射孔动态特征测试分析系统研制及应用

陈建波, 唐凯, 彭建新, 陈华彬, 任国辉

(1.中国石油集团川庆钻探工程公司测井公司, 重庆 400021; 2.塔里木油田分公司, 新疆 库尔勒 841000)

0 引 言

随着勘探水平和钻井技术的不断发展,四川盆地、塔里木油田油气勘探不断向深层推进,在高石梯-磨溪、双鱼石构造、库车山前等区域钻探了一批超高温超高压井,发现了高石梯-磨溪、双鱼石构造、迪那、大北、克深等油气区块,这些探井井深普遍超过5 000 m,其中双探1井完钻井深7 308.7 m,地层压力134 MPa,预测地层温度180～185 ℃;KS9井井深7 580 m,地层压力达到了130～140 MPa,预测地层温度达到160～180 ℃[1]。

在这些超深、超高温、超高压等油气井试油完井过程中,条件复杂导致了一些射孔工程事故,如射孔管柱弯曲断裂、管柱遇卡、射孔后套管变形等,给油气田带来了很大的经济损失。如DN202井采用射孔酸化测试联作工艺射孔完后,射孔管柱在2in*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同筛管处断落落井;KS3井在进行钻杆传输射孔后,上起射孔管柱遇卡;KS801井、KS9井等射孔后套管存在变形导致通井管柱无法通过[2]。针对超高温超高压射孔导致的复杂工程事故,有必要通过测量射孔爆炸载荷响应[3],了解射孔瞬间射孔性能、管柱变形、冲击载荷响应和油气井压力响应等情况[4],并对测试情况作出全面分析,作出最优化的射孔设计方案,确保射孔作业成功完成。

射孔动态特征测试分析系统包括射孔爆炸载荷响应井下测试系统和射孔动态特征分析系统。前者主要是从国外购买的世界最先进的高温高压射孔测试仪器,在塔里木油田成功完成了LN2-33-H7、LN2-33-H6、KS501、KS801等井的射孔瞬态数据采集。后者是自主开发的软件系统,可以对高温高压射孔测试仪器采集的数据进行全面分析。本文对这2部分进行介绍,并给出指导高温高压井现场施工的案例。

1 测试系统配套及应用

准确了解射孔瞬间射孔性能、管柱变形、冲击载荷响应和油气井压力响应等情况,离不开射孔爆炸载荷响应井下测试与数据分析。一个有效的非实时存储式射孔爆炸载荷响应测试系统应该包含加速度传感器、压力传感器、温度传感器、数据采集仪、数据存储器等关键设备,在对井下射孔器材爆炸瞬间的响应参数进行测量并存储在数据存储器中,最后通过PC平台进行数据的转换读取和分析(见图1)。

图1 系统结构图

1.1 主要技术参数

在充分调研国内外同类型射孔爆炸瞬间响应参数测量仪器的基础上,结合超深、超高温、超高压等油气井特点,引进了英国某公司的超高温超高压射孔p—t测试仪。该仪器集成了轴向加速度传感器、径向加速度传感器、压力传感器、温度传感器、数据采集仪、数据存储器等组件,耐温175 ℃、耐压17 MPa,可同时采集包括射孔瞬间压力、温度、横向冲击力、纵向冲击力、电池电压等多通道数据,能够满足四川盆地、塔里木油田等地超深、超高温、超高压井的应用需求。其主要传感器及存储器技术指标见表1。

表1 主要传感器及存储器技术指标

非法定计量单位,1 psi=6 894.757 Pa,下同

1.2 数据采样设置

数据采样设置是正确采集射孔瞬间动态参数变化的关键。一般射孔数据采集作业需要经历3个阶段:慢速采样、快速缓存和快速采样阶段。通常需要根据仪器设置时间和装配时间、下井前地面测试的时间、下井到预定深度的时间、测量预定深度的静压值、激发进入快速缓存模式、激发进入快速采样模式、快速采样后的采样步骤(慢速或中速采样)、设定采集多次射孔数据等因素进行编程设置。

典型的管柱传输射孔数据采样程序设置步骤1和步骤2为慢速采样阶段,当压力大于7 500 psi时激发进入快速缓存阶段。在快速缓存阶段,仪器以40 kHz的速度进行压力采样,但由于内存限制,仅能每隔1 s存储1次数据。如果压力差在1.6 ms内超过了250 psi,仪器就会激发进入快速采样阶段。在快速采样阶段,仪器会以40 kHz的速度进行压力采样,以2.5 kHz的速度为其他通道(除了电池电压外)采样。在设定时间采样结束后,跳转至第5阶段,但如果压力大于7 500 psi仪器会被循环激发进入快速缓存阶段,以保证出现冗余激发仍然能够采集射孔瞬间数据。

