測試聯(lián)作用施工消除水錘的一種方法

鮑士偉(中石化華北石油工程有限公司測井分公司，河南 鄭州 450000)

1 測試聯(lián)作水錘產(chǎn)生的原因和危害

油管傳輸射孔與地層測試聯(lián)合作業(yè)技術(shù)簡稱為測試聯(lián)作。其最大的特點是能夠在負壓條件下射孔后，立即進行測試，因而能夠提供最真實的底層評價機會。因此，測試聯(lián)作施工多用于重點勘探開發(fā)井。然而在以往的施工過程中，出現(xiàn)過射孔槍在下放管柱的過程中，提前起爆的事故，事故帶來的影響是非常嚴重的。進過的事故分析中，射孔槍提前起爆的原因是在管柱下放的過程中，作業(yè)車操作工操作失誤下放油管時候墩鉆。在整個測試管柱串中，射孔槍起爆器上方有6根油管內(nèi)部充滿壓井液，該壓井液直接作用在起爆器上方，隨管柱起爆器整體下行[1]。在產(chǎn)生嚴重墩鉆時，這6根緩沖油管內(nèi)的液柱體會產(chǎn)生強大的水錘，撞擊起爆器，從而導(dǎo)致起爆器起爆。其后的改進措施只是規(guī)范操作避免墩鉆，并沒有在技術(shù)層面上徹底消除隱患。

為了應(yīng)對和防止起爆器提前起爆，所采取的措施是在計算好的基礎(chǔ)上，給起爆器在增加一個剪切銷釘提高起爆器的抗壓能力，同時在施工前的三方對接會上對操作流程提出具體要求。這些措施有效地提高了起爆器的安全環(huán)境。失誤可以降低但卻不能避免，墩鉆的風(fēng)險依然存在，只要墩鉆就會產(chǎn)生巨大的水錘。所以防止射孔槍提前起爆的根本方法是抗擊水錘[2]。

2 水錘產(chǎn)生的具體原因分析

2.1 管柱結(jié)構(gòu)

作測試聯(lián)作管柱的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，由下到上分別是射孔槍起爆器、6根緩沖油管、密封堵頭、流管、減震器、封隔器。起爆器上方接有6根緩沖油管，6根緩沖油管上部由密封堵頭密封。在密封堵頭中間插入流管，流管上部與旁通相連接，環(huán)空壓井液通過旁通進入流管，從而進入6根緩沖油管內(nèi)部并充滿。測試聯(lián)作管柱圖如圖1所示。

2.2 水錘產(chǎn)生的過程

圖1 測試聯(lián)作管柱圖

通過管柱結(jié)構(gòu)知道，在起爆器下井后，起爆器一直承載著環(huán)空壓井液的壓力。環(huán)空壓井液通過流管進入6根緩沖油管。當(dāng)管柱下方過程中，這6根緩沖油管中的液體是隨著管柱起爆器一起下行的。作業(yè)車操作工拉緊剎車減緩下方速度的時候，整個管柱下放速度就會變慢。負責(zé)給起爆器上方6根緩沖油管內(nèi)液體減速的，就是下面的起爆器。這時候起爆器不僅要承載環(huán)空液面的靜壓力，還要承載給6根緩沖油管內(nèi)的動液面減速的壓力。這種減速效果就是一種水錘。

2.3 造成起爆器提前起爆的綜合因素

射孔槍提前的起爆綜合因素有兩個，分別是井內(nèi)靜液面的壓力和水錘壓力。起爆器提前起爆是井內(nèi)靜壓力和水錘壓力綜合作用的結(jié)果。當(dāng)射孔槍下行接近目的層時候，起爆器承載的壓井液的靜壓力接近最大。這時候起爆器的承壓達到最大，在此時如果蹲鉆產(chǎn)生水錘就會把起爆器砸響。用具體事例作為分析，當(dāng)一個射孔層位3 000 m的井內(nèi)進行測試聯(lián)作施工，起爆器的設(shè)置耐壓值應(yīng)該是43 MPa，當(dāng)起爆器到達目的層后會承載壓井液的壓力30 MPa。此時井口泵車再加壓13 MPa，作用在起爆器的壓力就會達到43 MPa，從而點響起爆器點響射孔槍。所以，射孔槍提前起爆一定是在起爆器快要到達目的層時候蹲鉆造成的。這時候起爆器承壓達到最大，所剩的安全壓力值已經(jīng)很小，這時候的起爆器是最脆弱。只要蹲鉆產(chǎn)生水錘，就一定會能夠把起爆器砸響。

3 抗水錘裝置的研制和機理

本裝置主要分為防砂束流管、上部本體和下部本體三個大的組件。其中防砂束流管技能起到防砂作用。當(dāng)通道被打開后，還能起到束流的作用，壓井液下行過程中通過小眼進入下部空間，下行到下部空間后細流變大流，這樣等同于降低了水流的流水。在通道打開后，水流下行到充滿空間的過程不會產(chǎn)生二次水錘。

