一趟管柱分層分時(shí)射孔測(cè)試技術(shù)

董擁軍,隋朝明,高文濤,劉濤,王英杰,周華楠

(中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司天津分公司,天津300280)

0 引 言

射孔完井是獲得油氣藏評(píng)價(jià)的重要手段。普遍采用的作業(yè)方式是單層單試射孔測(cè)試聯(lián)作技術(shù),即一次射開(kāi)1個(gè)層位,試油完成后,起出射孔測(cè)試聯(lián)作管柱再對(duì)下一層進(jìn)行試油,一般采取注灰封堵,施工周期長(zhǎng)、費(fèi)用高。另一種作業(yè)方式是多層射孔測(cè)試聯(lián)作技術(shù),即一趟管柱對(duì)多個(gè)層位進(jìn)行射孔,多層聯(lián)合試油,這種工藝會(huì)造成試油信息的偏差,不能精確評(píng)價(jià)每個(gè)層位。如果采用多個(gè)封隔器卡封分層試油,不同層位間存在層間壓差的干擾問(wèn)題,也曾出現(xiàn)封隔器卡鉆事故,尚處于研究發(fā)展階段[1]。斯倫貝謝公司、巴西石油公司在海洋深水項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中應(yīng)用一趟管柱多層射孔測(cè)試聯(lián)作工藝技術(shù),取得良好效果[2]。

本文在分層測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)上,以精細(xì)試油評(píng)價(jià)為目的,提出了在不動(dòng)管柱、不循環(huán)壓井的條件下,一趟管柱一次完成2個(gè)層位的獨(dú)立射孔、分層測(cè)試,比現(xiàn)有成熟試油工藝技術(shù)更加先進(jìn)。該技術(shù)已經(jīng)在大港油田推廣應(yīng)用20余井次,取得了良好的試油效果,經(jīng)濟(jì)效益顯著。該項(xiàng)技術(shù)是繼國(guó)內(nèi)引進(jìn)油管輸送射孔與測(cè)試聯(lián)作工藝后,首次在分層測(cè)試技術(shù)上的創(chuàng)新。

1 分層分時(shí)射孔測(cè)試?yán)碚?/h2>

一趟管柱分層分時(shí)射孔測(cè)試是一趟管柱將不同層位射孔槍及試油測(cè)試工具組合一次下井,圖1為分層理論管柱方案示意圖。測(cè)試層間用封隔器分隔層位,井下控制層間測(cè)試、產(chǎn)液通道,按照自下至上的順序,分層射孔、獨(dú)立測(cè)試。測(cè)試間隔時(shí)間是第2層射孔槍能否正常起爆射孔、地面能否完成全部測(cè)試流程的關(guān)鍵參數(shù),這個(gè)時(shí)間參數(shù)還與溫度密切相關(guān)。對(duì)于高溫、超高溫井,為了減緩火工品晶間分解速度,有必要減少作業(yè)時(shí)間及火工品井下停留時(shí)間,這也是保證第2層射孔槍正常起爆的一種方法。

圖1 分層理論管柱方案示意圖

第2層射孔槍在長(zhǎng)時(shí)間停留后不僅要正常射孔,還要承擔(dān)與輸送管柱同樣的作用,這就涉及封隔器旋轉(zhuǎn)下壓管柱坐封流程,直接考驗(yàn)第2層射孔槍的安全性,也是保證分層射孔的關(guān)鍵。在不動(dòng)管柱、不循環(huán)壓井的條件下,建立第1層與第2層互不干擾的測(cè)試環(huán)境,這關(guān)系著能否達(dá)到精細(xì)試油的目的,也是一趟管柱分層分時(shí)射孔測(cè)試意義所在。

2 分層射孔測(cè)試管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)

受封隔器坐封、井底溫度、射孔槍停留時(shí)間等因素影響,分層射孔測(cè)試管柱的安全性尤為重要,通過(guò)理論計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析論證。