1.3 射孔爆炸载荷响应井下测试

射孔爆炸载荷响应井下测试技术配套成功后,在塔里木油田进行了几次成功的数据采集应用。到目前为止,已完成了LN2-33-H7、LN2-33-H6、KS501、KS801等井共计8井次的射孔爆炸载荷响应井下测试。表2是详细的统计数据。

表2 射孔爆炸载荷响应井下测试统计数据

2 射孔动态特征分析系统研制

为对采集到的射孔瞬间数据进行有效分析,自主研发了射孔动态特征分析系统,该系统运用面向对象(OOP)技术,采用模块化思想,以Microsoft公司的Visual C++工具开发,具有时域分析、压力波频谱分析、压力波频谱校正、速度分析、位移分析、单位冲击力分析、激动压力分析等功能。

采集到的压力波响应曲线进行频谱分析后,把复杂的压力波时域信号转换成频域信号,能更有效地揭示射孔瞬间微秒级别内的压力响应。加速度响应曲线是一个非常重要的采集参数,依靠微积分和冲量定理对加速度信号作一系列的分析和处理后,可以得到射孔管柱速度、位移和所受冲击力等一些重要的特征数据。

2.1 压力波时域分析功能与套管及管柱强度校核

射孔瞬间会产生较高的峰值压力和较低的低值压力,压力过高或过低都会导致套管或传输管柱强度破坏造成严重后果,因此有必要根据射孔瞬间压力进行套管及管柱校核。

图2 KS501井射孔瞬间压力时域曲线

如图2所示,KS501井射孔最大峰值压力20 818.9 psi,最小峰值压力10 732.2 psi,射孔段静液柱压力16 923 psi。根据套管强度校核理论,允许最大或最小峰值压力为

(1)

(2)

KS501井产层套管抗内压120.2 MPa,抗挤120.1 MPa,抗内压安全系数取值1.25,抗外挤(一般安全系数取值1.125,射孔后套管强度降低,建议取值1.25),地层压力103.5 MPa(6 413 m),射孔段套管外压力按清水计算。计算可得射孔允许最大峰值压力158.9 MPa,允许最小峰值压力7.4 MPa。KS501井射孔峰值在允许范围内,作业是安全的。

2.2 压力波频谱分析功能与射孔枪结构改进

根据模态分析理论,任何一个物体都有其固有频率,如果作用在该物体上载荷的频率和固有频率相同或者呈一定倍数关系,就容易出现谐振。对采集到的压力波信号进行频谱分析,结果见图3。

图3 压力波频谱分析

图4 121射孔枪模态分析频率

LN2-33-H7井射孔瞬态压力频谱分析结果[见图3(a)]显示,射孔压力波主要集中在76.2～5 500 Hz的宽频范围内,其中以229.1和76.2 Hz下的压力波峰最大。LN2-33-H6井射孔瞬态压力频谱分析结果[见图3(b)]显示,射孔压力波主要集中在76.4～4 150 Hz的宽频范围内,其中以76.4 Hz下的压力波峰最大128.6 psi。KS501井射孔瞬态压力频谱分析结果[见图3(c)]显示,射孔压力波主要集中在83.1～4 583 Hz的宽频范围内,其中以83.1 Hz时的压力波峰最大,为255.6 psi。

以KS501井采用的121射孔枪为例,采用PROE模态分析的一阶固有频率为368.86 Hz,二阶固有频率为923.08 Hz(见图4)。对比KS501的压力波频谱分析,可知该型射孔枪的结构设计是合理的,不会产生谐振现象。

2.3 管柱速度、位移及冲击力分析功能与抗拉强度校核

射孔冲击加速度属于变加速运动,因此只能依靠微积分和冲量定理进行反运算,得出管柱速度、位移和所受冲击力等关键信息。按照此原理,设计相应的算法程序,编入射孔动态特征分析软件中,分析LN2-33-H7、LN2-33-H6井和KS501井,可得以下轴向加速度特征关键数据(见图5和表3)。

LN2-33-H7井和LN2-33-H6井采用3.5 in油管传输射孔,油管壁厚7.34 mm,抗拉1 427 kN,满足射孔冲击的要求。KS501井采用3.5 in钻杆传输射孔,钻管壁厚17.45 mm,其抗拉能力完全满足射孔冲击的要求。

表3 LN2-33-H7、LN2-33-H6和KS501井轴向关键特征提取数据

*单位冲击力为每10 kg管柱所受的冲击力

2.4 激动压力分析

对于油气井射孔完井,激动压力会给射孔起爆带来影响。下管柱瞬间速度过快,形成激动压力可能导致卡钻、误射孔等工程事故。根据激动压力理论

(3)

