渤海大斜度井超長射孔層段射孔管柱防卡技術(shù)研究與應(yīng)用

鄧永剛，林家昱，王翊民，王菲菲，周祥

1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司（天津 300452）

2.中海石油（中國）有限公司 天津分公司（天津 300459）

0 引言

射孔技術(shù)是完井工程的重要技術(shù)組成部分，對油氣井產(chǎn)出能力、生產(chǎn)指數(shù)、生產(chǎn)壽命和開發(fā)成本等影響重大。大斜度井井斜角較大，射孔管柱在井內(nèi)居中度極低，超長射孔層段（Φ244 mm 套管射孔長度大于600 m，Φ177 mm 套管射孔長度大于700 m）射孔管柱過長，在確保滿足開發(fā)生產(chǎn)要求的前提下制定合理的射孔方案尤為關(guān)鍵[1-3]。目前在陸地油田，針對大斜度井防卡的技術(shù)，包括防黏超高密度鉆井液的研究[4]、大斜度定向井鉆井技術(shù)的研究[5]及采用酸化工藝消除套管壁上的毛刺[6]等工藝做了大量工作，而針對海上超長層大斜度井射孔的系統(tǒng)防卡技術(shù)研究還較少。

海上油氣田開采成本較高，一旦出現(xiàn)卡槍將影響作業(yè)效率，增加作業(yè)成本。對超長層大斜度井射孔防卡技術(shù)進行研究，有助于合理選擇射孔工藝、射孔管柱、射孔參數(shù)及射孔液，對保護儲層、保障井下作業(yè)安全、提高油氣井生產(chǎn)導(dǎo)流能力及提高采收率具有重大意義[7]。

1 管柱遇卡原因分析

海上油田完井作業(yè)過程中，常常會遇見完井管柱阻卡的情況，導(dǎo)致完井管柱在井內(nèi)無法自由活動。當阻卡嚴重時，管柱在井內(nèi)將完全失去上提、下放或轉(zhuǎn)動的可能性。對于大斜度井超長層段射孔，引起射孔后管柱遇卡的主要原因有以下幾點：①井筒準備不充分，套管內(nèi)壁附著的固相沉淀清潔不充分，射孔后震動導(dǎo)致其落卡槍；②射孔液懸浮能力差，碎屑堆積導(dǎo)致管柱遇卡；③射孔液暫堵性差，漏失過大導(dǎo)致壓差卡鉆；④大斜度井井斜角大的特點造成射孔管柱在井內(nèi)處于“貼底”狀態(tài)，射孔槍引爆后槍體留下的毛刺嵌入套管孔眼，造成管柱遇卡[8]；⑤射孔后產(chǎn)生的碎屑及進入井筒的地層砂造成管柱遇卡；⑥超長射孔段高孔密射孔對套管剩余強度造成影響較大，地層壓力較大將套管擠扁，上部井段固井質(zhì)量差造成射孔段套管變形，進而導(dǎo)致射孔管柱遇卡[9]。

2 防卡關(guān)鍵技術(shù)

2.1 高效井筒清潔技術(shù)

在大斜度井內(nèi)形成雜質(zhì)聚集區(qū)是不可避免的，在大于55°井斜時雜質(zhì)聚集，并且難以攜帶出井。大斜度井雜質(zhì)運移不再單純靠洗井液的縱向攜帶、拖拽能力，洗井工具、洗井方式等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的優(yōu)選更加重要[10]：①洗井工具優(yōu)選。使用多功能洗井過濾裝置，依靠頂部金屬毛刷與文丘里回收筒可實現(xiàn)高效井筒清潔，能有效回收井筒內(nèi)聚集雜質(zhì)及固相懸浮顆粒[11]。②間歇替入高黏度高切力稠塞，有效攜帶聚集雜質(zhì)，避免堆積沉淀。③自井底倒劃眼起鉆至射孔段頂200 m，再次充分循環(huán)，清除射孔段聚集物。④采用高排量高轉(zhuǎn)速洗井參數(shù)，洗井過程中保持管柱上下旋轉(zhuǎn)活動，使環(huán)空僅存在液體層和懸浮聚集層兩層流動[12]。

