動態(tài)負壓射孔作業(yè)卡槍案例分析

黃益疆 （中石油西部鉆探新疆油田生產(chǎn)協(xié)調(diào)部，新疆 克拉瑪依834000）

肖勝彪 （中石油西部鉆探測井公司，新疆 克拉瑪依834000）

常規(guī)射孔技術(shù)是通過聚能射孔彈爆轟形成的高速金屬射流撞擊巖層，使其在巖層內(nèi)形成射孔孔道，而部分射孔孔道會被粉碎的巖屑和射孔后殘余物堵塞，且在孔道周圍巖層產(chǎn)生壓實帶，導(dǎo)致儲層孔隙度、滲透率明顯下降，僅為原來的21.90%～28.02%。為減小射孔作業(yè)后對儲層的污染，解決射孔時對近井帶地層的壓實傷害，提高射孔后射孔孔道的滲透率，最終達到提高油氣井產(chǎn)出和注入量的目的［1］，提出了動態(tài)負壓射孔技術(shù)。其從理論上認為，由于射孔過程中存在負壓差，使得在射孔的瞬間地層流體產(chǎn)生負壓沖擊回流，動態(tài)負壓射孔技術(shù)能沖洗孔眼附近的地層和孔眼內(nèi)的爆炸殘余物，從而能夠暢通油流通道，提高油氣井的產(chǎn)能［2］。國內(nèi)外許多現(xiàn)場實踐和室內(nèi)試驗也已證實，負壓射孔是降低射孔損害、減少孔眼堵塞、提高油氣產(chǎn)能的有效射孔方法之一。該技術(shù)在新疆油田得到了很好的應(yīng)用。

1 動態(tài)負壓射孔工藝技術(shù)原理

負壓射孔技術(shù)是被最廣泛接受優(yōu)化射孔完井工藝。該方法是在射孔前減少井筒內(nèi)部分液體來實現(xiàn)井筒內(nèi)的壓力低于地層壓力，形成壓力差，射孔后依靠負壓沖擊回流來清洗孔道和避免井筒的液體進入地層，從而達到提高射孔孔眼流動效率和有效保護油氣層的目的。負壓射孔技術(shù)在各大油氣田的勘探開發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用，并取得了較好的效果，為了確保射孔后的負壓效果，就需要在井筒內(nèi)外有足夠大的負壓差。但隨著各大油氣田不斷加大對低滲透油層開發(fā)力度，在一些客觀情況下負壓理想值無法達到。同時，為了保證施工的安全，井筒內(nèi)射孔器周圍需要一定的壓力 （即一定高度的液柱壓力保證），在一定程度上影響了負壓值的確定和負壓射孔效果評價。

動態(tài)負壓射孔技術(shù)是在負壓射孔技術(shù)基礎(chǔ)上研究出的一種新的負壓完井射孔工藝技術(shù)，該技術(shù)是在一定較低負壓甚至正壓的條件下產(chǎn)生的動態(tài)負壓，在射孔瞬間清理孔道內(nèi)的爆炸殘余物及碎屑顆粒，從而有效降低射孔壓實帶滲透率的損害。其原理在射孔槍身器材上部或下部連接一特殊結(jié)構(gòu)的快速降壓機構(gòu) （負壓槍），該機構(gòu)是在射孔后瞬間打開，能夠?qū)崿F(xiàn)吸收井筒內(nèi)的殘余爆炸能量及液柱壓力，使得井筒壓力能夠瞬間下降產(chǎn)生動態(tài)負壓效果。其中，快速降壓機構(gòu)是射孔后有效控制井筒瞬時壓力的核心工具，該機構(gòu)由快速開孔器及降壓裝置組成?？焖匍_孔器的功能是通過快速開孔，建立井筒內(nèi)環(huán)空與降壓裝置之間的通道；降壓裝置的功能是吸收井筒液體，降壓井筒瞬時壓力。