式中,pdy为激动压力,Pa;f为范宁摩阻系数;ρ为井液密度,kg/m3;Dh为井筒内径,m;d为管柱外径,m;L为管柱长度,m;v1为井内流体流动速度,m/s。

LN2-33-H7井和LN2-33-H6井下钻造成的激动压力最高达500 psi,下钻速度约3～4 min每柱。KS501井下钻造成的波动压力最高达1 100 psi,下钻速度约4 min每柱。实测数值和理论计算结果相吻合(见图6)。

造成高激动压力原因有多种,其中下钻瞬间速度是一个关键因素。下钻过程中顿钻、溜钻、中途封隔器启动坐封、瞬间遇阻等都将带来瞬间最大速度,从而使井筒激动压力剧增。因此,在超高温超高压射孔作业时,应适当增大压力安全起爆系数。

图6 LN2-33-H6井和KS501井实测激动压力

3 现场应用

射孔动态特征分析系统研制成功后,通过对采集到的数据进行分析与总结,成功指导了KS3-1、KS8-2、DB304、DB307等井超高温超高压井的射孔方案设计及现场作业。下面仅以KS3-1井为例进行数据分析及射孔方案优化设计。

KS3-1井是塔里木盆地库车坳陷克拉苏构造带克深区带克深2号构造上的1口开发井,人工井底7 024 m,采用5in套管固井完井,井液密度1.88 g/cm3,预测地层压力114 MPa,预测温度161 ℃,拟在6 805～6 930 m井段进行钻杆传输射孔作业。

图7 仿真模拟数据

根据KS3-1油气井的地质、工程、射孔管柱数据及射孔参数进行了模拟数据分析,整个射孔段打开的井筒动态压力变化,最高值为145.9 MPa,最小值为41.6 MPa(见图7)。根据前面提及的套管强度校核计算方法,KS3-1井一次性打开储层时套管抗压强度满足要求。

根据射孔动态特征分析理论结果,若下钻速度为4 min每柱,激动压力最高达977 psi;若采用89超高压射孔枪和89超高温射孔弹,孔密20孔/m,射孔瞬间最大冲击力可达1 050 kN。根据理论分析结果和现场实际,现场施工作业起爆器安全压力至少应大于20 MPa,下钻速度不应大于4 min每柱,射孔时选择壁厚7.82 mm、P110钢级、抗拉强度1 287 kN的2in油管是经济合理的。

KS3-1井射孔完成后,井筒完整性良好,证明其射孔方案合理,同时也进行了射孔爆炸载荷响应测试。测试显示,射孔瞬间最大压力167 MPa,射孔瞬间最小压力42.9 MPa,下钻速度6 min每柱,下钻激动压力最大500 psi,轴向最大冲击力174/119 g。数据表明,模拟仿真和实测结果基本吻合。

4 结 论

(1) 通过对射孔瞬间压力波的频谱分析发现,尽管射孔压力波频率范围较宽,但不会与射孔枪的模态频率一致而产生简谐振动。

(2) 射孔管柱起下钻过程中会产生激动压力。在超高温超高压射孔作业时应适当增大压力安全起爆系数。

(3) 对射孔动态特征分析系统数据深入分析发现,射孔峰值压力与炸药类型、药量、距爆心距离相关性较大。射孔负压值与地层渗透率、裂缝发育程度、口袋长度、射孔孔眼直径、射孔孔眼深度、射孔排布、油气井是否已打开等相关性较大。

(4) 射孔冲击载荷响应与井深、井液密度、射孔段排布、射孔长度等相关性较大。单段射孔冲击力、速度和位移分析比较简单,多段射孔则复杂得多。管柱初始受力和各射孔段动态受力叠加之和应在管柱允许抗拉能力之内。

(5) 现场应用证明,该系统对改进超高压射孔枪结构、套管及油管安全性校核、射孔施工工艺的科学性、保障井筒完整性等具有重要的意义。

参考文献:

[1] 陈锋, 彭建新, 陈华彬, 等. 超高温超高压超深穿透射孔技术在山前区块的应用 [J]. 测井技术, 2014, 38(1): 111-115.

[2] 唐凯, 陈建波, 陈华彬, 等. 超高压射孔枪结构设计及数值分析 [J]. 测井技术, 2012, 36(1): 73-77.

[3] Grove B, Werner A, Han C. Explosion-induced Damage to Oil Well Perforating Gun Carriers [C]∥WIT Transactions on the Built Environment: Structures Under Shock and Impact, 2006: 165-176.

[4] Nauman Mhaskar, Mark Sloan, William Myers, et al. Design and Qualification of an Ultra-high Pressure Perforating System [C]∥2012 SPE Deepwater Drilling and Completions Conference, 2012.