海上复合射孔与地层测试联作工艺技术研究及应用＊

2013-04-29王守君谭忠健胡小江刘振江冯卫华

中国海上油气 2013年3期

王守君谭忠健胡小江许兵刘振江冯卫华

（1.中海石油（中国）有限公司； 2.中海石油（中国）有限公司天津分公司； 3.西安通源石油科技股份有限公司）

海上地层测试是指利用带有测试工具的管柱，在射孔后于井筒中获取地层流体以及其他测试资料，并在对所获取资料进行分析的基础上对油层进行定性或定量评价的一种方法［1-4］。射孔测试联作是将射孔器与测试工具联接成管柱，一次下井同时完成射孔和测试2项作业的一项工艺技术。采用射孔测试联作，不仅能够降低作业成本和作业风险，而且可以避免射孔后再次压井下管柱对地层造成的二次污染，从而提高油井录取资料的准确性［5］。目前，射孔测试联作工艺技术在海上已经得到广泛应用，形成了包括测试工具、作业规范和数据处理方法在内的技术体系并日臻成熟。但对于复合射孔，由于射孔时火药爆燃所产生的高温高压气体的冲击作用会对测试管柱（包括封隔器和测试仪器）造成损伤，因此长期以来一直未能实现复合射孔与测试联作。随着海上油气勘探开发的进展，更多的中、低和特低渗透油藏有待开发，而复合射孔技术对此类油藏有着较好的开发效果，因此研究复合射孔与测试联作工艺技术显得尤为重要。

复合射孔与测试联作工艺技术是将成熟的复合射孔技术及地层测试技术结合起来，一次下井作业，实现射孔压裂后不起管柱直接进行测试的一项新工艺技术。笔者通过对复合射孔井筒压力分布规律的试验研究，设计开发了一套能够有效衰减井筒轴向压力和径向震动的组合工具，经现场应用，该套工具能够有效保护封隔器和测试仪器不受损伤，测试仪器能够正常工作。该项工艺技术的突破，不仅使作业成本得到大幅度的降低，同时也降低了作业风险，消除了单独复合射孔后压井起管串过程中对地层造成的二次污染，对提高油井录取资料的准确性起到了积极的作用。

1 动态高压对测试管柱的影响分析

1.1 动态高压对测试工具的影响

复合射孔动态高压对测试管柱的冲击影响主要表现在以下2个方面：

（1）复合射孔产生的动态高压在管柱中会形成强的应力波，由于复杂的界面条件，应力波在管柱中传播时会产生不同时差的入射波和反射波，使管柱产生轴向和径向的强烈震动，这种震动会损坏测试仪器和封隔器。

（2）动态高压在井液中会形成沿井筒轴向传播的强冲击波，波后会形成毫秒级的（几毫秒到几十毫秒）准静态高压［6］，强冲击波和准静态高压直接作用于封隔器，当超过封隔器的许用压力值时，会造成封隔器失效或损坏。

1.2 动态高压在井筒中的分布规律

（1）井筒环空中的初始压力

利用井下p-t测试仪在某油田N井复合射孔作业实测所得射孔段附近区域的压力-时间曲线见图1（射孔器为通源公司F127-16DP38复合射孔器，射孔段长15.2m），曲线形态表征了复合射孔器爆燃在井液中所形成压力的峰值、压力上升速度以及压力的自然衰减规律。对于不同的复合射孔器和不同的井筒条件，其压力峰值、压力持续时间有所差异，但其压力的生成以及压力的自然衰减规律是一样的［6-7］。试验结果表明，复合射孔产生的动态高压在井液中能够形成的初始压力峰值一般在50～100MPa，井下实测曲线反映压力波的脉宽约为0.1ms，不同装药量的复合射孔有效压力（25MPa以上的压力）作用时间在8～20ms。

图1 某油田N井实测压力-时间曲线

（2）环空压力沿轴向分布规律

复合射孔爆燃气体首先在井筒中产生动态的高压环境，一部分压力会释放到地层中，还有一部分压力会沿井筒轴向由高压区向低压区传播。由于液体中压力的突变，在井液中将形成强冲击波，冲击波的起始波头压力为复合射孔爆燃压力峰值，并随传播距离的加大而逐渐衰减。为了进一步了解复合射孔动态高压在井筒轴向的分布规律，为工具设计提供依据，利用爆燃压力在不可压缩液体介质中的传播理论对动态高压随传播距离变化的规律进行了研究。动态高压在水介质和空气介质中的传播不同。冲击波和反射波在不可压缩水介质中的传播规律可以近似看作符合声学理论的规律［8］，即冲击波传播的衰减服从于指数衰减，可用式（1）表示

式（1）中：C为与冲击波初始压力有关的系数；α为冲击波在水中的衰减特性系数；R为传播距离。

对几次现场复合射孔作业时射孔段附近不同距离处压力峰值进行了测量，并通过最小二乘法拟合出C和α的值，得出式（2）的关系

通过几次压力测试（铜柱测试法），得到了不同测点处的冲击波压力（图2a）。图2a反映出了冲击波的传播衰减特征：一是指数衰减现象，符合指数衰减模型算法；二是频散现象，波峰压力下降，脉宽增大。冲击波在井筒中传播衰减过程中，高压高频冲击波向低压低频冲击波的自然转变符合冲量守恒。应用最小二乘法得到压力自然衰减拟合曲线（图2b）。公式（2）和图2b表征了复合射孔动态高压在距射孔段0.82m处峰值压力为76.9MPa时沿井筒轴向的自然衰减规律。从图2b可以看出，当压力传播超过200m时压力峰值仍高于40MPa，那么在距射孔段几十米范围内压力峰值自然会更高，可见冲击波在井液中自然衰减的速度较慢，因此使用封隔器和测试仪器就会存在问题，必须设计一组能够起到吸能减震作用的工具，使冲击波在距射孔段几十米内能够迅速衰减到封隔器许用压力以下。

