高温高压井射孔工艺技术在元坝×井的应用

2013-12-03姚志中赵开良焦建国姚慧智

测井技术 2013年1期

姚志中，赵开良，焦建国，姚慧智

（1.中石化中原石油工程有限公司地球物理测井公司，河南濮阳457001；2.中原油田分公司采油工程技术研究院，河南濮阳457001）

0 引言

元坝×井为预探井，于2008年4月20日开钻，至2010年3月25日完钻，完钻井深7 080.00m，对应垂直深度7 078.8m，气层套管内径142.9mm／143.9mm。该井气层套管在6 306.96～6 371.87m（长度64.91m）段存在漏点，出水管线出口检测有硫化氢显示，硫化氢浓度最高127mg／L；在5 482.08～5 483.68m处套管变形，最小内径116mm。对上二叠统长兴组进行射孔试气，井段6 610.00～6 670.00m，厚度60.00m，灰色含灰细晶白云岩，电测解释为含气层。由于井漏，需在密度为2.11g／cm3以上的泥浆压井下射孔，射孔段静液柱压力达138MPa，地层温度153℃。

由于井漏、天然气中含硫化氢、套管变形、高温、高密度泥浆压井等复杂条件，对射孔工艺、井下射孔器材等提出了苛刻要求，射孔技术难度较大，存在射孔枪被高压挤扁、误起爆、起爆失败、射孔枪遇卡等安全隐患和施工失败风险。为保证安全优质地完成该井射孔施工，从射孔工艺方案设计、材料选取、施工工序等方面进行研究和控制。

1 射孔工艺方案设计

1.1 射孔工艺确定

对高压气井射孔，电缆输送式射孔工艺不能有效解决防喷问题，不被采用。井漏、套变、高密度泥浆压井等使井下条件复杂，通常采用的射孔、酸压、测试一体化施工工艺增加了施工安全隐患，特别是增加了后续处理事故的难度与风险。为安全起见，放弃联作施工工艺，采用普通油管输送式射孔工艺，射孔后压井提枪。

1.2 起爆方式优选

1.2.1 投棒起爆

该井是直井且井漏，正常情况下最适合的起爆方式是投棒撞击起爆，但压井泥浆密度高，且黏度低（只有55s），在油管底部容易形成泥浆沉淀，撞击棒在油管下部运行速度减慢，可能造成中途遇阻或撞击能量不够，起爆器不能正常起爆。为避免上提射孔枪时撞击棒下落造成误射孔或射孔枪在井口爆炸事故，必须在井口防喷状态下打捞撞击棒，施工过程复杂，安全风险大，成本高。

1.2.2 油管加压起爆

为该井设计了油管加压起爆方式，起爆后起爆器自动开孔，油套联通，射孔管柱结构见图1。射孔管柱由下至上依次是射孔器、压力起爆器装置、开孔器、大容量沉淀筒、单向液流阀、油管串、油管悬挂器。起爆器起爆前，整个射孔管柱正向密封，通过油管施加的起爆压力不会进入到油套环空，减轻了射孔器的承压负荷。射孔后开孔器自动开孔，建立起油套连通通道，大容量沉淀筒可防止泥浆沉淀堵塞起爆器传压通道。

因为该井是含硫化氢高压气井，且上部套管漏，在下射孔管柱过程中必须时刻防范井喷的风险，在油管串底部连接一套单向液流阀，下管柱时套管内泥浆经单向液流阀进入油管，万一井口显示异常，可反循环泥浆压井。但气井反循环脱气必须倒换地面管汇流程，而且反循环对气井有一定的诱喷效果。

图1 油管加压起爆射孔管柱结构

1.2.3 套管加压起爆

该起爆方式对射孔管柱没有特殊要求，射孔前后油套正反向都连通，可以随时实施大排量循环压井，井控安全性高；可以采取双向起爆，起爆可靠性高；不足之处就是井下射孔器承受的压力更大，因为上部套管漏，泥浆密度高，要求对起爆压力的安全性和可靠性设计更加严谨。

通过对以上3种起爆方式的分析比较，侧重含硫化氢气井井控安全方面的考虑，最终选择套管加压起爆方式。

1.3 射孔管柱结构设计

射孔管柱结构必须满足可随时循环压井液、起爆可靠、防炸枪等要求。套管加压起爆射孔管柱结构示意图见图2。

利用单倍体育种技术培育出来的DH系完全纯合，纯合度高达100%，在今后制种和繁殖过程中，不会出现分离现象，能够长期应用到玉米育种实践。

图2 套管加压起爆射孔管柱结构

油管串尾部的筛管可满足大排量循环压井液的要求；在顶部起爆器上端连接一隔离接头，防止泥浆沉淀堵塞起爆器传压孔；采取双向起爆，保证可靠引爆射孔器；在底部起爆器上端连接一套延时装置，延时时间3～5min，万一顶部起爆器引爆的射孔器传爆中断，未爆射孔弹被井内高压液体浸泡失效，防止短时间内下部起爆器引爆射孔器可能造成的炸枪事故发生。

1.4 起爆压力设计

起爆压力设计必须遵循安全和可靠2条原则，既防止井内波动压力造成的起爆器早爆，又要保证起爆器剪切销钉能够被正常剪断。压井液是清水情况下，Φ73mm油管在5⅟2in＊非法定计量单位，1in＝25.4mm；1psi＝6 894.757Pa，下同套管内正常运行就可造成2MPa以上的波动压力。元坝×井泥浆密度高，井深，套管变形，加之可能发生的顿钻、急刹车、管柱遇阻等现象，根据前人研究结果和经验判断，井内波动压力可能会达到6～7MPa［1］，所以起爆压力值不宜太低；提高起爆压力，必然增大射孔器承压失败风险，而且由于射孔层上部套管漏，压力摩擦阻力大，过大压力有可能造成上部地层漏失而泄压。

