超高溫超高壓條件下聚能射孔試驗(yàn)裝置研制與應(yīng)用

李東傳,金冶,唐順杰

(1.石油工業(yè)油氣田射孔器材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心,黑龍江大慶163853;2.武漢海王機(jī)電工程技術(shù)公司,湖北武漢430064)

0 引 言

隨著鉆井、完井技術(shù)的發(fā)展,油氣勘探開發(fā)由中深層向超深層不斷延伸,中國(guó)4 500 m以上的深井達(dá)到數(shù)千口,超深井?dāng)?shù)量也在不斷地增加,為了便于施工和射孔器材產(chǎn)品檢驗(yàn),一般將油氣井下溫度壓力劃分為4級(jí):低溫低壓(120 ℃、48 h、60 MPa)、中溫中壓(150 ℃、100 h、90 MPa)、高溫高壓(180 ℃、150 h、120 MPa)、超高溫超高壓(210 ℃、170 h、160 MPa)。

超深井射孔施工對(duì)射孔器材的耐溫耐壓和穿孔性能的要求不斷提高,要求射孔器材檢測(cè)技術(shù)也要相應(yīng)的進(jìn)步。中國(guó)的高溫高壓條件射試驗(yàn)裝置有以下3套,①新疆測(cè)井公司的高溫高壓射孔試驗(yàn)裝置[1],最高試驗(yàn)溫度為200 ℃、最高試驗(yàn)壓力180 MPa(井壓、圍壓和孔隙壓力),彭原平等[2]利用該裝置完成了溫度(25 ℃～100 ℃)對(duì)射孔穿透深度的影響、壓力(0～140 MPa)對(duì)射孔穿透深度的影響研究,但該裝置所提供的溫度指標(biāo)已不能滿足現(xiàn)場(chǎng)需求,且無法進(jìn)行射孔后的流動(dòng)測(cè)試;②中國(guó)石化勝利石油管理局測(cè)井公司的模擬儲(chǔ)層條件下射孔效能試驗(yàn)裝置[3],最高工作溫度260 ℃、最高工作壓力145 MPa,董經(jīng)利等[4-5]利用該裝置完成了常溫常壓(地面條件)—125 ℃、2 h、40 MPa(相關(guān)于3 000 m深地層)—125 ℃、2 h、40 MPa(相關(guān)于4 500 m深地層)對(duì)砂巖靶、灰?guī)r靶射孔試驗(yàn)研究,并給出了影響規(guī)律,但該裝置所提供的壓力指標(biāo)已不能滿足現(xiàn)場(chǎng)需求,且無法進(jìn)行射孔后的流動(dòng)測(cè)試;③四川石油射孔器材有限責(zé)任公司的高溫高壓穿靶試驗(yàn)裝置[6],最高工作溫度210 ℃、最高工作壓力200 MPa(井壓、圍壓—孔隙壓力),李云等[7]利用該裝置完成了常溫常壓—70 MPa—105 MPa—140 MPa條件下對(duì)聚能射孔彈穿孔深度的影響、常溫常壓—140 ℃、72 h、105 MPa—180 ℃、72 h、105 MPa—180 ℃、150 h、105 MPa條件下對(duì)聚能射孔彈穿孔深度的影響,并給出了影響規(guī)律。但該裝置未區(qū)分孔隙壓力和圍壓,且無法進(jìn)行射孔后的流動(dòng)測(cè)試。羅友高等[8]計(jì)算了高溫超高壓條件下的三腔壓力分隔裝置的應(yīng)力及穩(wěn)定性,為模擬井下溫度(≤200 ℃)、三相(圍壓、井壓和孔隙壓力)壓力(≤120 MPa)條件下射孔和流動(dòng)測(cè)試奠定基礎(chǔ)。該設(shè)計(jì)所提供的溫度壓力指標(biāo)已不能滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。

本文針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)用戶需求,并考慮到技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),以額定工作溫度300 ℃、額定工作壓力210 MPa、恒溫恒壓時(shí)間170 h為設(shè)計(jì)目標(biāo),研制超高溫超高壓條件下射孔器射孔試驗(yàn)裝置,為超高溫超高壓條件下射孔器的檢驗(yàn)、評(píng)價(jià)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用服務(wù)。

1 技術(shù)分析

1.1 室內(nèi)模擬裝置工作原理和過程

油氣井現(xiàn)場(chǎng)射孔施工時(shí),將聚能射孔器輸送到油氣井中的目的層位置,其承受井下的高溫、高壓,然后點(diǎn)火射孔。室內(nèi)模擬試驗(yàn)即模擬聚能射孔器在實(shí)際井下所承受的溫度、壓力環(huán)境,然后射孔并進(jìn)行測(cè)試。因此,研制的射孔模擬試驗(yàn)裝置需要能夠模擬溫度壓力條件、射孔靶體等,在裝置中模擬完成井下射孔過程,以獲得最接近井下真實(shí)情況的聚能射孔器的耐溫性能、耐壓性能和穿孔性能。