2.1 起爆方案

封隔器以下第1層射孔槍采用壓力延時(shí)起爆技術(shù),射孔瞬間不附加起爆壓力至目的層,可以保持在靜液柱壓力狀態(tài)下射孔,有利于地層能量恢復(fù)和回吐[3-4]。為了避免井筒環(huán)空壓力對(duì)第2層射孔槍的起爆裝置產(chǎn)生影響,第2層射孔槍采用密閉式投棒起爆技術(shù);為防止管柱沉砂或地層產(chǎn)液攜砂掩埋第2層射孔槍起爆裝置,管柱中設(shè)計(jì)了防沉砂結(jié)構(gòu),有效避免了第2層射孔槍投棒后無(wú)法起爆的問(wèn)題。

2.2 分層方案

一趟管柱分層射孔測(cè)試過(guò)程中兩層產(chǎn)液互不干擾,這是分層精細(xì)試油的關(guān)鍵技術(shù),射孔關(guān)孔裝置實(shí)現(xiàn)了這一作業(yè)目的(見(jiàn)圖2)。該裝置入井時(shí)為?！伴_(kāi)啟”狀態(tài)(裝置下部與井筒連通),封隔器坐封后,第1層產(chǎn)液經(jīng)過(guò)該裝置進(jìn)入封隔器以上環(huán)空空間,經(jīng)過(guò)碎石循環(huán)裝置進(jìn)入油管至地面測(cè)試流程。同樣,此通道也是第1層射孔槍起爆的壓力傳遞通道。第2層起爆裝置會(huì)受井內(nèi)壓力影響,因此,設(shè)計(jì)投棒式解鎖、壓力起爆,在未投棒解鎖的情況下無(wú)法激發(fā)起爆,這樣就保障了第2層射孔槍的安全。當(dāng)?shù)?層測(cè)試完成后需要對(duì)第2層開(kāi)始試油時(shí),投棒起爆第2層射孔槍,射孔關(guān)孔裝置由“開(kāi)啟”變“關(guān)閉”狀態(tài),切斷第1層與封隔器以上井筒空間的連通,這樣就實(shí)現(xiàn)2個(gè)層位分別射孔、獨(dú)立測(cè)試。

圖2 射孔關(guān)孔裝置示意圖

射孔關(guān)孔裝置是分層控制的核心,該裝置設(shè)計(jì)了滑套向上限位結(jié)構(gòu)。裝置中剪切銷釘承受第1層射孔槍爆轟沖擊和井內(nèi)液柱壓力,但不會(huì)剪斷銷釘出現(xiàn)誤“關(guān)閉”動(dòng)作,只有當(dāng)?shù)?層射孔槍爆轟沖擊壓力施加在該裝置上部時(shí),才能在壓力作用下推動(dòng)滑套向下動(dòng)作,剪斷裝置內(nèi)剪切銷釘。在爆轟沖擊和井內(nèi)液柱壓力的共同作用下,滑套繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng),關(guān)閉密封流通孔。射孔關(guān)孔裝置的單個(gè)流通孔直徑為30 mm,總流通面積為2 826 mm2,與2in(1)非法定計(jì)量單位,1 in=2.54 cm,下同加厚油管(流通面積為2 550 mm2)相比,可以滿足第1層測(cè)試、產(chǎn)液流通需求。

2.3 封隔器安全分析

分層測(cè)試管柱中使用封隔器隔離上、下測(cè)試層,封隔器受爆轟沖擊和井內(nèi)壓力波共同作用,容易發(fā)生損傷失封或意外解封事故[5]。為了解決這類事故,需要依據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確計(jì)算封隔器與射孔槍串的安全距離。關(guān)于封隔器在射孔管柱中位置的研究,高勇德等[6]根據(jù)槍型和套管尺寸,以及壓力波傳播規(guī)律,計(jì)算封隔器與射孔槍的最小安全距離

(1)

式中,R為封隔器與射孔槍的最小安全距離,m;m為炸藥的總質(zhì)量,g;c0為井液中的常態(tài)聲速,m/s;Δp為封隔器耐壓差,Pa;p2為反射壓力,Pa;w為封隔器以上管柱重量,t;s為封隔器環(huán)空截面積,m2;n為炸藥多方指數(shù),無(wú)量綱。

針對(duì)以上理論分析和計(jì)算模型,開(kāi)發(fā)了相應(yīng)模擬計(jì)算軟件,對(duì)一趟管柱施工中封隔器與射孔槍的最小安全距離進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算,設(shè)計(jì)人員可根據(jù)2層射孔槍之間的距離,合理設(shè)計(jì)封隔器在管柱中的位置。除此之外,縱、橫向減震裝置也能有效地減緩射孔爆轟對(duì)封隔器的沖擊,這也是保護(hù)測(cè)試管柱安全的重要方法。

