高含H2S深層天然氣藏長井段射孔技術

趙開良,吳永清,姚慧智,王培禹,魏永剛

(1.中原油田地球物理測井公司,河南濮陽457001;2.中原油田分公司采油工程技術研究院,河南濮陽457001)

高含H2S深層天然氣藏長井段射孔技術

趙開良1,吳永清1,姚慧智2,王培禹1,魏永剛1

(1.中原油田地球物理測井公司,河南濮陽457001;2.中原油田分公司采油工程技術研究院,河南濮陽457001)

普光氣田具有井深、射孔井段長、高含H2S等特點。介紹了射孔槍及射孔參數選擇、抗硫材料選取、油管保護、起爆及傳爆可靠性設計等方面開展的研究。通過對普光氣田9口深井長井段射孔施工結果分析,證實采用防硫114射孔器并進行變孔密等技術設計能滿足普光氣田射孔后的酸壓改造要求。復合射孔管柱、分段延時射孔、縱向和徑向減震器的組合使用等技術措施可有效地保護油管,且可以滿足長井段射孔可靠傳爆的要求。

射孔;硫化氫;長井段;射孔管柱;普光氣田

0 引 言

普光氣田地質條件非常復雜,儲層埋藏深度達5 000～6 000 m,儲層厚度200～600 m,平均300 m左右,天然氣中硫化氫含量11%～17%,二氧化碳含量8%～14%,開采難度大。為滿足大流量產出的需要,目的層套管為7 in(非法定計量單位,1 ft =12 in=0.304 8 m,下同)高抗硫材質套管。因為高含硫化氫的緣故,按設計要求進行射孔完井時,對每口井的所有儲集層段要一次打開,進行酸壓改造后同時開采,避免二次作業可能帶來的安全風險。

根據開發要求,綜合目前成熟的射孔工藝,油管輸送式射孔是普光氣田最為合適的射孔方式。對于這類深層長井段天然氣井射孔,需要解決以下技術問題:①射孔器和射孔參數的選擇要滿足地質和工程的要求,特別是應滿足酸壓改造的要求;②由于井深、射孔管柱長、油管負荷大,應采取有效措施防止射孔時油管斷裂或脫扣;③井下射孔器材滿足高含硫化氫環境的要求,防止井下器材被硫化氫氫脆腐蝕斷裂;④高含硫氣田射孔失敗的后果非常嚴重,所以必須保證可靠起爆和數百米的射孔器完全傳爆,使射孔施工一次成功。

1 射孔槍及射孔參數選擇

1.1 射孔槍選擇

普光氣田生產套管外徑177.8 mm,壁厚12.65 mm,內徑 152.5 mm。針對這種規格的套管,有Φ114 mm和Φ127 mm等2種規格的射孔槍可供選擇。若使用Φ127 mm的射孔槍,射孔彈和射孔槍的配合更趨合理,穿孔深度和孔徑比較大,地質效果較好,但基于以下4個原因,最終選擇了Φ114 mm射孔槍。圖1為普光302-2井身結構示意圖。

圖1 普光302-2井身結構示意圖

(1)普光氣田多為大斜度井,在套管內壁上可能殘留有固井水泥漿形成的固形物或套管變形,射孔器爆炸后會發生膨脹和彎曲變形,上提射孔槍至狗腿彎處或縮頸點存在卡槍的風險,射孔槍外徑越大,風險越大[1]。

(2)Φ127 mm射孔器比Φ114 mm射孔器重16%,射孔后形成的爆轟沖擊力也明顯增大,進一步降低了射孔管柱的安全系數,射孔管柱脫落的風險增加。

(3)考慮到射孔后需對地層進行酸壓改造, Φ114 mm射孔槍裝配1 m彈的射孔參數能滿足地質的需要。

(4)普光氣田高含硫化氫,打開氣層后的井下事故處理作業存在巨大的安全風險,所以對普光氣田射孔優先考慮工程安全和可靠,在此基礎上盡量滿足地質要求和提高射孔效果。

1.2 射孔參數選擇

普光氣田儲層為碳酸鹽巖,以孔隙溶洞型發育為主,縱向上物性差異較大,投產方式采取射孔后酸壓投產,所以射孔施工必須以提高酸壓效果為目的,在確保安全可靠的前提下,進行射孔參數優化。