2 卡槍案例分析

動態(tài)負壓射孔技術(shù)已在新疆油田西北緣五2東區(qū)、八區(qū)、準東阜東A井和腹部石南B井區(qū)等3個油區(qū)12口井試用，有10口井成功取得了動態(tài)P－T壓力變化曲線。如新疆油田阜東A井區(qū)在侏羅系頭屯河組2口井進行動態(tài)負壓射孔試油作業(yè)獲得了日產(chǎn)4.4t工業(yè)油流。但在施工過程中仍存在較多的困難，下面就卡搶案例進行分析。

2.1 施工經(jīng)過

2012年12月月初由西部鉆探測井射孔分公司擔負八區(qū)X井動態(tài)負壓射孔作業(yè)。射孔設(shè)計采用DTFY89－20－60動態(tài)負壓射孔器；射孔彈為YD89型，彈架為螺旋布孔，孔密為16孔／m；射孔井段分別為 2906.0～2900.0m，2898.0～2896.0m，2888.0～2882.0m，2880.0～2878.0m，2876.0～2870.0m；射厚合計22m，跨度達到36m。射孔隊到達施工現(xiàn)場與修井隊核實設(shè)計確認后，裝配好射孔槍在上、下部各聯(lián)接2根共8m負壓槍，上、下部總共聯(lián)接16m。射孔裝配圖如圖1所示。

圖1 八區(qū)X井TCP動態(tài)負壓射孔全套管柱結(jié)構(gòu)示意圖

經(jīng)短節(jié)校深后，現(xiàn)場操作人員核對發(fā)現(xiàn)該井井深不夠施工條件，與修井隊負責人協(xié)商于次日提出槍身，并逐一檢查射孔器件完好。經(jīng)溝通同意去除槍身下部2根共計為8m負壓槍，再次下管柱至層位經(jīng)短節(jié)校深無誤，“三對口”同意投棒起爆，雙方核實起爆成功。

次日早晨，修井隊提油管時提不動，最高噸位提至45t，活動解卡多次無效，判斷有可能射孔后射孔槍掛卡套管壁。因新疆北疆地區(qū)12月份進入冬季氣候寒冷，平均溫度零下35°以下不適合野外施工作業(yè)，通過與油田公司協(xié)商同意，次年3月中旬安排負荷80t大修井機上修，經(jīng)過多次提下活動油管管柱無效未實現(xiàn)解卡，從55t提至62t（油管絲扣抗拉強度64.5t）活動油管管柱解卡無效。

2.2 卡槍主要原因分析

1）射孔器材的原因 主要有射孔槍槍體耐壓強度不夠；槍身與接頭的密封存在問題，造成槍身內(nèi)部滲水；導(dǎo)爆索質(zhì)量問題造成的斷爆或爆燃，引起槍身鼓包或變形等。類似于俗稱的 “油管錨”卡在套管內(nèi)壁。射孔作業(yè)時，確實可能出現(xiàn)因各種原因引發(fā)的射孔槍脹形，導(dǎo)致井下遇卡的事故，但從多年類似遇卡的處理結(jié)果來看，射孔槍脹形后，一般都是在槍身弱點處 （絲扣尾端）形成喇叭口，喇叭口下部槍身落井，上部射孔槍易遇卡，由于卡點較少與套管接觸面積小，故解卡使用的拉力一般不會太大。

如2011年在新疆油田莫B井區(qū)Y井射孔提出射孔槍時，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)在槍身絲扣尾端形成122mm的喇叭口，而套管內(nèi)徑為120mm，提槍身時會出現(xiàn)脹形遇卡情況，但修井隊作業(yè)人員提射孔槍時基本沒有遇卡的感覺。從近10年處理的多起射孔槍脹形遇卡事故來看，電纜傳輸后射孔槍脹形遇卡，大多數(shù)井就可以用電纜直接提出，拉力一般都在電纜自重基礎(chǔ)上提高700kg到2t之間 （射孔單芯電纜安全額定拉力4t）；電纜提不出來的井，從弱點拉掉后用油管打撈均可解卡提出。

