一趟管柱分层分时射孔测试技术

董拥军,隋朝明,高文涛,刘涛,王英杰,周华楠

(中国石油集团测井有限公司天津分公司,天津300280)

0 引 言

射孔完井是获得油气藏评价的重要手段。普遍采用的作业方式是单层单试射孔测试联作技术,即一次射开1个层位,试油完成后,起出射孔测试联作管柱再对下一层进行试油,一般采取注灰封堵,施工周期长、费用高。另一种作业方式是多层射孔测试联作技术,即一趟管柱对多个层位进行射孔,多层联合试油,这种工艺会造成试油信息的偏差,不能精确评价每个层位。如果采用多个封隔器卡封分层试油,不同层位间存在层间压差的干扰问题,也曾出现封隔器卡钻事故,尚处于研究发展阶段[1]。斯伦贝谢公司、巴西石油公司在海洋深水项目开发中应用一趟管柱多层射孔测试联作工艺技术,取得良好效果[2]。

本文在分层测试技术基础上,以精细试油评价为目的,提出了在不动管柱、不循环压井的条件下,一趟管柱一次完成2个层位的独立射孔、分层测试,比现有成熟试油工艺技术更加先进。该技术已经在大港油田推广应用20余井次,取得了良好的试油效果,经济效益显著。该项技术是继国内引进油管输送射孔与测试联作工艺后,首次在分层测试技术上的创新。

1 分层分时射孔测试理论

一趟管柱分层分时射孔测试是一趟管柱将不同层位射孔枪及试油测试工具组合一次下井,图1为分层理论管柱方案示意图。测试层间用封隔器分隔层位,井下控制层间测试、产液通道,按照自下至上的顺序,分层射孔、独立测试。测试间隔时间是第2层射孔枪能否正常起爆射孔、地面能否完成全部测试流程的关键参数,这个时间参数还与温度密切相关。对于高温、超高温井,为了减缓火工品晶间分解速度,有必要减少作业时间及火工品井下停留时间,这也是保证第2层射孔枪正常起爆的一种方法。

图1 分层理论管柱方案示意图

第2层射孔枪在长时间停留后不仅要正常射孔,还要承担与输送管柱同样的作用,这就涉及封隔器旋转下压管柱坐封流程,直接考验第2层射孔枪的安全性,也是保证分层射孔的关键。在不动管柱、不循环压井的条件下,建立第1层与第2层互不干扰的测试环境,这关系着能否达到精细试油的目的,也是一趟管柱分层分时射孔测试意义所在。

2 分层射孔测试管柱优化设计

受封隔器坐封、井底温度、射孔枪停留时间等因素影响,分层射孔测试管柱的安全性尤为重要,通过理论计算、现场试验对关键技术环节进行分析论证。

2.1 起爆方案

封隔器以下第1层射孔枪采用压力延时起爆技术,射孔瞬间不附加起爆压力至目的层,可以保持在静液柱压力状态下射孔,有利于地层能量恢复和回吐[3-4]。为了避免井筒环空压力对第2层射孔枪的起爆装置产生影响,第2层射孔枪采用密闭式投棒起爆技术;为防止管柱沉砂或地层产液携砂掩埋第2层射孔枪起爆装置,管柱中设计了防沉砂结构,有效避免了第2层射孔枪投棒后无法起爆的问题。

2.2 分层方案

一趟管柱分层射孔测试过程中两层产液互不干扰,这是分层精细试油的关键技术,射孔关孔装置实现了这一作业目的(见图2)。该装置入井时为常“开启”状态(装置下部与井筒连通),封隔器坐封后,第1层产液经过该装置进入封隔器以上环空空间,经过碎石循环装置进入油管至地面测试流程。同样,此通道也是第1层射孔枪起爆的压力传递通道。第2层起爆装置会受井内压力影响,因此,设计投棒式解锁、压力起爆,在未投棒解锁的情况下无法激发起爆,这样就保障了第2层射孔枪的安全。当第1层测试完成后需要对第2层开始试油时,投棒起爆第2层射孔枪,射孔关孔装置由“开启”变“关闭”状态,切断第1层与封隔器以上井筒空间的连通,这样就实现2个层位分别射孔、独立测试。

图2 射孔关孔装置示意图

射孔关孔装置是分层控制的核心,该装置设计了滑套向上限位结构。装置中剪切销钉承受第1层射孔枪爆轰冲击和井内液柱压力,但不会剪断销钉出现误“关闭”动作,只有当第2层射孔枪爆轰冲击压力施加在该装置上部时,才能在压力作用下推动滑套向下动作,剪断装置内剪切销钉。在爆轰冲击和井内液柱压力的共同作用下,滑套继续向下运动,关闭密封流通孔。射孔关孔装置的单个流通孔直径为30 mm,总流通面积为2 826 mm2,与2in(1)非法定计量单位,1 in=2.54 cm,下同加厚油管(流通面积为2 550 mm2)相比,可以满足第1层测试、产液流通需求。