根據射孔優化設計結果,采用深穿透、中等孔密和高相位,對產能的發揮將是十分有利的。選取1 m彈裝Φ114 mm射孔槍,其API混凝土靶測試指標值為穿深接近1 000 mm,入口孔徑達到13 mm,經過校正在井下實際穿深達到420 mm,入口孔徑達到11 mm,能滿足穿透泥漿污染帶的基本要求;為保證長井段Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類等3種類型儲層都能獲得較好的酸壓效果,應考慮壓裂時的限流要求,因此,Ⅰ類儲層射孔密度定為6～8孔/m,Ⅱ類儲層射孔密度定為10～12孔/m,Ⅲ類儲層射孔密度定為16孔/m;選擇60°相位角,螺旋排列,以利于溝通裂縫和提高酸壓效果。

2 油管保護措施

2.1 復合射孔管柱的設計

因為射孔后井筒內有硫化氫氣體侵入,所以輸送射孔器的油管采用BG90SSΦ88.9 mm抗硫油管。射孔井深達5 000 m,油管重量和射孔器重量接近1 000 kN,加之射孔器爆炸時對油管的沖擊,要求油管串重量盡可能輕且載荷強度高。如果全井段采用單一規格的油管,要么油管串重量輕但載荷強度低,要么載荷強度高但油管串重量重,管柱的安全系數都不高。所以設計時采用不同壁厚油管的組合管柱,上部油管負荷大,采用載荷強度高的厚壁油管,下部油管負荷較小,采用重量輕的薄壁油管,這樣使整個油管串的安全系數達到最高。以普光301-4井為例,射孔管柱采用BG90SSΦ88.9 mm組合管柱,從上到下依次為1 770 m×9.52 mm油管+3 331 m×6.45 mm油管+611 m射孔槍,經強度校核,組合射孔管柱安全系數為1.55,滿足射孔施工要求。

2.2 分段延時起爆技術的應用

600 m射孔器一次裝配7 000多發射孔彈(合計300 kg炸藥),如此多的射孔彈同時爆炸將產生巨大的爆轟沖擊,并由此引起油管串縱向震動。震動的強度難以計算,但肯定會在瞬間增加油管負荷,使油管串的安全系數降低。

為盡量減小射孔對管柱引起的震動,根據夾層段長度、射孔彈數量、射孔層厚度等具體情況將數百米長的射孔器串分成若干個獨立的起爆單元,每個起爆單元長度150 m左右。應用多級延時起爆技術,使每個起爆單元在不同時間按設計順序依次起爆,一次起爆的射孔彈由數千發減少為不足1 000發,合理分散射孔瞬間爆轟波產生的能量疊加,有效減小了射孔彈爆炸對管柱的沖擊。

2.3 使用縱向和徑向減震器

射孔器起爆時,將在其所在位置套管內形成強大的沖擊壓力波。為了減小對管柱的縱向沖擊,在每一級起爆單元的上部安裝1套縱向減震器,不但保護了油管,而且減輕了上一級射孔器的震動。縱向減震器采用彈簧和液壓雙級減震,最小縱向啟動力29 000 N。在每一級縱向減震器下方安裝1套徑向減震器,其支撐臂最大外徑152.4 mm,與7 in套管內徑相同,支撐臂壓縮外徑127 mm。徑向減震器的目的是消減射孔器管柱對套管的徑向撞擊,亦可降低上一級射孔器起爆時對下一級射孔器產生的徑向震動,以確保射孔一次成功率。普光氣田射孔管柱結構示意圖見圖2。

圖2 普光氣田射孔管注結構示意圖

3 抗硫材料的選取

(1)普光氣田井下液柱壓力達到75 MPa以上,起爆射孔器時井口加壓一般為26 MPa,射孔槍必須能承受井下100 MPa以上的高壓,附加0.2的安全系數,射孔槍耐壓指標應不低于120 MPa,所以射孔槍材質應有較高的屈服強度。

(2)1支射孔槍內最多有近60發深穿透的射孔彈,這些射孔彈同時爆炸產生強大的爆轟波在瞬間作用于射孔槍內壁,為保證射孔槍管不被其撕裂或斷裂,要求射孔槍材質應有一定的抗拉強度。

(3)具有一定的抗硫化氫腐蝕性能,在硫化氫分壓9.1～13.7 MPa環境中,射孔槍停留15 d以上不會被腐蝕斷裂。

聯合開發了 27CrMoXX材質的鋼材,鋼級TP110S,屈服強度890 MPa,抗拉強度936 MPa,延伸率22%,規格為Φ114.3 mm×11.00 mm。經過多方面檢測和實驗,符合ISO15156相關條款要求。硫化氫應力(拉伸)腐蝕試驗報告見表1。

表1 硫化氫應力(拉伸)腐蝕試驗報告檢驗編號:G080974 2008-05-27 QR16-10-16

用27CrMoXX材質的鋼材制成射孔槍管,外徑Φ114 mm,壁厚11 mm,抗外壓達到120 MPa以上,綜合機械性能滿足射孔彈爆炸的要求。

地面模擬試驗,1 m外徑Φ114 mm槍裝16發射孔彈,射孔后槍管上孔眼規則,孔眼直徑平均12.3 mm,射孔槍外徑膨脹不明顯,最小Φ116.9 mm,最大Φ119 mm,毛刺高度最小1.5 mm,最大4.2 mm,符合GB/T20489-2006規定指標。