射孔器材的采購都要經(jīng)過嚴格的檢測達到標準后才能使用到現(xiàn)場施工中，現(xiàn)場施工的操作人員嚴格按照操作規(guī)范操作，對入井射孔器材進行細致的檢查方可入井，并從修井處理過程上看，油管已提至62t還未解卡。從以上分析可知，該井射孔槍脹形遇卡發(fā)生的可能性較小。

2）井筒內(nèi)部條件問題 如井筒內(nèi)本身的液柱太低，或者井筒井漏造成液柱降低，不能很好保護槍身，從而造成炸槍事故的發(fā)生；再者就是井筒內(nèi)本身存在不規(guī)則情況，如套管變形、縮徑等，正常射孔后上提槍身時，容易造成卡槍。

如2005年在新疆油田南緣霍Z井油管傳輸射孔后遇卡，大修車負荷增加20余噸才提出，提出后的射孔器均正常發(fā)射，外徑尺寸正常，但射孔槍呈S型，后經(jīng)測井驗證，證實該井井下套管縮徑變形導(dǎo)致卡槍。后期分析霍Z井在完井電測時多次遇阻，遇阻井段為3087.00～3096.00m在射孔目的層上，在8次通井后 （3次下入NBR800擴眼工具），8次才完成了電測作業(yè)。主要原因是E1－2Z上部泥巖及石膏質(zhì)泥巖在地質(zhì)力作用下蠕變。在鉆進起下鉆中阻卡蹩泵不斷，當時鉆井液密度2.35g／cm3，因3194m后出現(xiàn)高壓水層，鉆井液密度加到2.40～2.45g／cm3，但上部泥巖阻卡，隨時間延長逐漸變小，由于蹩泵頻繁，一直按大肚子、糖葫蘆井眼處理，直到電測井徑出來才發(fā)現(xiàn)上部有3個井段小井眼，而且縮徑速率十分快，第3次電測發(fā)現(xiàn)小井徑，經(jīng)反復(fù)劃眼后，第4次電測仍然是小井徑。影響完井的固井質(zhì)量，從固井聲幅圖分析，目的層固井質(zhì)量中差。加之該井構(gòu)造縱向上變化較大，地層最小傾角為3～8°，地層最大傾角為45～60°?？傮w上，構(gòu)造角度呈向下變緩趨勢。安集海河組傾角結(jié)果指示地層存在明顯的褶皺和斷裂特征；紫泥泉子組構(gòu)造角／傾向一致性好，地層以偏北傾為主，增大了地層的剪切力。射孔后加劇油管套管變形。

霍Z井采用動態(tài)負壓射孔，射孔井段厚度長為22m，跨度長為36m，射孔彈使用量多，共計335發(fā)，射孔彈數(shù)量較多，射孔時對井筒的沖擊較大；另外，從處理過程中從鉆井、固井施工過程中反饋信息來看，該井在射孔井段 （2870～2906m）鉆井進行了取心作業(yè)共計11筒，完井時該井段擴井嚴重，因此固井質(zhì)量難以保證。

聲幅測井解釋結(jié)果為目的層和全井段固井質(zhì)量均不合格，從測井聲幅圖 （見圖2）看出2847～2906m井段聲幅解釋為膠結(jié)好的井段，但是聲幅曲線只能評價第1界面 （套管－水泥環(huán)）的水泥膠結(jié)質(zhì)量不能真實評價第2界面 （水泥環(huán)－地層）的水泥膠結(jié)質(zhì)量。射孔段上部水泥膠結(jié)好的井段 （2843～2870m）共計27m，而該井段裸眼井解釋主要為水淹層、水層、油層交織出現(xiàn)，容易是固井形成水泥環(huán)微間隙竄槽等現(xiàn)象。由于射孔井段固井質(zhì)量差，套管外壁形成空洞，特別是井徑擴大率嚴重的鹽巖層，套管處于自由狀態(tài)，隨著時間延長，由于受低礦化度水和注入水的溶蝕和長期浸泡，空洞越來越大，在上覆地層重力的作用下，當射孔后地層易于發(fā)生蠕變、塑性流動、滑移、坍塌，由于套管缺乏管外支撐這樣就增大了對套管的外擠力。而該井采用負壓射孔后瞬間地層流體產(chǎn)生負壓沖擊回流，使井筒內(nèi)、外形成壓力差易于加劇對套管的沖擊。當套管受力達到臨界值時，套管將失去平衡，使套管更容易發(fā)生變形、縮徑、損壞。該井射孔槍身跨度又長更容易形成槍身的硬卡。從以上分析可知，該井套管變形的可能性較大。