2.3 封隔器安全分析

分层测试管柱中使用封隔器隔离上、下测试层,封隔器受爆轰冲击和井内压力波共同作用,容易发生损伤失封或意外解封事故[5]。为了解决这类事故,需要依据相关数据准确计算封隔器与射孔枪串的安全距离。关于封隔器在射孔管柱中位置的研究,高勇德等[6]根据枪型和套管尺寸,以及压力波传播规律,计算封隔器与射孔枪的最小安全距离

(1)

式中,R为封隔器与射孔枪的最小安全距离,m;m为炸药的总质量,g;c0为井液中的常态声速,m/s;Δp为封隔器耐压差,Pa;p2为反射压力,Pa;w为封隔器以上管柱重量,t;s为封隔器环空截面积,m2;n为炸药多方指数,无量纲。

针对以上理论分析和计算模型,开发了相应模拟计算软件,对一趟管柱施工中封隔器与射孔枪的最小安全距离进行准确计算,设计人员可根据2层射孔枪之间的距离,合理设计封隔器在管柱中的位置。除此之外,纵、横向减震装置也能有效地减缓射孔爆轰对封隔器的冲击,这也是保护测试管柱安全的重要方法。

2.4 封隔器上部射孔枪优化

分层测试管柱中旋转封隔器下压管柱坐封时,第2层射孔枪将承受封隔器上部管柱的重量与旋转扭力,第2层射孔枪承受管柱总重量一般为10～18 t。如果第2层射孔枪受压发生弯曲,容易导致枪体密封失效、断裂等工程事故。为此特制重型射孔枪及T型连接螺纹,确保第2层射孔枪各项参数满足管柱总重量及封隔器旋转坐封的要求。重型射孔枪各项参数:射孔枪外径×壁厚89 mm×10 mm,屈服强度836 MPa,挤毁压力166 MPa。

分层测试管柱设计中还要重点考虑另一个问题,即管柱下放过程中的激动压力。通过研究发现,由于地面与井下条件差别大,井内压井液比重随深度会有不同程度的变化,特别是深井、超深井,射孔管柱实际受到液柱压力与理论计算有较大差异。因此,对于以压力控制的射孔、测试装置,可能会出现异常打开或提前射孔等工程事故。同时,由于受套管环形空间、管柱自身重量以及封隔器旋转坐封的影响,射孔枪同管柱中油管一样,都存在一定程度的弯曲。基于以上问题,研制了加大外径带导流槽式连接装置(见图3),将第2层射孔枪配套这种连接装置,使第2层射孔枪在竖直方向上受力均匀,减少弯曲程度和激动压力影响。

图3 加大外径带导流槽式连接装置

2.5 分时测试间隔时间分析

第1层射孔枪射孔后,在规定的安全时间内,顺利完成第1层地面测试流程至关重要。第2层射孔枪留置井内的最长安全停留时间,成为分层测试的关键参数,停留时间短不足以完成第1层地面测试流程,停留时间长可能会导致第2层射孔枪无法正常起爆甚至自爆。最长安全停留时间确定方法:①根据火工品生产厂家的耐温—时间曲线推算;②根据某温度下的耐温—时间实验数据计算;③参照已施工井的成功经验。

例如:某井最高温度160 ℃,根据射孔中使用的起爆器、传爆管、导爆索、射孔弹等火工器材,按照耐温等级最低的火工品种类计算最长安全停留时间。最优方法是在160 ℃条件下,进行火工品耐温—时间实验,准确得出第2层射孔枪的最长安全停留时间;当没有准确的耐温—时间数据时,依据火工品生产厂家的耐温—时间曲线结合成功的作业经验数据,推算第2层射孔枪的最长安全停留时间,确保射孔枪在井内高温环境下的安全。

3 综合方案设计及作业流程

3.1 射孔枪型

一趟管柱分层分时射孔测试技术已配套89型、102型、127型射孔枪系列,可以满足5、5.5、7 in套管作业要求。根据地质、工程需求,可实现不同层位、不同射孔枪的组合应用,第1层与第2层射孔枪组合方式有2种:102型和89型、127型和102型。

3.2 作业流程

按照一趟管柱分层分时射孔测试管柱设计方案(见图4),将第1层射孔枪、封隔器、测试工具、第2层射孔枪下入井内,第1层与第2层射孔枪之间用油管连接。第1层射孔枪采用油管或环空加压起爆,压力由封隔器上部的射孔关孔装置传递到封隔器以下油管内,通过控制井口操作压力的大小,激发压力延时起爆装置完成第1层射孔枪起爆[7],进入第1层试油测试作业流程。地层流体通过封隔器下部筛管进入油管内,经过射孔关孔装置进入封隔器以上环空,再经过碎石循环装置进入油管内,进而到地面集采设备,当第一层试油测试结束后,进入第2层射孔流程。第2层射孔枪采用投棒起爆,射孔后爆轰压力作用于射孔关孔装置,关闭第1层测试通道。第2层地层流体通过碎石循环装置进入油管内,进而到地面集采设备,进入第2层独立试油流程。

