射孔液密度及壓力變化對(duì)油管傳輸射孔定位深度的影響分析與實(shí)踐

陳華彬， 楊登波， 葉忠瓊， 羅苗壯， 聶華富， 馬自強(qiáng)

中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司西南分公司

1 XX11井井況

XX11井是塔里木油田在庫(kù)車山前區(qū)塊[1]鉆探的一口預(yù)探井，鉆井工程設(shè)計(jì)為四開(kāi)，采用壁厚為12.65 mm的?177.8 mm套管封堵油氣層完井。采用密度2.05 g/cm3超微重晶石[2]鉆井液鉆至目的層位，設(shè)計(jì)井深6 200 m，實(shí)際完鉆井深5 747.4 m，預(yù)計(jì)地層壓力100 MPa，地層溫度135 ℃。下套管固井后，循環(huán)替入密度1.8 g/cm3磺化鉆井液[3]，進(jìn)行回接、鉆塞、銑喇叭口、刮壁等完井工序，人工井底5 720 m。

因XX11井井筒內(nèi)密度1.8 g/cm3磺化鉆井液不滿足高溫井況下的完井試油要求，試油工程設(shè)計(jì)采用密度2.05 g/cm3壓井液進(jìn)行射孔完井作業(yè)。射孔方式為?88.9 mm鉆桿傳輸射孔；鉆桿本體內(nèi)徑70.2 mm，公母接頭內(nèi)徑54 mm；射孔井段為5 632～5 639 m、5 644～5 649 m、5 653～5 660 m、5 665～5 678 m、5 682～5 692 m、5 695～5 703 m、5 707～5 716 m，射孔跨度84 m，射厚59 m；射孔器材選用SQ121-16-60-175型射孔槍及DP44HNS45-4XF型先鋒射孔彈，孔密為16孔/m，射孔相位60°。

由于現(xiàn)場(chǎng)僅有39 m3密度2.05 g/cm3的射孔液，為保障XX11井試油工作及時(shí)推進(jìn)，現(xiàn)場(chǎng)決策在通井過(guò)程中先替入該射孔液，在此基礎(chǔ)上起出通井管柱后下入射孔管柱，定位校深[4]完畢調(diào)整射孔槍對(duì)準(zhǔn)射孔層位，待后續(xù)射孔液到井后再以正替方式替入，確保全井筒為密度2.05 g/cm3的射孔液。

在執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)方案時(shí)，通過(guò)理論計(jì)算分析了校深前后射孔液密度變化對(duì)定位深度的影響，為油氣井油管傳輸射孔(以下簡(jiǎn)稱TCP射孔)定位校深提供參考。

2 理論計(jì)算

2.1 射孔液密度變化引起的射孔管柱變形量

由于射孔完井液密度變化時(shí)入井管柱尺寸、規(guī)格是不變的，入井管柱受力主要包括重力和浮力，管柱的重力不變，引起射孔管柱變形的增量源于射孔液密度增量，即浮力變化：

ΔF浮=Δρ·g·V

(1)

式中：ΔF浮—射孔管柱浮力變化，N;

Δρ—射孔液密度變化值，kg/m3；

V—入井管柱本體體積，m3。

其中管柱體積：

(2)

式中：S—管柱截面積，m2；

h—管柱長(zhǎng)度，m；

D外—管柱外徑，m；

D內(nèi)—管柱內(nèi)徑，m。

以XX11井為例，簡(jiǎn)化計(jì)算射孔液密度變化給管柱帶來(lái)的變形量。

SQ121-16-60-175型射孔槍外徑D槍為121 mm，射孔槍串長(zhǎng)度H槍為84 m，則射孔槍串的體積：V槍=0.966 m3

定位校深調(diào)整射孔槍對(duì)準(zhǔn)目的層位后，為滿足全井筒為密度2.05 g/cm3完井液，則后續(xù)還需要替入的射孔液液柱高度H4=5 720-H=3 228.39 m。