2.4 封隔器上部射孔槍優(yōu)化

分層測(cè)試管柱中旋轉(zhuǎn)封隔器下壓管柱坐封時(shí),第2層射孔槍將承受封隔器上部管柱的重量與旋轉(zhuǎn)扭力,第2層射孔槍承受管柱總重量一般為10～18 t。如果第2層射孔槍受壓發(fā)生彎曲,容易導(dǎo)致槍體密封失效、斷裂等工程事故。為此特制重型射孔槍及T型連接螺紋,確保第2層射孔槍各項(xiàng)參數(shù)滿足管柱總重量及封隔器旋轉(zhuǎn)坐封的要求。重型射孔槍各項(xiàng)參數(shù):射孔槍外徑×壁厚89 mm×10 mm,屈服強(qiáng)度836 MPa,擠毀壓力166 MPa。

分層測(cè)試管柱設(shè)計(jì)中還要重點(diǎn)考慮另一個(gè)問(wèn)題,即管柱下放過(guò)程中的激動(dòng)壓力。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),由于地面與井下條件差別大,井內(nèi)壓井液比重隨深度會(huì)有不同程度的變化,特別是深井、超深井,射孔管柱實(shí)際受到液柱壓力與理論計(jì)算有較大差異。因此,對(duì)于以壓力控制的射孔、測(cè)試裝置,可能會(huì)出現(xiàn)異常打開(kāi)或提前射孔等工程事故。同時(shí),由于受套管環(huán)形空間、管柱自身重量以及封隔器旋轉(zhuǎn)坐封的影響,射孔槍同管柱中油管一樣,都存在一定程度的彎曲?；谝陨蠁?wèn)題,研制了加大外徑帶導(dǎo)流槽式連接裝置(見(jiàn)圖3),將第2層射孔槍配套這種連接裝置,使第2層射孔槍在豎直方向上受力均勻,減少?gòu)澢潭群图?dòng)壓力影響。

圖3 加大外徑帶導(dǎo)流槽式連接裝置

2.5 分時(shí)測(cè)試間隔時(shí)間分析

第1層射孔槍射孔后,在規(guī)定的安全時(shí)間內(nèi),順利完成第1層地面測(cè)試流程至關(guān)重要。第2層射孔槍留置井內(nèi)的最長(zhǎng)安全停留時(shí)間,成為分層測(cè)試的關(guān)鍵參數(shù),停留時(shí)間短不足以完成第1層地面測(cè)試流程,停留時(shí)間長(zhǎng)可能會(huì)導(dǎo)致第2層射孔槍無(wú)法正常起爆甚至自爆。最長(zhǎng)安全停留時(shí)間確定方法:①根據(jù)火工品生產(chǎn)廠家的耐溫—時(shí)間曲線推算;②根據(jù)某溫度下的耐溫—時(shí)間實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算;③參照已施工井的成功經(jīng)驗(yàn)。

例如:某井最高溫度160 ℃,根據(jù)射孔中使用的起爆器、傳爆管、導(dǎo)爆索、射孔彈等火工器材,按照耐溫等級(jí)最低的火工品種類計(jì)算最長(zhǎng)安全停留時(shí)間。最優(yōu)方法是在160 ℃條件下,進(jìn)行火工品耐溫—時(shí)間實(shí)驗(yàn),準(zhǔn)確得出第2層射孔槍的最長(zhǎng)安全停留時(shí)間;當(dāng)沒(méi)有準(zhǔn)確的耐溫—時(shí)間數(shù)據(jù)時(shí),依據(jù)火工品生產(chǎn)廠家的耐溫—時(shí)間曲線結(jié)合成功的作業(yè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),推算第2層射孔槍的最長(zhǎng)安全停留時(shí)間,確保射孔槍在井內(nèi)高溫環(huán)境下的安全。