活塞組件位于下部本體，活塞的承壓面積等同于壓力起爆器的活塞承壓面積，保證相同的壓力會產(chǎn)生相同的下行力，這樣就可以使用和起爆器相同規(guī)格的剪切銷。一切技術(shù)參數(shù)向壓力起爆器靠攏，降低了研制難度同時，方便了現(xiàn)場操作。銷釘?shù)氖褂煤蛿?shù)量的設(shè)定可以參考壓力起爆器的設(shè)置參數(shù)。

為了方便使用上下本體之間可拆卸，設(shè)計有密封面和密封圈，保證本體內(nèi)部環(huán)境密封。

研制一款抗水錘裝置，放置于起爆器上方。該裝置由活塞、本體、剪切銷、束流管等組成。它的耐壓值大于起爆器的耐壓峰值。同時放置于起爆器上方隔絕壓井液，使射孔槍起爆器不承壓。在具體施工過程中，一旦產(chǎn)生蹲鉆，當(dāng)產(chǎn)生的水錘足夠巨大時候就會首先作用于抗水錘裝置活塞上，固定抗水錘裝置活塞的剪切銷釘被剪切掉。在剪切銷釘?shù)倪^程中，會消耗掉水錘的巨大能量，消除水錘的威力。然后壓井液下行通過束流管讓大水流變成細水流，緩慢的作用在起爆器上。從而起到消除水錘保護起爆器的作用。

抗水錘裝置為測試聯(lián)作施工提供一次保護機會，它的設(shè)計目的是在作業(yè)隊操作天車產(chǎn)生墩鉆的時候，水錘首先會作用在抗水錘裝置的活塞上面，該活塞由剪切銷釘固定，設(shè)計壓力為井內(nèi)靜液面壓力再加上10 MPa。當(dāng)水錘作用在活塞上面后剪短銷釘推動活塞下行的過程中，會消耗掉水錘的巨大能量使其不在具有威脅，從而保護下部起爆器。在抗水錘裝置活塞被推開通道被打開后，水流同速流管下行，細流變粗流，起到減緩液柱流速的作用，在壓井液充滿下部空間的過程中不會產(chǎn)生二次水錘?？顾N裝置結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 抗水錘裝置結(jié)構(gòu)圖

4 抗水錘裝置的使用方法

該裝置是一次性使用，內(nèi)部所有組件都不可以重復(fù)利用，目的是為了保證該裝置的可靠性。需要正常起爆射孔槍時，能夠順利地剪切該裝置，打開水流通道。

該裝置在使用前，需要根據(jù)井深，壓井液密度設(shè)定銷釘個數(shù)。銷釘個數(shù)的計算方法等同于壓力起爆器的計算方法。耐壓指標(biāo)可以設(shè)定和起爆器相等?；蛘叽笥谄鸨髂蛪褐笜?biāo)3 MPa，不可設(shè)置過大以免影響正常起爆[3]。該裝置放置于起爆器上方距離不易超過0.5 m。因為在水錘打通流體通道后，壓井液會通過裝置通道流向下部起爆器。過短的距離會縮短壓井液充滿下部空間的時間。同時也可以減少關(guān)注內(nèi)部空氣量，從而保證在接下來的起爆過程中，能夠減少壓縮空氣的影響。

在整個使用的過程中，如果未產(chǎn)生危害水錘，那么在需要正常起爆時，只需要在井口通過泵車加壓也能打開抗水錘裝置的流體通道，從而將壓力作用在起爆器上，正常起爆射孔槍。

5 結(jié)論

在現(xiàn)實的測試聯(lián)作施工生產(chǎn)中，為了證明射孔槍提前起爆是由墩鉆產(chǎn)生的水錘造成的，我們曾經(jīng)通過計算證明過。證明主要運用動量和沖量的關(guān)系來計算，沖量I=ΔP(動量)，推導(dǎo)出以多少的速度墩鉆能讓下部水錘砸響起爆器。首先我們設(shè)定在墩鉆的作用時間t等于鐵錘砸鐵餅的時間0.01 s。壓力起爆器的活塞作用面積半徑r=0.015 m。起爆器的安全壓力為10 MPa。通過計算最后我們得出的墩鉆速度2.2 m/s就可以將壓力起爆器砸響。

所以在現(xiàn)實的施工中水錘對射孔槍的危害是非常大的，緊靠規(guī)范操作程序來預(yù)防射孔槍提前起爆是不夠的，必須在技術(shù)層面上找到徹底解決的方法。論文中提出的抗水錘裝置則是在技術(shù)層面上解決了這一問題，徹底改變測試聯(lián)作施工的現(xiàn)狀，在現(xiàn)實施工中將會極大的提高射孔槍在井下的安全性。