接頭和其他工具的承力件也用27CrMoXX材質的圓鋼加工。下井射孔器材用抗硫材質加工,增強了射孔器材在井下酸性環境下的安全性。

4 起爆及傳爆技術

4.1 起爆技術

(1)分段延時雙向起爆。整個射孔器串分為3個起爆單元,每個起爆單元的上下兩端各安裝1個壓力延時起爆器,3個頂部起爆器設計的延時起爆時間由下至上依次是3 min、4 min、5 min;3個底部起爆器設計的延時起爆時間均為7 min。井口加壓后整個射孔器串自下往上逐級起爆,起爆間隔1 min左右。底部起爆器的作用是避免一旦某個頂部起爆器瞎火,底部起爆器將發揮后續補充作用,從而確保所有起爆單元全部起爆。射孔器各個起爆單元由下往上起爆,首先打開下部套管和地層的通道,便于上部射孔器起爆時泄壓。

(2)起爆壓力設計。多級壓力起爆技術要求射孔器串中所有起爆器盡量在同一時間起爆或起爆時間差盡量短,常用的壓力起爆器單個剪切銷釘的剪切強度為3.09 MPa,而分段射孔的長度一般在150 m左右。同一級射孔器的首位2個起爆器承受的靜液柱壓力差在1.5 MPa左右。為減小該偏差,在起爆器上設計了1個1.5 MPa的剪切銷釘,靠安裝或拆除這個小銷釘使起爆壓力盡量接近。

起爆器起爆是靠壓力剪切內部銷釘實現的,起爆壓力由井內液柱壓力和井口施加的壓力組成,只有當二者之和大于剪切銷釘的承壓能力時,起爆器才會起爆。起爆壓力的設計要求:①安全性,設定安全壓力門檻,在安全壓力以下,起爆器絕對不會起爆;②可靠性,設定起爆壓力閥值,壓力超過此閥值,起爆器絕對會起爆。

普光氣田產層套管為7 in套管,內徑 Ф152.5 mm,射孔油管選用 Ф88.9 mm復合油管,射孔器外徑Ф114 mm,接頭外徑Ф118 mm,射孔管串最大外徑Ф127 mm,射孔器串和套管的最小環空間隙為12.75 mm(射孔器居中情況下)。根據以往的施工經驗和研究成果,只要油管下放速度適當控制,波動壓力不會超過10 MPa。考慮到井下靜液柱壓力高并兼顧射孔器和井下工具的耐壓能力,將起爆安全壓力定為14 MPa。

起爆器剪切銷釘是由金屬材料制成的,由于材料固有的特性和加工精度的影響,剪切銷釘的剪切值成正態分布,離散范圍±4.5%;在井下經受高溫以后,剪切值下降。在設計銷釘個數時,以銷釘的承壓最小值計算起爆安全壓力,以銷釘的承壓最大值計算可靠起爆壓力,一般情況下二者的平均值就是起爆器起爆的實際壓力值。

為確保所有起爆器起爆,考慮地面加壓設備上壓力表的誤差和壓力損耗,井口加壓值應超過可靠起爆壓力2～3 MPa。

4.2 傳爆技術

在用油管向井下輸送射孔器過程中,頓鉆和溜鉆是很難避免的,由此產生的震動容易導致固彈架軸向壓縮,傳爆接點距離拉長,從而造成傳爆中斷或爆燃。井下數百米長的射孔器串共有傳爆接點100多個,任何一個接點出現傳爆中斷都標志著射孔施工的失敗,所以傳爆接點連接的可靠性是射孔槍設計的關鍵;另外導爆索技術性能和質量穩定性也是傳爆成功的關鍵[2]。

(1)固彈架。通常情況下固彈架用直縫焊管的公稱壁厚為:1.5 mm(1.4～1.6 mm),材料為Q195。在縱向沖擊力的作用下,這種彈架容易發生彎曲或斷裂,為了提高彈架的強度,增加彈架的抗破壞能力,Φ114 m射孔槍彈架采用公稱壁厚為2 mm的直縫焊管,材料為Q235。2種材料的力學性能對比見表2。2 mm壁厚的彈架的抗拉能力比1.5 mm壁厚的彈架管提高了77.8%。