2.2 多功能EZFLOW射孔液

EZFLOW 射孔液體系是性能優(yōu)良的可逆弱凝膠體系，能夠有效阻止對儲層的污染傷害，較高的低剪切速率黏度有利于懸浮聚集物，提高井眼凈化能力。特殊結(jié)構(gòu)形成的單向強封堵反向易膨脹濾餅，完井時僅需微小的生產(chǎn)壓降就能清除，完全避免了常規(guī)射孔液對儲層、篩管、礫石等的堵塞。與渤海地層配伍性好，巖心滲透率恢復(fù)率高達96%，具有較強儲層保護能力，其主要特點如下：

1）良好的觸變性能。經(jīng)實驗，該射孔液能快速恢復(fù)空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，有效懸浮聚集物，阻止巖屑床的形成。實驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 觸變性實驗結(jié)果

2）較強的暫堵能力。經(jīng)實驗，射孔液瞬時濾失量、濾失速率較小，可有效防止射孔后瞬時濾失量過大而造成壓差卡鉆，實驗數(shù)據(jù)見表1。

2.3 射孔管柱設(shè)計

超長層射孔段射孔槍及射孔服務(wù)管柱過長，且大斜度井內(nèi)管柱磨阻較大，除常規(guī)射孔管柱設(shè)計需注意的問題外，超長層大斜度井還需考慮以下幾點：①射孔槍及服務(wù)管柱重量，啟動懸重均不能超過解卡用震擊器解鎖力；②射孔管柱弱點不能低于震擊器震擊力；③射孔后為防止卡槍，一般將射孔槍起出射孔段后壓井，起鉆時間較長，有效的井控措施不可或缺[13]。

針對超長層射孔管柱，綜合考慮以上風險，以Φ244 mm 套管射孔為例，推薦射孔管柱組合如圖2所示。采用該套射孔管柱組合具有如下的優(yōu)點：①采用雙點火頭保證引爆充分，減小斷爆可能；②管柱帶循環(huán)孔，射孔后如發(fā)生溢流可第一時間壓井；③使用安全接頭+機械震機“雙保險”，機械震擊器解鎖力應(yīng)至少大于底部管柱重量之和15 t；④管柱弱點為循環(huán)孔變扣處，射孔工具不易損壞。

表1 暫堵能力實驗數(shù)據(jù)

圖2 射孔管柱設(shè)計圖

2.4 射孔彈碎屑阻卡分析

為避免由于射孔后彈屑堆積導(dǎo)致卡槍[14]，參照API標準，對178 mm射孔槍692B-178R-11，40孔/m射孔彈射孔后彈屑展開分析試驗：射孔時掉落的彈屑量為188 g，對應(yīng)體積90 mL，運輸和旋轉(zhuǎn)掉落2 292.3 g，對應(yīng)體積613.7 mL，篩分定量分析見表2。

由表2 可以看出，在9.53 mm 篩孔直徑下，破片回收率為84.4%，滿足API要求。84.4%的射孔碎屑留在槍體內(nèi)，大大降低了射孔碎屑過多造成卡鉆，及后期難以循環(huán)出井筒污染地層的幾率。

2.5 套管剩余強度分析

套管剩余強度決定套管是否會發(fā)生變形，一旦射孔后發(fā)生套管變形將會造成卡鉆，并且難以處理[15]。選用超長層射孔段套管剩余強度分析對象為API 標準Φ244 mm 套管，壁厚為15.2 mm，屈服強度862 MPa，應(yīng)用692B-178R-11，40 孔/m 射孔彈進行射孔，應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS進行射孔后套管機械結(jié)構(gòu)強度計算。

為消除邊界效應(yīng)對射孔段套管強度造成的影響，計算模型1 為長度3 m 的原始套管，模型2 為射孔后的套管。通過在套管外施加100 MPa 地層壓力，未射孔的Φ244 mm套管內(nèi)部應(yīng)力達到858 MPa，非常接近屈服強度862 MPa，可確定套管抗地層應(yīng)力擠壓強度為100 MPa。