試驗(yàn)時(shí),利用加溫系統(tǒng)給釜體內(nèi)的井筒、靶體加溫,溫度由井筒傳到內(nèi)部的射孔器上,以模擬射孔器在實(shí)際井下的溫度條件;當(dāng)達(dá)到要求的溫度和恒溫時(shí)間后,通過加壓系統(tǒng)給釜體內(nèi)加模擬上覆地層壓力的圍壓、井筒中加模擬井壓及靶體內(nèi)加模擬孔隙壓力,當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)壓力時(shí)出觸發(fā)壓力起爆裝置點(diǎn)火,聚能射孔彈爆轟形成射流穿透射孔器壁、中接器(模擬套管、水泥環(huán))、進(jìn)入靶體,聚能射孔彈爆轟后炸藥形成的高壓氣體充滿聚能射孔器內(nèi)部空間,形成約30 MPa左右的壓力。

加溫加壓時(shí),釜體承受溫度、內(nèi)部靜壓力的作用,射孔時(shí)聚能射孔彈爆炸形成的沖擊波經(jīng)過射孔器壁、井筒介質(zhì)、井筒壁、釜體介質(zhì)作用到釜體上,此時(shí),釜體承受溫度、靜壓力和瞬態(tài)沖擊力。聚能射孔彈在聚能射孔槍、中接器、靶體上形成孔道后,井壓與孔隙壓力連通,高壓條件下射孔時(shí)流體由靶體、井筒中向壓力相對(duì)低的聚能射孔槍中流動(dòng),形成一個(gè)壓力波動(dòng)(聚能射孔槍內(nèi)部空間較小),隨后,通過調(diào)節(jié)壓力可形成由靶向井筒或由井筒向靶的流動(dòng),以測(cè)試射孔后滲流情況。

1.2 結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)裝置主要由釜體、井筒、靶體、加溫系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)等組(見圖1)。釜體內(nèi)有井筒、中接器和靶體等,井筒內(nèi)裝射孔器,釜體是承載射孔器、靶體及輔助裝置的容器,需要為內(nèi)部提供高溫、高壓環(huán)境,還要承受射孔器射孔時(shí)的爆炸沖擊。因此,釜體的可靠性是整個(gè)裝置的關(guān)鍵,而其他部件可根據(jù)需要設(shè)計(jì)成多次重復(fù)使用的或一次性的。

圖1 釜體結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 釜體主要技術(shù)指標(biāo)

釜體工作腔尺寸:Φ350 mm×2 500 mm;

射孔時(shí)額定工作(圍壓、孔隙壓力和井壓,可獨(dú)立加壓)壓力:210 MPa;

工作溫度:300 ℃;

單次連續(xù)工作時(shí)間不低于:170 h;

試驗(yàn)介質(zhì):純水/導(dǎo)熱油;

射孔時(shí)聚能射孔器單元額定裝藥量:50 g(PYX)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 壓力釜體

壓力釜體是提供溫度壓力環(huán)境并進(jìn)行射孔試驗(yàn)的裝置,是整個(gè)超高溫超高壓條件下的聚能射孔試驗(yàn)裝置的核心。壓力釜體在承受規(guī)定的溫度壓力同時(shí)還要承受聚能射孔彈產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)壓力增量,因此,釜體抗爆炸沖擊能力重點(diǎn)在于確定合適的釜體設(shè)計(jì)壓力,確保該設(shè)計(jì)壓力能夠涵蓋射孔時(shí)的靜態(tài)工作壓力、射孔瞬間產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)壓力增量、安全附件所需預(yù)留的壓力余量3部分壓力分量,從而確保容器安全。裝置特點(diǎn):考慮到了高溫、靜態(tài)壓力條件及聚能射孔彈爆炸沖擊的影響,可滿足300 ℃、210 MPa條件下50 g(PYX)裝藥聚能射孔彈射孔試驗(yàn)的需要。

2.1.1靜態(tài)壓力條件下的釜體設(shè)計(jì)

射孔靜態(tài)工作壓力和安全附件所需預(yù)留壓力余量2部分均有確定數(shù)據(jù),可依據(jù)GB/T 34019—2017《超高壓容器》[9]進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。《超高壓容器》規(guī)定按照拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算圓筒容器爆破壓力時(shí),計(jì)算方案如下。

(1)采用標(biāo)準(zhǔn)中爆破壓力計(jì)算式(1),根據(jù)壁厚h與徑比k的關(guān)系式(2),將之轉(zhuǎn)化為壁厚的計(jì)算式(3)

(1)

(2)

(3)