表2 不同壁厚固彈架力學性能對比

固彈架在射孔槍內上端懸掛,并采取縱向減震和徑向扶正措施,防止射孔器在井下劇烈震動使固彈系統遭受損害。固彈架2端設計導爆索螺口鎖緊機構,對導爆索密度影響小,方便調整,防止人為操作失誤造成導爆索損傷。

(2)導爆索選取。常規導爆索由于制造工藝缺陷,在高溫環境下自然收縮,收縮率在3%～6%之間。普光氣田井下溫度130℃左右,射孔器在井下滯留時間長,導爆索的收縮容易引起傳爆接點的移位;耐高溫射孔彈較高的炸藥壓制密度,要求必須有高爆速爆轟波才能將其起爆。因此,選擇耐高溫、低收縮、高爆速導爆索,耐溫達到140℃/100 h,130℃下收縮率低于1%,爆速大于7 500 m/s。

(3)射孔槍串地面墩槍及傳爆試驗。3 m、1 m射孔槍各1支聯成槍串進行地面墩槍實驗,墩槍高度1 m,次數5次,墩槍后直接點火起爆。試驗表明:射孔槍串傳爆可靠,導爆索鎖緊組件及傳爆管扶正組件設計合理;但彈架的抗沖擊性不理想,為了提高彈架的抗沖擊性,設計了彈架與中間接頭的緩沖組件,由此提高了彈架與定位盤的連接強度,后續實驗表明改進有效,射孔槍串的抗沖擊性良好。

5 現場應用效果

2008年7～12月,對普光氣田主體普光301-2井等9口井進行了射孔施工,使用外徑114 mm射孔槍,相位角60°,孔密6～16孔/m,單井射孔器最大長度611 m,平均長度474.9 m,射孔一次成功率100%,射孔彈發射率100%。有關數據及結果統計見表3。

表3 普光主體1期9口井射孔施工數據表

上述9口井射孔后,下酸壓生產一體化管柱,封隔器坐封效果良好,說明射孔沒有使套管產生明顯變形。試氣結果達到或超過了預期產量,地質效果令人滿意。

根據射孔后提射孔槍時井口監測結果顯示,雖然是正壓射孔,但射孔槍內儲存有一定量的含硫化氫氣體,隨著射孔槍的上提逐漸釋放。射孔后射孔槍在井下停留5～6 d,沒有發生射孔槍被硫化氫腐蝕斷裂現象,射孔槍上沒有明顯的腐蝕痕跡。

6 結 論

(1)普光氣田碳酸鹽巖地層,采用114射孔槍裝配1 m彈射孔,不同儲層類型采用不同射孔密度,能滿足酸壓改造要求,地質效果好。

(2)深井長井段油管輸送射孔,采用不同壁厚油管的復合射孔管柱,分段延時引爆射孔器,縱向和井下減震器聯合使用,有利于保護油管。

(3)27CrMoXX材質的射孔槍可以滿足普光氣田高含硫化氫環境下油管輸送式射孔的要求。

(4)厚壁固彈架及與之匹配的傳爆系統可有效防止頓鉆或溜鉆造成的傳爆接點移動,傳爆可靠。

[1] 魏曉龍,董慶生,劉學廣.射孔施工遇卡原因分析及防止井下落物 [J].測井與射孔,2004(3):59.

[2] 周 瞾,宋留群,童士斌,等.油氣井射孔火工品失敗原因分析 [J].測井與射孔,2004(2):71.

Long Interval TCP Technique Applied in Deep G as Reservoir with High H2S

ZHAO Kailiang1,WU Yongqing1,YAO Huizhi2,WANG Peiyu1,WEI Yonggang1
(1.Zhongyuan Oilfield Geophysical Logging Company,Puyang,Henan 457001,China; 2.Resereh Institute of Petroleum Engineering and Technology,Zhongyuan Oifield Company,SINOPEC,Puyang,Henan 457001,China)

Puguang gasfield is characterized by deep well,long perforating interval,high H2S content,etc.Introduced are the researches on selection of perforating guns,perforating parameters and sulfur resisting materials,protection of tubing,design of reliable detonating and explosion propagation and so on.By analyzing the results of long interval TCP operations in 9 deep wells of Puguang gasfield,it has been proved that the application of 114 type sulfur resisting perforator,variable shot density technology and other technical designs can satisfy the requirements of acidizing and fracturing operations after perforating.Composite perforator string,interval time delay perforating,combination of radial and vertical shock absorbers and other technical measures can protect the tubing effectively and fulfill the requirements of reliable explosion propagation in long interval TCP operation.

perforation,H2S,long interval,perforator string,Puguang gasfield

TE257.1

A

2010-01-25 本文編輯 王小寧)

1004-1338(2010)04-0398-05

趙開良,男,1965年生,高級工程師,從事射孔工藝技術研究。