21 mm ，外層套管間水泥環(huán)厚度35 mm；應用鋼級BG140的 177.8 mm套管壁厚12.65 mm、鋼級BG140的244.5 mm套管壁厚11.99 mm，鋼級BG140的 346.0 mm套管壁厚15.88 mm ，API RP 19B 柱靶110 mm×1 000 mm。

SDP44HMX45-2打3層套管打靶檢測結果，柱靶穿深975 mm，177.8 mm套管孔徑12.5 mm，244.5 mm套管孔徑8.0 mm，346.0 mm套管孔徑7 mm。如圖4。

圖4 先鋒射孔彈SDP44HMX45-2打3層套管示意

應用先鋒射孔彈技術對127.0 mm(5英寸)內層套管、177.8 mm(7英寸)中層套管、244.5 mm(9英寸)套管進行3層套管打靶測試，3發(fā)射孔彈SDP39HMX25-2，127.0 mm套管厚度9.19 mm(P140鋼級)，177.8 mm套管厚度12.65 mm(P140鋼級)，244.5 mm套管厚度11.99 mm(P140鋼級)，炸高12 mm，間隙內填充水泥塊。

SDP39HMX25-2打3層套管打靶檢測結果，柱靶穿深713 mm，127.0 mm套管孔徑10.5 mm，177.8 mm套管孔徑7.4 mm，244.5 mm套管孔徑5.9 mm。如圖5。

圖5 先鋒射孔彈SDP39HMX25-2打3層套管示意

應用先鋒射孔彈技術進行2層、3層套管、多層套管穿透，都能夠成功，并在水泥靶上留下較好的孔道深度，為后續(xù)現場應用打下扎實基礎。

3 現場應用及效果

目前，在塔里木油田等應用聚能射孔技術成功完成了不同規(guī)格類型套管的2層、3層套管射孔作業(yè)近10口井，包括新開發(fā)油田的氣田水回注、老井挖潛等，例如127.0 mm(5英寸)、177.8 mm(7英寸)雙層套管的LN2-S22-19H、KE8010、KE402等井，應用73型射孔槍配SDP33HMX18-1先鋒彈結合StimGun射孔作業(yè)；在237.05 mm(10英寸)、365.15 mm(14英寸)套管的KS2-2-9、KS209井，應用127型射孔槍配DP43HMX45-1射孔彈作業(yè)；在177.8 mm(7英寸)、244.5 mm(9英寸)、346.0 mm(13英寸)3層套管的KS601井，應用127型射孔槍配SDP44HMX45-2先鋒射孔彈作業(yè)；在114.3 mm(4英寸)、139.7 mm(5英寸)套管的LT1井，應用73型射孔槍配SDP33HMX18-1先鋒射孔彈作業(yè)；在101.6 mm(4英寸)、139.7 mm(5英寸)套管的WB13-5井，由于101.6 mm套管變形嚴重，射孔器材通過性變小，結合安全與穿孔性能，應用51型射孔槍配SDP26HMX7-1先鋒射孔彈作業(yè)等。

KS601井作為塔里木油田克深氣田水回注工程建設的一口井，開發(fā)利用177.8 mm(7英寸)、244.5 mm(9英寸)、346.0 mm(13英寸)3層套管固井作業(yè)后，有效層進行氣田水回注。油田公司進行實物打靶試驗，獲取了與KS601井井下3層套管固井相同的穿孔性能數據?，F場施工應用電纜輸送射孔和鉆桿傳輸射孔兩項工藝，電纜射孔后井口施加壓力27 MPa試擠作業(yè)，地層進液1 m3以上，證明先鋒射孔彈射穿了3層套管，之后繼續(xù)進行鉆桿傳輸射孔作業(yè)。經過酸化解堵后，KS601井日注水量270 m3，注水壓力34 MPa，注水能力滿足克深氣田當天產出氣田水全部回注需求。

4 結論

分析了多層套管射孔存在的技術難點，形成匹配穿透多層套管的工藝技術，展開了多層套管射孔地面功能試驗，取得了科學的技術數據。多層套管射孔工藝技術投入現場應用，應用不同的射孔工藝和射孔器完成了2層、3層套管的油氣井射孔作業(yè)，取得了顯著的射孔應用效果。

由于多層套管的存在，遠離射孔器的套管在射孔過程中形成的套管孔徑偏小，會影響到后續(xù)的流體注入和產出，建議加大力度對多層套管的等孔徑技術研究與應用，為多層套管的開發(fā)提供技術支持。