射孔后套管在地層壓力作用下，在孔眼處產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中。同時，在沿著射孔相位的螺旋線上產(chǎn)生了應(yīng)力集中區(qū)域。從計算結(jié)果可以推測：套管射孔后，在射孔的孔眼處強度會有所減弱并率先失效，套管的失效將沿著射孔相位的螺旋線發(fā)展。

分析計算顯示套管在65 MPa 地層應(yīng)力下未出現(xiàn)大面積屈服，而在70 MPa地層應(yīng)力下出現(xiàn)大面積的屈服。由此計算得Φ244 mm套管以40孔/m孔密135°相位射孔后套管剩余強度為原有強度的65%～70%，為65～70 MPa，在渤海常壓地層不會發(fā)生套管變形。

表2 篩分定量分析

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 海34井基本情況

海34 井是一口大斜度井，自730 m 以62°穩(wěn)斜鉆進至3 230 m，目的層位為館陶組，最大井斜角65°，生產(chǎn)套管為Φ244 mm套管，射孔段長度734.2 m，具體的射孔位置見表3。

表3 射孔位置

3.2 現(xiàn)場施工情況

為防止海34井在超長層大斜度井段遇卡，首先在洗井過程中采用多功能洗井過濾裝置進行井段清潔，自井底倒劃眼起鉆至射孔段頂200 m；再次充分循環(huán)，清除射孔段聚集物，并采用較高排量進行洗井。高效井筒清潔技術(shù)保證井筒清潔，洗井管柱出井后，多功能洗井過濾裝置回收筒內(nèi)攜帶出重約39 kg沉砂。

大斜度井內(nèi)管柱磨阻較大，選用射孔管柱組合，射孔液為多功能EZFLOW 射孔液。選用了178 mm 射孔槍692B-178R-11，40 孔/m 射孔彈，能夠保證Φ244 mm 套管以40 孔密135°相位射孔后，套管在地層不會發(fā)生變形。施工過程中下射孔管柱到位校深后將管柱置于射孔位置，加壓至射孔壓力后快速放壓，等待5 min 后管柱震動明顯，打開防噴器，此時環(huán)空液面快速下降；向環(huán)空內(nèi)快速連續(xù)補充工作液，同時上提管柱起至射孔段以上，實施反循環(huán)壓井。整個作業(yè)過程順利，未發(fā)生復(fù)雜情況。

采用上述技術(shù)分析研究，除了海34 井外，還在渤海油田進行了多井次大斜度井超長射孔層段完井作業(yè)，射孔后均未發(fā)生卡鉆、管柱斷裂等復(fù)雜情況，投入生產(chǎn)后生產(chǎn)效果均超過配產(chǎn)，其中海34 井的效果最好，實際產(chǎn)量超過配產(chǎn)的33.98%。

4 結(jié)論

1）射孔前井筒清潔對射孔作業(yè)安全具有關(guān)鍵性影響，利用高效井筒清潔技術(shù)可有效清除井筒內(nèi)聚集物，為射孔作業(yè)打下良好基礎(chǔ)。

2）使用EZFLOW可逆弱凝膠體系射孔液可有效防止射孔瞬間吸附卡鉆，且與渤海地層配伍性好。

3）超長層大斜度井射孔作業(yè)，需考慮射孔管柱合理性及安全性，選用低碎屑射孔彈可有效避免射孔后碎屑卡鉆，并需對高孔密射孔后的套管剩余強度進行分析，以免造成套管變形導(dǎo)致卡鉆。

4）根據(jù)超長層大斜度井防卡關(guān)鍵技術(shù)，在渤海油田進行了多井次射孔完井作業(yè)，射孔后均未發(fā)生卡鉆、管柱斷裂等復(fù)雜情況，其中海34 井的效果最好，實際產(chǎn)量超過配產(chǎn)的33.98%。