(2)取爆破安全系數(shù)3,根據(jù)設(shè)計(jì)壓力對(duì)容器的壁厚進(jìn)行估計(jì)

(4)

式中,n為安全系數(shù);pD為設(shè)計(jì)壓力,MPa。根據(jù)設(shè)計(jì)壓力pD1=210 MPa,由公式(4)對(duì)壁厚進(jìn)行計(jì)算為159 mm。根據(jù)式(4)中獲得的預(yù)估厚度,再按圖2所示流程進(jìn)行校核,并優(yōu)化設(shè)計(jì),直到得到最小設(shè)計(jì)厚度。

圖2 塑性垮塌失效評(píng)定步驟

采用這一厚度構(gòu)建有限元模型,施加載荷p=630 MPa,進(jìn)行非線性計(jì)算(見圖3),結(jié)果獲得收斂解,最終厚度為152 mm。

圖3 在計(jì)算載荷p=630 MPa時(shí)應(yīng)力分布云圖

2.1.2動(dòng)態(tài)壓力條件下的釜體壁厚增量設(shè)計(jì)

由于問題涉及到爆炸載荷下結(jié)構(gòu)的響應(yīng),中國(guó)無標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可依。對(duì)于承受爆炸載荷的容器,目前通行的做法是針對(duì)每個(gè)案例采用動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算分析校核。而英國(guó)AWE、美國(guó)ASME等機(jī)構(gòu)推出了關(guān)于承受爆炸載荷的容器設(shè)計(jì)規(guī)范。本文爆炸載荷結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析,主要以ASME code case 2564-2014[10]為依據(jù)。利用預(yù)先給定的容器壁厚(如6、8、12、14 mm系列壁厚)進(jìn)行計(jì)算,若在給定壁厚下計(jì)算結(jié)果能滿足ASME code case 2564-2014對(duì)應(yīng)力應(yīng)變的要求,則認(rèn)為該壁厚滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4給出了壁厚14 mm容器在爆炸載荷單獨(dú)作用下的環(huán)向變形時(shí)程曲線,由于容器環(huán)向變形是主要的,其他方向的變形較環(huán)向變形低1～2個(gè)數(shù)量級(jí),因此,該處以環(huán)向變形作為容器響應(yīng)的判斷依據(jù)。其中圖4中A到F代表爆心環(huán)面從外壁面到內(nèi)壁面每隔1/5厚度所取的測(cè)點(diǎn)位置。爆心環(huán)面的最大瞬時(shí)變形范圍約為0.005%～0.015%,其中最大瞬時(shí)變形發(fā)生在爆心外環(huán)面,約為0.015%,滿足ASME code case 2564—2014規(guī)定的經(jīng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算后結(jié)構(gòu)瞬時(shí)變形不得超過0.2%的條件。故在考慮爆炸載荷單獨(dú)作用時(shí),容器壁厚取14 mm,因而300 ℃、210 MPa對(duì)應(yīng)的壁厚152 mm加上爆炸載荷對(duì)應(yīng)的壁厚14 mm,壓力釜體的設(shè)計(jì)壁厚可取166 mm。

圖4 容器爆心環(huán)面變形(A到F代表從外壁面到內(nèi)壁面每隔1/5壁厚的位置)

2.2 井筒-靶組合裝置

井筒-靶組合裝置主要由井筒、中接器、(砂巖)靶形成的一個(gè)組合體,懸掛在壓力釜體上端蓋下部(見圖1),是超高溫超高壓條件下的聚能射孔試驗(yàn)裝置的另一個(gè)重要組成部分?？煞譃檠b配射孔槍的井筒和中接器—靶,組裝后形成一個(gè)組合裝置。井筒上端安裝在壓力釜體上端蓋下部,下端與中接器相連形成封閉空間,用于模擬射孔槍在井筒中的環(huán)境,射孔槍安放在井筒內(nèi)部限位槽中。射孔槍選用現(xiàn)場(chǎng)使用的射孔器的一個(gè)單元[11],聚能射孔彈射流方向與射孔槍的中心軸重合,可以代替現(xiàn)場(chǎng)使用的該型號(hào)的射孔器的性能。中接器、靶、橡膠套和下端蓋形成另一個(gè)組合體,將靶與外界分開,可以將周圍介質(zhì)壓力通過橡膠套徑向、通過中接器和靶下端蓋軸向傳遞給靶,以模擬圍壓。壓力管線通過下端蓋上的通孔給靶加壓形成孔隙壓力。井筒—中接器—靶及輔助裝置安裝完成后,射孔槍位于井筒中、靶位于橡膠套等形成地封閉空間中,射孔前,分別向井筒中加壓力(模擬井壓)、向橡膠套中加壓力(模擬孔隙壓力)、向裝置周圍加壓力(模擬上覆巖層壓力),模擬射孔器在實(shí)際井下射孔環(huán)境。裝置特點(diǎn):①井筒-靶組合裝置采用懸掛方式固定在壓力釜體上端蓋下方,一方面有利于試驗(yàn)過程中的應(yīng)力釋放,以保護(hù)裝置、保證密封性;另一方面便于操作;②射孔器軸向射孔便于裝配不同尺寸的靶(含防護(hù)靶板)、控制射流方向,防止射流穿透、偏出砂巖靶對(duì)其它部件的破壞;③可以模擬射孔器在實(shí)際井中向油氣層射孔的整個(gè)過程,并可在設(shè)計(jì)壓差下進(jìn)行由靶向井筒或由井筒向靶的流動(dòng)測(cè)試。

