一种新的油气井射孔丢枪管柱设计

何汉平

(中石化 石油工程技术研究院，北京 100101)

·开发应用·

一种新的油气井射孔丢枪管柱设计

何汉平

(中石化 石油工程技术研究院，北京 100101)

传统的射孔丢枪管柱在射孔作业中，尤其是高温高压长井段射孔作业中，有时会出现丢枪失败或卡枪问题。在常用射孔管柱的点火丢枪装置中，点火结构置于释放结构之上，且呈一体结构，这种结构存在一些局限，例如组件结构设计复杂、密封性较高、长点火传递行程存在影响自动释放的结构动作等；现有的射孔管柱采用刚性连接，整个射孔枪管柱与井壁或套管内壁呈刚性接触，在井眼不规则的情况下，摩擦阻力较大，发生卡枪的几率较大。通过重新设计射孔管柱中关键组件结构、增加补救设计、改变管柱系统连接刚度等方法，设计了一种新的射孔管柱。关键组件通过性能测试和分析计算，达到设计要求。

射孔丢枪管柱；丢枪；柔性连接；可溶解金属；试验

在油气井投产时采用射孔、丢枪、生产的连续工艺[1-2]，一方面可以减少施工作业时间，减少作业成本，另一方面省掉了从井筒中再提出射孔枪环节，保障了作业安全，因而得到广泛的应用。传统的射孔管柱主要由点火自动丢枪装置、射孔枪筒、射孔枪筒连接接头、底部点火装置(辅助)构成，在用于射孔作业时，尤其是高温、高压长井段射孔作业中，有时会发生丢枪失败和卡枪问题。目前射孔管柱中的点火与丢枪装置由点火装置和释放装置构成，且呈一体结构，点火结构置于释放结构之上[3-5]，这种结构存在一些局限，例如组件结构设计较为复杂，密封可靠性设计要求高，导爆索穿越整个点火与丢枪装置会妨碍自动释放组件工作等，经常会发生丢枪失败事故；现有的射孔管柱采用刚性连接，整个射孔枪管柱与井壁或套管内壁呈刚性接触，在井眼不规则的情况下，接触摩擦阻力较大，一般射孔枪管与套管内壁之间间隙只有15 mm左右，对于10～20 m长井段射孔作业，卡枪问题一般不会发生，但对于长达60～100 m的射孔长度，长井段中井眼多呈非直线形，卡枪问题发生几率就较大。在中石化某大型海外作业项目中，该项目地层压力系数为1.4～1.6，温度140～150 ℃，一次射孔井段长达100 m，在射孔作业中，4口井出现未丢枪，3口井出现卡枪问题。最后不得不弃用丢枪生产联作工艺，增加了作业风险和作业时间，增加了作业成本。针对上述情况，基于调整关键组件结构、增加补救设计、调整管柱系统钢度的原则，设计了一种新的射孔管柱。新设计射孔管柱中关键组件，例如点火丢枪装置、二次丢枪装置、柔性连接装置均为新研制的专利产品。对新的射孔丢枪管柱中关键组件开展主要性能试验和效果计算分析结果表明，新设计的管柱满足射孔丢枪作业要求。

1 新射孔管柱结构

1.1 组件构成

新射孔管柱由油管、封隔器、筛管、点火丢枪装置、二次丢枪装置、射孔枪筒、柔性连接装置、辅助点火头等构成，如图1所示。

1.2 管柱特点

与传统的射孔管柱(如图2)相比，新的射孔管柱中增加了二次丢枪装置；射孔枪筒连接装置改为柔性连接装置；对点火丢枪装置进行了结构重新设计。该射孔管柱除具有常规的液压点火射孔丢枪功能外，还具有二次丢枪、降阻卡的功能，提高了丢枪可靠性，降低了射孔枪筒下落过程中的遇卡几率。

图1 新射孔丢枪管柱示意

图2 传统射孔丢枪管柱示意

2 关键组件研制

2.1 点火丢枪装置[6]

2.1.1 装置构成与工作原理

点火丢枪装置由自动释放机构和点火机构等构成，自动释放组件位于点火组件之上。如图3～5所示。

1—释放机构；2—点火机构。图3 射孔点火丢枪装置

1—打捞头；2—O形密封圈；3—芯轴；4—剪切环；5—限位套筒；6—O形密封圈；7—下接头。图4 释放机构示意

1—销钉；2—O形密封圈；3—撞击活塞；4—O形密封圈；5—起爆器；6—延期起爆管；7—O形密封圈；8—破裂套筒。图5 点火机构示意

工作原理：在井口向油管内加压，激发点火机构点燃引爆索，引爆射孔弹射孔；与此同时井筒流体在压力作用下进入射孔枪筒内部，推动释放机构中的限位套筒，剪断固定销钉并向上移动。限位套筒让位后卡爪在重力作用下释放，卡爪与连接在其之下的射孔枪串掉落到井底。