3 綜合方案設(shè)計(jì)及作業(yè)流程

3.1 射孔槍型

一趟管柱分層分時(shí)射孔測(cè)試技術(shù)已配套89型、102型、127型射孔槍系列,可以滿足5、5.5、7 in套管作業(yè)要求。根據(jù)地質(zhì)、工程需求,可實(shí)現(xiàn)不同層位、不同射孔槍的組合應(yīng)用,第1層與第2層射孔槍組合方式有2種:102型和89型、127型和102型。

3.2 作業(yè)流程

按照一趟管柱分層分時(shí)射孔測(cè)試管柱設(shè)計(jì)方案(見(jiàn)圖4),將第1層射孔槍、封隔器、測(cè)試工具、第2層射孔槍下入井內(nèi),第1層與第2層射孔槍之間用油管連接。第1層射孔槍采用油管或環(huán)空加壓起爆,壓力由封隔器上部的射孔關(guān)孔裝置傳遞到封隔器以下油管內(nèi),通過(guò)控制井口操作壓力的大小,激發(fā)壓力延時(shí)起爆裝置完成第1層射孔槍起爆[7],進(jìn)入第1層試油測(cè)試作業(yè)流程。地層流體通過(guò)封隔器下部篩管進(jìn)入油管內(nèi),經(jīng)過(guò)射孔關(guān)孔裝置進(jìn)入封隔器以上環(huán)空,再經(jīng)過(guò)碎石循環(huán)裝置進(jìn)入油管內(nèi),進(jìn)而到地面集采設(shè)備,當(dāng)?shù)谝粚釉囉蜏y(cè)試結(jié)束后,進(jìn)入第2層射孔流程。第2層射孔槍采用投棒起爆,射孔后爆轟壓力作用于射孔關(guān)孔裝置,關(guān)閉第1層測(cè)試通道。第2層地層流體通過(guò)碎石循環(huán)裝置進(jìn)入油管內(nèi),進(jìn)而到地面集采設(shè)備,進(jìn)入第2層獨(dú)立試油流程。

圖4 一趟管柱分層分時(shí)射孔測(cè)試聯(lián)作管柱圖

4 應(yīng)用實(shí)例

一趟管柱分層分時(shí)射孔測(cè)試技術(shù),已在大港油田陸上及人工島應(yīng)用20余井次,實(shí)現(xiàn)了2層分層分時(shí)射孔試油測(cè)試作業(yè),測(cè)試信息準(zhǔn)確,周期短,成本低。第2層射孔槍最長(zhǎng)停留時(shí)間達(dá)100 h,射孔作業(yè)一次成功率100%。

4.1 埕海XX井

4.1.1基本井況

該井為大港油田渤海灣埕海區(qū)塊的一口重點(diǎn)評(píng)價(jià)井,海洋平臺(tái)試油完井,地理位置特殊,要求縮短試油周期、減少起下鉆工序、保護(hù)油氣層及海洋環(huán)境。通過(guò)方案論證,設(shè)計(jì)一趟管柱分層分時(shí)射孔測(cè)試聯(lián)作試油方案,射孔井段3 945.8～3 966.6 m(第1層)、3 633.5～3 681.9 m(第2層),射孔總跨度333.1 m;第1層使用102型深穿透射孔槍,孔密20孔/m,相位90°;第2層使用89型深穿透射孔槍,孔密20孔/m,相位90°;最高井溫130 ℃,分層測(cè)試間隔設(shè)計(jì)時(shí)間120 h,分層測(cè)試間隔實(shí)際時(shí)間96 h;封隔器預(yù)設(shè)深度為3 780 m,與第1、2層射孔井段距離較遠(yuǎn),縱向減震器可有效保護(hù)封隔器安全。

4.1.2管柱設(shè)計(jì)及安全性評(píng)價(jià)

圖5為埕海XX井管柱示意圖,該井第1層射孔頂界(3 945.8 m)距離封隔器(3 905.0 m)較遠(yuǎn),采用減震器和油管可以有效保護(hù)封隔器及管柱安全。

圖5 埕海XX井管柱示意圖

4.1.3作業(yè)時(shí)效及試油效果分析

第1、2層射孔槍正常射孔,地面監(jiān)測(cè)信號(hào)明顯,相比于常規(guī)分層試油時(shí)效,作業(yè)工序由20道減少到12道,起下鉆減少4趟,作業(yè)時(shí)間由636 h縮短至454 h,提高時(shí)效約29%。