2.3 加溫、加壓系統(tǒng)

加溫系統(tǒng)采用在壓力釜體側(cè)面外包裹電熱絲的方式加溫,主要由電加熱絲、外保護(hù)層和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等組成,可自動(dòng)控制加熱溫度和恒溫時(shí)間。裝置特點(diǎn):電加熱速度快、控制方便且無排放。

加壓系統(tǒng)由2套獨(dú)立的加壓裝置組成,主要由加壓泵、高壓管、控制閥、傳感器、泄壓裝置及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等組成,一套加壓裝置提供模擬孔隙壓力3%的NaCl溶液;另一套加壓裝置提供模擬圍壓和井壓的清水或?qū)嵊?提供試驗(yàn)要求的圍壓、井壓和孔隙壓力。裝置特點(diǎn):可模擬實(shí)際井下情況建立3個(gè)壓力,并可在射孔后進(jìn)行由井筒-砂巖靶或砂巖靶-井筒方向的流動(dòng)測(cè)試。

2.4 安全可靠性

超高溫超高壓條件下的聚能射孔試驗(yàn)裝置安全性能高,主要采取了以下幾面方設(shè)計(jì):①壓力釜體的設(shè)計(jì)考慮了高溫、高壓和射孔沖擊3個(gè)方面影響;②射流方向沿整個(gè)裝置軸向進(jìn)行,便于定位和增加靶的長(zhǎng)度,避免傷害其他部件;③加壓系統(tǒng)安裝了爆破片等泄壓裝置;④控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制和手動(dòng)控制2套系統(tǒng),為應(yīng)急處理提供了手段。因此,確保了整套裝置的安全及可靠性。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與應(yīng)用

對(duì)超高溫超高壓條件下的聚能射孔試驗(yàn)裝置進(jìn)行了300 ℃、220 MPa(三相壓力:井壓、孔隙壓力和圍壓)、180 h能力測(cè)試。完成了50 g(PYX)裝藥聚能射孔彈的高溫、高壓條件下壓力起爆射孔試驗(yàn),完成了25 g(HNS)裝藥聚能射孔彈的室溫、標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下[11]和高溫高壓條件下的射孔、流動(dòng)試驗(yàn),高溫高壓導(dǎo)致聚能射孔彈的穿孔深度降低到25.7%(見表1)。在李云等[7]試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,一方面增加了壓力模擬范圍(可對(duì)靶體加載不同的圍壓和孔隙壓力);另一方面提高了溫度、壓力指標(biāo),可以模擬更高的井下溫度、壓力條件下進(jìn)行射孔試驗(yàn),為射孔優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了更準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù),為現(xiàn)場(chǎng)的使用提供了安全和性能保障。

表1 溫度、壓力對(duì)聚能射孔彈穿孔性能的影響

4 結(jié)論與建議

(1)研制了超高溫超高壓射孔試驗(yàn)裝置,額定試驗(yàn)溫度300 ℃、額定試驗(yàn)壓力210 MPa(三相壓力:井壓、孔隙壓力和圍壓)、單次連續(xù)運(yùn)行時(shí)間不低于180 h,為在模擬井下溫度、壓力條件下開展耐高溫耐高壓射孔器的射孔、流動(dòng)試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

(2)50 g(PYX)裝藥的某型聚能射孔彈在210 ℃恒溫48 h、圍壓181 MPa、井壓181 MPa、孔隙壓力181 MPa條件下的穿孔深度為室溫、常壓條件下的穿孔深度降低25.7%,表明隨著溫度、壓力的增加聚能射孔器的穿孔深度大幅度降低,為超高溫深井用聚能射孔器的選擇提供了依據(jù)。

(3)建議對(duì)中國(guó)具有代表性的耐高溫耐高壓射孔器產(chǎn)品進(jìn)行超高溫超高壓條件下的射孔試驗(yàn),在大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上得出規(guī)律性認(rèn)識(shí),一方面為生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品改進(jìn)、油田用戶的使用提供依據(jù);另一方面以此為基礎(chǔ)完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),更好地為油氣井射孔服務(wù)。