2.1.2 结构特点

与常规射孔点火丢枪装置相比，该装置具有如下特点：①结构简化。点火机构设计在释放机构之下，消除了因导爆索燃爆引起的释放机构变形、阻卡风险；②密封保障。设计破裂套筒，防止井筒流体在射孔弹引爆前进入射孔丢枪装置内，防止提前启动释放机构；③打捞头设计。该设计方便后期修井打捞作业。

2.1.3 主要技术参数

耐温

160 ℃

耐压

105 MPa

点火激发压力

≥6 MPa

固定销钉剪断压力

≥6 MPa

2.1.4 主要性能试验

对新的点火丢枪装置进行了点火机构剪断销钉试验、起爆器试验、破裂套筒试验和模拟井中丢枪试验。①点火机构剪断销钉试验。销钉设计剪断压力为36.89 ～ 40.77 MPa，试验中，当压力值为39.2 MPa时，全部销钉剪断，达到预期要求；②起爆器试验。组装点火机构(放置火工品和导爆索)，经过3次加压点火试验，传爆顺序均与设计相符，传爆可靠性好；③破裂套筒试验。2次测试中，装有导爆索的破裂套筒在点燃导爆索后均胀裂，产生很小的碎屑，不影响液体流通畅通；④模拟井中丢枪试验。限位套筒剪断固定销钉压力值设定为9～10 MPa，在点火丢枪装置之下悬挂150 kg钻具，将丢枪装置与液压管线连接并加压，当压力达到10 MPa，丢枪结构动作后落入20 m深的试验井井底。经试验，丢枪装置功能运行正常，性能满足设计要求。

2.2 二次丢枪装置

2.2.1 装置构成与工作原理

该装置在点火丢枪装置出现丢枪失败时作为二次丢枪使用，主要由限位中心筒、可溶解金属套筒、弹簧、带卡爪的中间套筒、破裂套和外筒等构成，如图6。

1—母螺纹；2—限位中心筒；3—外筒；4—可溶解金属套筒；5—限位套；6—卡爪；7—弹簧；8—中间套筒；9—破裂套；10—公螺纹。图6 二次丢枪装置结构

工作原理：插入限位中心筒里面的导爆索引爆后，炸碎破裂套；井筒流体进入中间套筒与限位中心筒之间空间；在井筒流体的溶解作用下，可溶解金属套筒逐渐溶解；在弹簧的推力作用下，限位套向上移动，并释放卡爪，连接在卡爪上的中间套筒与限位中心筒及连接在下面的射孔枪筒在重力作用下丢到井底。

该装置中的可溶解金属套筒为镁铝合金套筒[7-8]。镁铝合金套筒的加工制造过程为：首先将镁铝粉末经过混合，然后将混合好的复合金属粉末放入模具中，再将模具放到压制设备上压制成型；将成型的镁铝合金套筒放入烧结炉。另外，采用氢还原技术在镁铝合金套筒的表面上包覆金属Ni(镍)、Cu(铜)、Zn(锌)等以形成包覆层，保证镁铝合金套筒的工作承压能力和控制工作溶解速率。

井筒或者地层中的液体中含有 Cl-(氯离子)，而金属Mg(镁)与Al(铝)可在含氯离子的溶液中发生电化学反应。以KCl水溶液为例，镁铝合金套筒中的金属成分与KCl水溶液中的氯离子发生化学反应后逐渐溶解。镁铝合金套筒在不同温度、不同KCl溶液中随时间的质量变化也不同。温度越高、KCl水溶液中的氯离子含量越高，溶解速度越快。

镁铝合金套筒在不同温度、不同浓度KCl溶液中的溶解速率如图7所示。前6 h或8 h的溶解速度均较慢，镁铝合金套筒的质量变化小；当溶解时间超过6 h或8 h后，镁铝合金套筒以一定速度匀速溶解，外径明显减小，承压能力变弱。

图7 镁铝合金在KCl溶液中的溶解时间与质量变化曲线

2.2.2 结构特点

①该装置由限位中心筒、中间套筒和外筒构成，限位中心筒与中间套筒一起释放后，留下具有大通径的外筒；②破裂套设计确保该装置丢枪可靠性，在导爆索未点燃时，防止井筒流体进入装置内部；③首次在这类装置中应用了可溶解金属材料；④利用弹簧作为推动力，替代液压机械动作，提高了可靠性。

2.2.3 主要技术参数

耐温

160 ℃

耐压

105 MPa

释放时间

枪爆炸后24～128 h (可调节)

2.3 射孔枪筒柔性连接装置

2.3.1 装置构成与工作原理

柔性连接装置由连接射孔枪枪筒的上接头和下接头等构成，如图8。

1—上接头；2—中心通道；3—T型橡胶密封件；4—球状体；5—固定销；6—压盖(外套筒)；7—下接头。图8 柔性连接装置结构

工作原理：由于下接头的一端设有球状体，上接头朝向下接头的一端连接有压盖(外套筒)，且压盖围绕着球状体且能相对于球状体转动。通过这种连接装置将射孔枪枪筒连接起来，由于压盖相对于球状体转动，下接头相对于上接头转动(上下15°和左右45°)，这样射孔枪枪筒会根据井眼情况呈直线或非直线连接。

