多级负压点火射孔技术的风险案例

（中海油能源发展股份有限公司上海工程技术分公司，上海 200335）

0 引言

射孔作业，即利用火工器材或其他能源的能量射开套管、水泥环和地层，沟通油、气流通道的井下作业。它是油气田在勘探、开发过程中不可缺少的技术。在勘探时，通过钻井、录井和测井发现油层之后，必须下套管射孔后进行试油，以确定该油层有无工业开采价值。油田开发中的生产井，进行完井作业也必须先射孔，然后才能进行防砂、下生产管柱、下泵等其他采油、注水等作业。

在油气田在开发过程中，如果调整了开发方案，往往须进行补孔，以保持油气田的产量。随着射孔技术、采油技术的发展以及我国各大油田在勘探开发工作中的经验积累，石油工作者越来越重视射孔技术，我国的射孔技术有了飞速的发展，取得了很大的成绩。

负压射孔是目前最好的射孔方式。过油管射孔只有第一枪才可以构成负压。第二枪开始为等压射孔。由于井口防喷装置长度的限制，过油管射孔每次下井的枪长度有限，只射一枪的井很少，所以过油管射孔不能满足负压射孔的要求。只有油管输送射孔（TCP）才能满足负压射孔的各种要求。

TCP 负压射孔[1]通过油管或钻杆输送射孔枪进行射孔作业，是目前广泛应用的射孔技术。负压射孔是通过在管柱内形成负压，钻杆或油管内的完井液液柱压力低于地层压力的条件下射开油气层，并利用地层压力清理射孔残渣和碎屑，防止压井液进入地层，起到保护地层的目的。

在长夹层大跨度井和水平井长井段中，目前一般采用多级分段点火射孔，实现负压射孔。即在射孔枪上下安装多级点火头，防止长导爆索断爆，提高一次射孔成功率。

1 背景

东海残雪平台采用平台修井机进行某7 井完井作业，由于该井射孔段跨度较大，毛射孔段超过400 m，纯射孔段52.4 m，中间夹层枪较长，最大跨度达到190.8 m，为避免较长导爆索发生断爆情况，同时最大限度的保护油气层，防止射孔后的残渣和压井液进入地层造成污染，所以采用多级点火环空加压的负压射孔方式。

2 主要工具原理

负压开孔装置如图1 所示，该装置是一种在射孔完井作业中建立负压的装置。下井过程中，油管与套管压力隔离。封隔器座封后，地面环空加压，作用在装置滑套上，至预定压力，滑套推动剪切组件上行，到位后锁死。此时，生产孔打开，封隔器以下环空与该装置以上油管连通，形成负压。继续加压，引爆压力延时点火头，完成负压射孔。使用该装置可以在射孔枪上连接压力延时点火头。

点火头也叫起爆装置，一般来讲聚能射孔的全过程是撞击式雷管被引爆经过传爆、导爆最终使射孔弹释放出其全部能量形成高压、高速射流射穿目的靶。而引发这一系列爆轰波的产生，传递的源头是撞击式雷管被引爆。我们把能使撞击式雷管引爆的装置叫做点火头。它是TCP 射孔的关键部件。点火头的2 个主要部件是击针和雷管室。其动作原理是击针受力，离开销钉位置并以6～8磅·尺的力砸向雷管，使雷管产生爆轰。根据击针所受外力有机械的和液压的2 种状况，我们将点火头分为两类。1）机械点火头。2）压力点火头，而又常把压力点火头分为环空压差和全承压式2 种。出于作业安全、保障负压、井下复杂情况，确保一次成功等多种因素的考虑，又派生出多种点火头，如安全机械点火头、压力延时点火头、（火药延时和液压延时）压差式点火头、双引爆点火头等。

RTTS 封隔器，用于测试、措施和挤水泥作业的全通径卡瓦型封隔器。全通径可以最小压降泵注大的排量。通过正转下压坐封、上提解封；并可通过油管射孔枪，一次起下钻可进行多种作业。如射孔、测试、挤注、补孔。

R/A 短节又名同位素短节，下井时内装放射性元素 Co60，用于TCP 射孔作业校正射孔深度，通过下入电缆进行较深，以确保射孔作业的精度。

3 风险案例介绍

多级点火环空加压射孔方式的特点是在两段射孔枪的上下均安装点火装置[2]，在校深和坐封封隔器等射孔前准备工作之后，进行环空加压，压力通过环空加压旁通接头进入中心管，穿越封隔器，经多级负压开孔装置[3]下接头的传压孔传递到封隔器以下的环空，使压力从封隔器以上环空传递到封隔器以下环空，使环空压力作用在各个点火头上。环空加压点火示意图，传压孔关闭测试孔打开后示意图。

在加压的过程中一次激发所有点火头，在点火头火药延时期间，环空继续加压至滑套，剪切销钉剪断压力，滑套向上位移，关闭传压孔、打开测试孔，从而形成返排通道，此时封隔器以下环空和钻杆内部连通，钻杆内液柱压力小于地层压力，从而形成负压，射孔枪由于延时火药[4]的作用，在形成负压后射孔枪进行射孔。

该井射孔管柱共下入四级点火头，根据点火头的安装深度计算地面加压值，见表1。

射孔准备工作完成后，开始环空加压，对压井泵缓慢加压到1 800 psi 后开始计时，约4 min 后加压至2 300 psi左右时管柱震动，环空压力随即突然降至0，随后管柱第二次震动。

两次管柱震动为两段射孔枪起爆，从图2 结构中可看出，在负压开孔装置的滑套动作后，传压孔[5]关闭，测试孔打开，此时封隔器以上环空压力到此滑套处后被封死，此时环空处于密封状态，因此在环空压力打上去后，环空压力不该有明显改变，尤其是环空压力突然降到了0，更是非正常现象。

在确认射孔后，再次环空加压能够起压并加压至3 500 psi，打开RD 循环阀[6]，循环压井。

循环结束后，起射孔管柱中至井口，检查发现多级负压开孔装置滑套剪切销钉已剪断，状态正常。

表1 点火头及负压开孔装置销钉计算

3 原因分析

第一枪响后压力下降，如果后面不能再起压，那么RD循环阀将不能打开，管柱将无法建立循环，这种情况非常危险。

环空加压过程中压力先传递到封隔器以下环空，当滑套位移时传压孔关闭，压力也不会外泄。唯一的可能性就是，环空加压过程中，当第一枪点火时滑套还未动作，此时井筒与地层处于沟通状态，压力传入地层造成压力突降。

第二次环空加压可以起压，原因是在第一次加压的过程中，已接近负压开孔装置滑套销钉的剪切值，在射孔的一瞬间还未剪切但已无限接近剪切值，在射孔导致的管柱震动以及压力激动的作用下，销钉剪切，关闭了传压孔打开了测试孔。

4 经验总结

在环空多级加压点火方式射孔的过程中，环空加压时，可以缓慢开始打压，当压力达到点火头最小点火压力后，要迅速将压力加至多级负压开孔装置滑套动作压力，保证滑套在射孔前动作。

根据井况尽量少选择或不选择环空多级加压点火方式射孔，如果作业过程中出现了测试孔打开前射孔，那么就无法建立循环通道，后果将不堪设想。