起爆器装置剪切销钉的剪切强度误差是±5%，因为销钉数目多，总的剪切强度应该在平均值附近，以往的现场施工经验也验证了这一点。经过综合分析，将外加的起爆压力设计为14～15MPa。起爆压力设计结果见表1。

表1 起爆压力设计结果

2 井下射孔器材选择

2.1 射孔枪

目前最常用射孔枪材料是32CrMo4，最小屈服强度724MPa，外径Φ88.9mm的耐高压枪管壁厚10mm，生产厂商给出的耐压指标是140MPa，根据射孔枪管最低塑性挤压力计算公式

式中，pp为枪管最低塑性挤压力，psi＊；YP为枪管最小屈服强度，psi；D为枪管直径，in；T为枪管壁厚，in。

当壁厚为10mm时，枪管最低塑性挤压力181MPa，但是射孔枪管生产时允许有±10%的偏差，将壁厚为9mm代入式（1）计算得出枪管最低塑性挤压力155.6MPa。

加上起爆时井口施压的压力，射孔枪在井下所受到的压力和理论计算得出的枪管最低塑性挤压力相近，超过生产厂商给出的射孔枪耐压指标，射孔枪被压扁的风险较大。

2.2 起爆器装置

一般压力起爆器装置的壳体承压指标较高，关键是击针活塞上剪切销钉的剪切强度能否承受高压，YB1－5－SC压力起爆器共有48个剪切销钉，常温下单个销钉剪切值3.65MPa，在153℃环境中单个销钉剪切值降低为3.233MPa，可承受最高压力155MPa，经过起爆压力设计计算，销钉剪切强度可满足该井耐压要求。

2.3 爆破器材

井下爆破器材有射孔弹、导爆索、传爆管和起爆器火工件4种，它们的最低耐温指标必须满足井下环境温度和停留时间的要求，并应考虑可能发生的情况，留有足够的安全量。

图3 炸药耐温曲线

油管输送式射孔施工，射孔管柱下放完毕，要经过测井校深、油管调整、安装井口、连接压力管线等一系列工序，占用时间较长。正常情况下，该井射孔器下至5 000m到点火起爆间隔时间大概需要24h。炸药耐温曲线（见图3）显示，HMX炸药24h耐温指标170℃，48h耐温指标160℃，基本满足该井射孔环境条件要求，指标富余量不大。考虑到该井井况复杂，为应对可能发生的地面设备故障和井下异常情况，全部选用超高温炸药，射孔弹装药PYX，导爆索、传爆管和起爆器火工件都装填HNS炸药。

3 井下器材耐压试验

3.1 试验方案

模拟该井油管输送式射孔施工工况，井内泥浆密度2.11g／cm3，用油管输送1套压力起爆器装置和1支3.3m射孔枪下井至6 670m，从井口加压20MPa，然后提出试验器材，检查器材受高压后变化情况。

拆除起爆器内火工件，保留全部48个剪切销钉；射孔枪内不装配射孔弹和导爆索等，为防止射孔枪被压扁至严重变形，在套管变形处遇卡，在空枪管内均匀分布3个支撑环，支撑环厚度50mm，直径Ф55mm，支撑环和枪管内壁保留14mm间隙，确保在抗压强度不够时枪管发生塑性变形［2］，为施工方案制定提供真实试验结果。

3.2 试验结果

试验器材到预定深度后，井口加压20MPa，由于套管漏，停泵后井口压力很快下降到14MPa，随后又进行了持续加压，井口压力稳定在20MPa左右。提出试验管柱，检查起爆器和射孔枪状态，起爆器内没有液体渗入，剪切销钉完好；射孔枪密封良好，外观没有变形。试验结果说明起爆器和射孔枪可以满足该井高压施工环境要求。

4 施工过程控制

（1）下射孔管柱前循环井内泥浆，防止泥浆沉淀堵塞起爆器。

（2）装配和连接射孔器时，对密封面和密封胶圈严格按产品设计要求进行仔细检查，按规范程序装配，确保密封可靠。

（3）射孔管柱下放速度控制在0.3m／s以内，在射孔器下放到5 000m以下时，管柱下放速度控制在0.25m／s以内，匀速平稳，防急刹车和顿钻，防止产生较大波动压力。

（4）射孔器下放到预定位置后，测井校深、调整油管、安装井口、加压起爆等工序衔接紧凑，尽量缩短射孔器在井下停留时间。

（5）根据经验，该井从井口施加的起爆压力到达射孔位置后将损耗3～4MPa左右，所以井口加压至20MPa时，井下实际外加压力达到了16～17MPa，射孔器应该被引爆。为尽量减小射孔器承受的环境压力，设计第1次井口加压上限20MPa，如果井口加压至20MPa射孔器仍未起爆，上部起爆器可能瞎火，等待6min以上，观察下部起爆器是否起爆；如果此次加压未能引爆射孔器，再加压至25MPa。

实际施工结果显示，该井井口加压至18.6MPa时射孔器被引爆，这时井下实际外加压力15MPa左右，和设计值相符。井口没有触摸到震动信号，但TCP监测识别系统监测的2路震动信号和压力信号都清楚显示射孔器被引爆（见图4）。