柔性、刚性连接管柱在弯曲井眼中的状态如图9所示。

图9 连接管柱在弯曲井眼中的状态

从图9中可以看出，未使用该柔性连接装置时，由于射孔枪枪管都由刚度较大的钢管制作，当射孔枪处于弯曲的井眼中时，弯曲的井眼迫使射孔枪枪管发生弹性变形，井眼与射孔枪管之间存在较大的接触力。射孔枪的枪体与井壁的摩擦因数一般为0.2～0.4，因此井壁与射孔枪之间存在很大的摩擦力。如果摩擦力超过了射孔枪枪管的重力，那么射孔枪枪管将无法脱落掉入预留的井眼中，而是留在了射孔层段，这将大幅增加原油产出的阻力，降低油气产量。

由柔性连接装置连接而成的射孔枪管柱在弯曲的井眼中，由于各个射孔枪管(一般为3 m长)之间为柔性连接，使得射孔枪管能随着井眼的弯曲而调整位置，各射孔枪管的弯曲力矩几乎为零。因为各个射孔枪管在弯曲井眼中不会产生弹性变形，且由面接触转化成点接触，摩擦阻力减低。射孔枪管与井壁之间的摩擦力小于射孔枪管的自身重力。因此在丢枪装置动作后，射孔枪管随丢枪装置一起在重力作用下顺利地掉入预先钻好的井眼中，实现丢枪作业。

以某油田使用柔性连接装置为例，进行摩阻计算。实例井深4 400 m，4 000 m处出现井斜，最大14°，之后进行纠斜，在4 400 m处纠斜井斜角至0°；生产套管为114.3 mm(4英寸)套管，射孔枪管外径为73.0 mm(2英寸)。通过计算在完井管柱(油管+射孔枪管)中使用柔性连接装置前后井口悬重变化，确定直径73.0 mm射孔枪管与外径114.3 mm套管之间的摩阻。计算结果表明，未使用柔性连接装置时井口悬重为601 kN，使用柔性连接装置后井口悬重为613 kN，说明井下摩阻力降低了12 kN，有效降低了摩阻。如果实际井眼弯曲更加复杂，那么摩阻降低效果将更加明显。

2.3.2 结构特点

①本装置上部接头和下部接头呈柔性连接，在一定角度方位内可相对转动；②装置内部安装有T型耐高温橡胶密封件，确保用于穿越导爆索的中心孔道与外部隔离，防止外来流体进入中心孔道；③球面结构上加工有两道槽，安装密封圈，防止外来流体进入装置内部。

2.3.3 主要技术参数

耐温

160 ℃

耐压

105 MPa

承载力

200 kN

3 结论

1) 针对传统射孔管柱在射孔作业中存在的问题，提出了一种新的射孔丢枪管柱结构，由油管、封隔器、筛管、点火丢枪装置、二次丢枪装置、射孔枪筒、柔性连接装置、辅助点火头等构成。

2) 该射孔管柱除具有常规的液压点火射孔丢枪功能外，还具有二次丢枪、降阻卡的功能，提高了丢枪可靠性，降低了射孔枪筒下落过程中的阻卡几率。关键组件通过性能测试和计算分析，结果满足设计要求。

[1] 万仁溥，熊友明．现代完井工程[M].第3 版．北京：石油工业出版社，2008.

[2] 张钧．海上油气田完井手册[M]．北京：石油工业出版社，1998.

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[6] 何汉平，付道明，连经社，等．YDF-1型自动丢枪装置的研制[J]．石油机械，2015，43(7)：27-29.

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A New Perforation and Gun Release String Design

HE Hanping

(Research Institute of Petroleum Engineering，Sinopec，Beijing 100101，China)

For conventional perforating and automatic gun dropping string used in perforating operation，the problems of failure in gun dropping or gun sticking happen sometimes，especially in high temperature，high pressure and long hole section perforation operation.Because ignition component is put above gun dropping device as an integral structure in conventional string，there are some limitations，such as structure complexity，high sealing requirements，long ignition transmission distance，which can influence smooth automatic release.In addition，the existing perforating string is connected with rigid steel joints，such connection could bring rigid contact between the perforating string and borehole wall or inner wall of casing in irregular borehole conditions，and result in large friction resistance and high probability of occurrence of gun sticking.A new perforation and gun release string is put forward by redesigning the key components，adding the remedial device and changing the string connection way.The test and analysis results of key components meet the requirements of perforating operation.

perforation and gun dropping string；gun dropping；flexible connection；soluble metal；test

1001-3482(2017)04-0052-05

2017-02-15

“十二五”国家科技重大专项“中东富油气区复杂地层井筒关键技术研究”(2011ZX05031-004)

何汉平(1966- )，男，高级工程师，硕士，研究方向：油气井完井工程，E-mail：840538223@qq.com。

TE

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.04.013