第1層射孔后產(chǎn)油18.42 t/d,第2層射孔后產(chǎn)油514.08 t/d,2個(gè)測(cè)試層位產(chǎn)量對(duì)比明顯。該技術(shù)還減少洗壓井次數(shù)、封堵作業(yè),節(jié)省作業(yè)費(fèi)用240萬(wàn)元,有利于保護(hù)海洋環(huán)境。

4.2 港深XX井

4.2.1基本井況

該井為大港油田港深斷塊一口重點(diǎn)探井,試油工藝要求不同層位的產(chǎn)液不能混合,以獲取最真實(shí)地層信息。射孔井段4 431.9～4 468.7 m(第1層)、4 336.9～4 369 m(第2層),射孔總跨度131.8 m;第1層使用89型深穿透射孔槍,孔密20孔/m,相位90°;第2層使用89型深穿透射孔槍,孔密20孔/m,相位90°;最高井溫175 ℃,分層測(cè)試間隔設(shè)計(jì)時(shí)間120 h,分層測(cè)試間隔實(shí)際時(shí)間100 h;封隔器預(yù)設(shè)深度為4 420 m,計(jì)算封隔器以上管柱和坐封總重量18 t。

4.2.2管柱設(shè)計(jì)及安全性評(píng)價(jià)

圖6為港深XX井管柱示意圖。該井第1層射孔頂界(4 431.9 m)距離封隔器(4 420 m)較近,模擬計(jì)算了第1層射孔槍爆轟對(duì)封隔器的沖擊壓力(見(jiàn)圖7)。圖7中藍(lán)線為4 454 m處模擬計(jì)算射孔瞬間壓力曲線,射孔槍起爆峰值壓力約135 MPa;紅線為封隔器下部4 421 m處模擬計(jì)算壓力曲線,封隔器下部反射波峰值壓力為125 MPa,該處?kù)o液柱壓力為43 MPa;封隔器以上管柱和坐封總重量18 t,計(jì)算封隔器瞬間承受上、下壓差為67.4 MPa,已接近封隔器額定耐壓差70 MPa,封隔器容易受到射孔槍的爆轟沖擊意外解封或損壞,需要重新設(shè)計(jì)封隔器位置。

圖6 港深XX井管柱示意圖

圖7 模擬計(jì)算結(jié)果圖

將封隔器位置調(diào)整至4 381 m,計(jì)算射孔槍爆轟對(duì)封隔器沖擊壓力,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8,封隔器下部反射波峰值壓力為85 MPa,封隔器瞬間承受壓差26.4 MPa,遠(yuǎn)低于封隔器額定耐壓差指標(biāo),這樣保護(hù)了管柱中封隔器安全。

圖8 重新設(shè)計(jì)封隔器位置模擬計(jì)算結(jié)果圖

4.2.3作業(yè)時(shí)效與試油效果分析

第1及第2層射孔槍正常射孔,地面監(jiān)測(cè)信號(hào)明顯。相比常規(guī)分層試油時(shí)效,一趟管柱分層分時(shí)射孔測(cè)試技術(shù)使作業(yè)工序由19道減少到11道,作業(yè)時(shí)間由576 h縮短到404 h,提高時(shí)效約30%。

第1層射孔后自噴產(chǎn)氣7×104m3/d;第2層不壓井、帶壓投棒起爆,射孔后自噴產(chǎn)氣10×104m3/d,產(chǎn)出效果明顯。

5 結(jié)論和建議

(1)一趟管柱分層分時(shí)射孔測(cè)試技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一趟管柱多層位精細(xì)射孔測(cè)試,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)技術(shù)空白,為油氣田勘探開(kāi)發(fā)提供了新思路。

(2)該技術(shù)不動(dòng)管柱、不循環(huán)壓井,有利于儲(chǔ)層保護(hù),試油周期短、成本低、時(shí)效高,測(cè)試信息準(zhǔn)確。

(3)該技術(shù)適用于新井試油,不適用大斜度井、水平井作業(yè),高壓井作業(yè)還需進(jìn)一步完善。

(4)未來(lái)將推進(jìn)一趟管柱雙封隔器三層試油技術(shù),向深海射孔測(cè)試、壓裂、酸化、防砂等一次性完井作業(yè)方向發(fā)展。