計(jì)算出后續(xù)替入射孔液的管柱本體促排量V：

V=S鉆·H4=7.54 m3

射孔液密度變化導(dǎo)致的管柱浮力變化ΔF浮：

ΔF浮=Δρ·g·V=250×9.8×7.54=18 473 N

發(fā)生密度變化井段對(duì)應(yīng)的管柱(鉆桿)長(zhǎng)度為H4，管柱變形量ΔL：

射孔液密度變化導(dǎo)致的管柱長(zhǎng)度壓縮量為0.12 m，在TCP射孔定位校深允許的深度誤差0.2 m范圍內(nèi)，因此，理論上XX11井射孔液密度變化導(dǎo)致的射孔深度誤差可以忽略。

若下射孔管柱前未進(jìn)行任何替液工作，在射孔管串下放對(duì)準(zhǔn)目的層位后再全井筒替換為密度2.05 g/cm3完井液，根據(jù)上述方法，計(jì)算得到射孔液密度變化導(dǎo)致的管柱長(zhǎng)度壓縮量為0.41 m，此時(shí)的變形量超過(guò)0.2 m的深度誤差允許范圍，必須再次進(jìn)行定位校深，重新調(diào)整射孔管柱以對(duì)準(zhǔn)目的層位。

2.2 井口壓力增量引起的射孔管柱變形量

對(duì)于投棒起爆的TCP射孔作業(yè)，此項(xiàng)不作考慮。對(duì)于壓力起爆的TCP射孔作業(yè)而言，井口施加的起爆壓力[5]可以間接表達(dá)為射孔液密度變化。

在不帶封隔器的常規(guī)TCP射孔作業(yè)中，壓力起爆需要從井口施加壓力增量Δp以剪切起爆裝置的銷釘，井口施加的起爆壓力為35 MPa、20 MPa不等。TCP射孔起爆時(shí)所施加的壓力增量會(huì)對(duì)射孔定位深度產(chǎn)生一定影響，由于井口注入液體不泄露，被井口加壓壓縮的液體將對(duì)井內(nèi)的射孔管柱產(chǎn)生壓縮變形，變形量與射孔管柱的總長(zhǎng)度H整呈線性變化關(guān)系。以XX11井為例，若施加的井口起爆壓力為35 MPa，則射孔管柱產(chǎn)生的近似浮力變化ΔF浮：

ΔF浮=Δp·S鉆=81 900 N

浮力變化引起的近似變形量ΔL：

以此類推，計(jì)算出施加的井口起爆壓力分別為30 MPa、20 MPa、10 MPa、5 MPa帶來(lái)的管柱變形量分別為0.83 m、0.55 m、0.28 m、0.14 m。對(duì)于井口加壓起爆的TCP射孔作業(yè)管柱[6]，推薦增加延時(shí)起爆裝置，以便井口加壓擊發(fā)起爆器后進(jìn)入延時(shí)，在延時(shí)時(shí)間內(nèi)將井口壓力卸至可控、可辨起爆的壓力范圍，促使射孔管柱盡量恢復(fù)到校深定位時(shí)的狀態(tài)，同時(shí)又能兼顧通過(guò)壓力變化觀察到射孔起爆。

對(duì)于帶封隔器的射孔聯(lián)作工藝，封隔器以下的減震管柱一般為數(shù)十至數(shù)百米不等，傳輸管柱內(nèi)加壓起爆的同時(shí)，環(huán)空也會(huì)施加平衡壓力，井口壓力增量給射孔管柱帶來(lái)的變形量可忽略不計(jì)。以XX11井采用帶封隔器的射孔聯(lián)作工藝為例，封隔器以下設(shè)計(jì)有長(zhǎng)度為300 m的?88.9 mm油管作減震管柱，當(dāng)井口施加的起爆壓力增量為35 MPa，采用上述方法，可以計(jì)算出壓力增量帶來(lái)的射孔管柱變形量為0.065 m，現(xiàn)場(chǎng)施工可以忽略。