3）套管材料對射孔性能的斷裂韌性問題 油層套管的射孔過程可以分成2個不同階段：第1階段是急劇的塑性變形階段；第2階段是擊穿破壞階段。管壁最終擊穿成孔是通過裂紋源的匯集擴展為宏觀裂紋，造成擊穿破壞來實現(xiàn)的.同時在孔的四周形成若干宏觀裂紋.這些裂紋一旦達到臨界長度，即以一定的速度擴展。由于材料的特性不同，這種裂紋擴展所造成的破壞也不同。若材料有較好的韌性，則隨裂紋擴展阻力增加會發(fā)生止裂，所形成的裂紋長度一般較短；若材料韌性較低，則會發(fā)生脆性擴展從而形成較長的裂紋。

由于套管射孔后，孔眼的形狀一般是不規(guī)則的，并在孔眼周圍也可能出現(xiàn)裂紋，隨著地層蠕變效應(yīng)的逐步增大，地層對套管的壓力隨之增大。由于應(yīng)力集中現(xiàn)象的存在，在孔眼或裂紋周圍將出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)，事實上，在套管還未達到整體屈曲或強度破壞之前，在孔眼周圍區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)塑性屈服。隨著塑性屈服區(qū)域的不斷擴大，將使套管在低于設(shè)計值的情況下被整體擠毀。這是射孔設(shè)計方法對于套管材料與射孔性能的斷裂韌性參數(shù)估計不足，易于產(chǎn)生套管損壞。所以動態(tài)負壓射孔時一定優(yōu)化參數(shù)，負壓值過低起不到負壓作用，過大會引起地層出砂或套管損傷現(xiàn)象。因此，需對射孔負壓值進行合理的設(shè)計。

圖2 霍Z井聲幅圖

從上述原因分析和前期現(xiàn)場修井隊處理過程可知，射孔施工后油層套管變形、縮徑等造成X井射孔槍身遇卡。

3 結(jié)論與建議

（1）對于儲層 （包括目的層上下50m）固井質(zhì)量不合格的井、地層壓力大于套管承受力70%的井、地應(yīng)力異常集中的井不宜采用負壓射孔方式。

（2）為了彌補、完善動態(tài)負壓射孔對射孔段套管力學研究方面的不足，為射孔套管承載能力設(shè)計提供規(guī)范，摸清射孔參數(shù)對套管承載能力的影響規(guī)律，以減少油田射孔的盲目性，在滿足油田開發(fā)需要的前提下，充分發(fā)揮射孔套管的承載能力，延長套管的使用壽命，避免射孔段套管的損壞，是今后新的研究課題。

（3）從射孔性能的觀點來考慮，油層套管的重要性能指標是管材抵抗裂紋脆性擴展的能力。為了解決油層套管射孔開裂問題，還需進行大量的試驗研究。這些研究可分為2大方面：一方面是射孔彈及射孔工藝的研究，包括射孔彈藥量、射孔器 （槍）類型、射孔密度及分布、射孔彈與套管距離等，已基本趨于成熟，并已制定出相應(yīng)的標準；另一方面是套管材質(zhì)的研究，包括材料的化學成分、金相組織、殘余應(yīng)力、機械性能以及套管生產(chǎn)過程中的軋制工藝、冷卻條件、熱處理制度等。

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