图4 一趟管柱分层分时射孔测试联作管柱图

4 应用实例

一趟管柱分层分时射孔测试技术,已在大港油田陆上及人工岛应用20余井次,实现了2层分层分时射孔试油测试作业,测试信息准确,周期短,成本低。第2层射孔枪最长停留时间达100 h,射孔作业一次成功率100%。

4.1 埕海XX井

4.1.1基本井况

该井为大港油田渤海湾埕海区块的一口重点评价井,海洋平台试油完井,地理位置特殊,要求缩短试油周期、减少起下钻工序、保护油气层及海洋环境。通过方案论证,设计一趟管柱分层分时射孔测试联作试油方案,射孔井段3 945.8～3 966.6 m(第1层)、3 633.5～3 681.9 m(第2层),射孔总跨度333.1 m;第1层使用102型深穿透射孔枪,孔密20孔/m,相位90°;第2层使用89型深穿透射孔枪,孔密20孔/m,相位90°;最高井温130 ℃,分层测试间隔设计时间120 h,分层测试间隔实际时间96 h;封隔器预设深度为3 780 m,与第1、2层射孔井段距离较远,纵向减震器可有效保护封隔器安全。

4.1.2管柱设计及安全性评价

图5为埕海XX井管柱示意图,该井第1层射孔顶界(3 945.8 m)距离封隔器(3 905.0 m)较远,采用减震器和油管可以有效保护封隔器及管柱安全。

图5 埕海XX井管柱示意图

4.1.3作业时效及试油效果分析

第1、2层射孔枪正常射孔,地面监测信号明显,相比于常规分层试油时效,作业工序由20道减少到12道,起下钻减少4趟,作业时间由636 h缩短至454 h,提高时效约29%。

第1层射孔后产油18.42 t/d,第2层射孔后产油514.08 t/d,2个测试层位产量对比明显。该技术还减少洗压井次数、封堵作业,节省作业费用240万元,有利于保护海洋环境。

4.2 港深XX井

4.2.1基本井况

该井为大港油田港深断块一口重点探井,试油工艺要求不同层位的产液不能混合,以获取最真实地层信息。射孔井段4 431.9～4 468.7 m(第1层)、4 336.9～4 369 m(第2层),射孔总跨度131.8 m;第1层使用89型深穿透射孔枪,孔密20孔/m,相位90°;第2层使用89型深穿透射孔枪,孔密20孔/m,相位90°;最高井温175 ℃,分层测试间隔设计时间120 h,分层测试间隔实际时间100 h;封隔器预设深度为4 420 m,计算封隔器以上管柱和坐封总重量18 t。

4.2.2管柱设计及安全性评价

图6为港深XX井管柱示意图。该井第1层射孔顶界(4 431.9 m)距离封隔器(4 420 m)较近,模拟计算了第1层射孔枪爆轰对封隔器的冲击压力(见图7)。图7中蓝线为4 454 m处模拟计算射孔瞬间压力曲线,射孔枪起爆峰值压力约135 MPa;红线为封隔器下部4 421 m处模拟计算压力曲线,封隔器下部反射波峰值压力为125 MPa,该处静液柱压力为43 MPa;封隔器以上管柱和坐封总重量18 t,计算封隔器瞬间承受上、下压差为67.4 MPa,已接近封隔器额定耐压差70 MPa,封隔器容易受到射孔枪的爆轰冲击意外解封或损坏,需要重新设计封隔器位置。

图6 港深XX井管柱示意图

图7 模拟计算结果图

将封隔器位置调整至4 381 m,计算射孔枪爆轰对封隔器冲击压力,计算结果见图8,封隔器下部反射波峰值压力为85 MPa,封隔器瞬间承受压差26.4 MPa,远低于封隔器额定耐压差指标,这样保护了管柱中封隔器安全。

图8 重新设计封隔器位置模拟计算结果图

4.2.3作业时效与试油效果分析

第1及第2层射孔枪正常射孔,地面监测信号明显。相比常规分层试油时效,一趟管柱分层分时射孔测试技术使作业工序由19道减少到11道,作业时间由576 h缩短到404 h,提高时效约30%。

第1层射孔后自喷产气7×104m3/d;第2层不压井、带压投棒起爆,射孔后自喷产气10×104m3/d,产出效果明显。

5 结论和建议

(1)一趟管柱分层分时射孔测试技术实现了一趟管柱多层位精细射孔测试,填补了国内技术空白,为油气田勘探开发提供了新思路。

(2)该技术不动管柱、不循环压井,有利于储层保护,试油周期短、成本低、时效高,测试信息准确。

(3)该技术适用于新井试油,不适用大斜度井、水平井作业,高压井作业还需进一步完善。

(4)未来将推进一趟管柱双封隔器三层试油技术,向深海射孔测试、压裂、酸化、防砂等一次性完井作业方向发展。