3 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

XX11井在前期替入39 m3密度2.05 g/cm3超微重晶石鉆井液的基礎(chǔ)上，鉆桿傳輸射孔管柱下至目標(biāo)井段后，進(jìn)行第一次定位校深，通過(guò)伽馬和磁性定位曲線[7]進(jìn)行深度校核，射孔定位短節(jié)的底界深度為5 598.1 m。根據(jù)校深計(jì)算出的調(diào)整距[8]調(diào)整好射孔深度，使射孔槍對(duì)準(zhǔn)目的層位，然后采用密度2.05 g/cm3超微重晶石鉆井液90 m3以正眼低替的方式將井筒內(nèi)密度1.8 g/cm3鉀聚磺鉆井液全部替換出井，為驗(yàn)證替液后的射孔深度變化，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了第二次定位校深，得到定位短節(jié)的底界深度為5 598.08 m。

射孔液密度變化前后的兩次定位校深測(cè)得的定位短節(jié)底界深度分別為5 598.10 m、5 598.08 m，相差0.02 m。

兩次校核深度相差0.02 m，即射孔管柱整體縮短0.02 m，與理論分析計(jì)算的管柱壓縮量0.14 m均在TCP射孔校深允許誤差范圍內(nèi)，考慮替液密度及液柱高度誤差、人工校深誤差[9- 10]等因素的綜合影響，理論計(jì)算得到的結(jié)論與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際驗(yàn)證的結(jié)論是一致的，即給射孔帶來(lái)的深度誤差影響可以忽略，但理論計(jì)算結(jié)果偏大，這與理論計(jì)算模型簡(jiǎn)化、未考慮井身結(jié)構(gòu)、管柱彎曲變形等因素均有關(guān)系，因此，理論分析結(jié)果有一定的指導(dǎo)性，當(dāng)理論計(jì)算出的射孔深度差值較大時(shí)，推薦現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行二次定位校深驗(yàn)證。

根據(jù)井口起爆壓力對(duì)TCP射孔管柱變形量的影響分析認(rèn)識(shí)，XX11井在射孔管柱中設(shè)置了延時(shí)10 min的延時(shí)起爆裝置，在井口施加壓力增量35 MPa后，將井口壓力卸至8 MPa，在有效觀測(cè)到起爆瞬間的壓力變化的同時(shí)，消除了井口壓力對(duì)射孔深度的不利影響，保障了射孔成功作業(yè)，后續(xù)測(cè)試獲得良好油氣產(chǎn)量。

4 結(jié)論

(1)油氣井TCP射孔在完成定位校深及管柱深度調(diào)整后發(fā)生射孔液密度變化，會(huì)使射孔管柱產(chǎn)生變形，尤其是大變量密度變化、大變量液柱改變的情況，管柱變形量將影響定位深度的準(zhǔn)確性，因此需要從理論上獲取數(shù)據(jù)支持。通過(guò)XX11井案例分析，理論計(jì)算密度變化給管柱帶來(lái)變形量不大于0.2 m，可以不進(jìn)行第二次定位校深，與進(jìn)行二次定位校深取得的結(jié)論是一致的。反之則需要二次校深。

(2)射孔起爆時(shí)所施加的壓力增量會(huì)對(duì)射孔定位深度產(chǎn)生一定影響，對(duì)于不帶封隔器的常規(guī)TCP射孔作業(yè)，建議設(shè)置延時(shí)起爆裝置，加壓擊發(fā)起爆器后及時(shí)降低井口壓力，確保管柱恢復(fù)到定位校深時(shí)的狀態(tài)；對(duì)于帶封隔器的射孔聯(lián)作，井口壓力增量引起的管柱變形量對(duì)射孔深度影響不大，但考慮施工作業(yè)井筒、管柱安全性，建議增加延時(shí)起爆裝置，及時(shí)降低井口壓力。