图2 复合射孔动态高压沿井筒轴向自然衰减测点压力及压力自然衰减拟合曲线

2 系统工具设计

2.1 对测试管柱安全性的要求

（1）测试管柱中的封隔器在整个作业过程中能够可靠座封和解封，满足测试状态要求，管串起下顺利。

（2）射孔压裂后联接在管柱上的测试仪器（敏感压力计系统、管串密封系统等）在井下能够正常工作。

（3）联接在管柱上的其他井下工具能够正常工作。

2.2 减震吸能工具设计

2.2.1 功能要求

（1）能将复合射孔产生的动态高压气体封闭在射孔段内通过吸能装置大幅度衰减，从而使压力传播到达封隔器时压力峰值能够衰减到低于测试仪器、封隔器以及下部桥塞的允许耐压值。

（2）能够大幅度衰减射孔枪串轴向和径向的冲击震动（即应力波），以防止冲击震动造成管柱、仪器和封隔器损坏。

2.2.2 工具设计

设计了由伸缩式缓冲器、径向阻尼减震器和纵向液压减震器等组成的一组减震吸能工具。

（1）伸缩式缓冲器

伸缩式缓冲器（图3）由上接头、缓冲外筒、浮动活塞、连接接头、缓冲心轴和下接头组成。下井时心轴处于拉伸状态，井液自动进入内腔，形成液体垫。受复合射孔动态高压的作用，缓冲器心轴可以沿轴向压缩2.0m，将液体通过特殊设计的阻尼孔挤出腔体，能够缓冲瞬间产生的封隔器下方体积变化，以及轴向应力波引起的封隔器和压力计的轴向冲击和位移，缓解射孔枪瞬间上窜产生的冲击力，从而有效防止管柱在高速冲击下产生弯曲或其他零部件的损坏。

图3 伸缩式缓冲器

（2）径向阻尼减震器

径向阻尼减震器（图4）是利用橡胶的阻尼减震特性，在阻隔和衰减爆燃压力向封隔器方向传播的同时，将冲击波和应力波的能量部分转换为机械能。

图4 径向阻尼减震器

径向阻尼减震器具有3个方面的功能：①能够衰减射孔系统所引起的管柱横向震动，主要是通过橡胶件与套管的接触来避免管柱与井壁套管的直接碰撞，从而减缓管柱的径向冲击震动；②通过阻尼孔设计，衰减冲击波能量，减少对封隔器的直接冲击；③在DST测试时井内液体可通过轴向阻尼器的内腔进入DST内，实现测试。

（3）纵向液压减震器

纵向液压减震器（图5）是以弹簧减震工具为基础，在弹簧腔体上设计阻尼孔，使工具的弹簧腔与环空沟通；在射孔系统上窜时，弹簧腔体积减小，腔内液体向环空排放，在通过阻尼孔时产生较大的摩擦阻力，吸收冲击能量，进一步减弱射孔系统对测试工具和仪器的纵向冲击震动。

图5 纵向液压减震器

以上3种工具的组合使用，可在射孔段以上30m以内抑制复合射孔动态高压在井筒轴向的传播，保证封隔器和测试仪的正常工作。

2.3 减震吸能效果分析

通过数值模拟分析证明所设计组合工具的减震吸能效果。

（1）对井液中冲击波的削波效果

对井液中冲击波的削波效果见图6，与图6a测点位置和距离对应，图6b中红色、蓝色和绿色曲线分别代表测试起点、中点和终点位置流体压力的波动状况。从图6可以看出，经过了半个阻尼装置的距离，压力波峰值从85MPa下降到35MPa，完全经过装置后，压力波峰值下降到4.8MPa，同时波形脉宽略有增加；可见，阻尼装置对井液中冲击波的削波效果能够达到94.2%。

（2）对管柱中应力波的缓冲减震效果

对管柱中应力波的缓冲减震效果见图7。与图6a测点位置对应的阻尼器的管柱位置，图7中红色、蓝色和绿色曲线分别代表测试起点、中点和终点位置管柱应力的波动状况。从图7可以看出，经过了半个阻尼装置的过滤，应力波峰值由75MPa下降到37.5MPa，完全经过装置后，应力波峰值下降到18.2MPa，同时波形脉宽也略有增加。阻尼装置对管柱应力波的缓冲效果达到了75.8%。

3 现场应用

自2007年5月在QHD35-2-2井首次成功进行复合射孔与测试联作作业之后，截至2011年底，又先后在渤海QHD、KL、BZ等区块采用不同的复合射孔器成功进行了20余次复合射孔与测试联作作业，取得了很好的应用效果，射孔压裂后联接在管柱上的测试仪器（敏感压力计系统和管串密封系统等）在减震装置的作业下得到了很好的保护，均没有遭受损坏。

某应用实例情况如下。

（1）施工井基本情况及井下管柱结构

施工井BZ2井位于渤海海域，为探井，井型为直井；射孔井段地层为东营组二段，深度为3 360.00～3 365.00m，岩性为细砂岩，孔隙度18%，渗透率22mD；射孔液（海水）密度为1.03g／cm3。复合射孔与测试联作井下管柱结构见图8。