海上復合射孔與地層測試聯(lián)作工藝技術(shù)研究及應用＊

王守君 譚忠健 胡小江 許 兵 劉振江 馮衛(wèi)華

（1.中海石油（中國）有限公司； 2.中海石油（中國）有限公司天津分公司； 3.西安通源石油科技股份有限公司）

海上地層測試是指利用帶有測試工具的管柱，在射孔后于井筒中獲取地層流體以及其他測試資料，并在對所獲取資料進行分析的基礎(chǔ)上對油層進行定性或定量評價的一種方法［1-4］。射孔測試聯(lián)作是將射孔器與測試工具聯(lián)接成管柱，一次下井同時完成射孔和測試2項作業(yè)的一項工藝技術(shù)。采用射孔測試聯(lián)作，不僅能夠降低作業(yè)成本和作業(yè)風險，而且可以避免射孔后再次壓井下管柱對地層造成的二次污染，從而提高油井錄取資料的準確性［5］。目前，射孔測試聯(lián)作工藝技術(shù)在海上已經(jīng)得到廣泛應用，形成了包括測試工具、作業(yè)規(guī)范和數(shù)據(jù)處理方法在內(nèi)的技術(shù)體系并日臻成熟。但對于復合射孔，由于射孔時火藥爆燃所產(chǎn)生的高溫高壓氣體的沖擊作用會對測試管柱（包括封隔器和測試儀器）造成損傷，因此長期以來一直未能實現(xiàn)復合射孔與測試聯(lián)作。隨著海上油氣勘探開發(fā)的進展，更多的中、低和特低滲透油藏有待開發(fā)，而復合射孔技術(shù)對此類油藏有著較好的開發(fā)效果，因此研究復合射孔與測試聯(lián)作工藝技術(shù)顯得尤為重要。

復合射孔與測試聯(lián)作工藝技術(shù)是將成熟的復合射孔技術(shù)及地層測試技術(shù)結(jié)合起來，一次下井作業(yè)，實現(xiàn)射孔壓裂后不起管柱直接進行測試的一項新工藝技術(shù)。筆者通過對復合射孔井筒壓力分布規(guī)律的試驗研究，設計開發(fā)了一套能夠有效衰減井筒軸向壓力和徑向震動的組合工具，經(jīng)現(xiàn)場應用，該套工具能夠有效保護封隔器和測試儀器不受損傷，測試儀器能夠正常工作。該項工藝技術(shù)的突破，不僅使作業(yè)成本得到大幅度的降低，同時也降低了作業(yè)風險，消除了單獨復合射孔后壓井起管串過程中對地層造成的二次污染，對提高油井錄取資料的準確性起到了積極的作用。

1 動態(tài)高壓對測試管柱的影響分析

1.1 動態(tài)高壓對測試工具的影響

復合射孔動態(tài)高壓對測試管柱的沖擊影響主要表現(xiàn)在以下2個方面：

（1）復合射孔產(chǎn)生的動態(tài)高壓在管柱中會形成強的應力波，由于復雜的界面條件，應力波在管柱中傳播時會產(chǎn)生不同時差的入射波和反射波，使管柱產(chǎn)生軸向和徑向的強烈震動，這種震動會損壞測試儀器和封隔器。

（2）動態(tài)高壓在井液中會形成沿井筒軸向傳播的強沖擊波，波后會形成毫秒級的（幾毫秒到幾十毫秒）準靜態(tài)高壓［6］，強沖擊波和準靜態(tài)高壓直接作用于封隔器，當超過封隔器的許用壓力值時，會造成封隔器失效或損壞。

1.2 動態(tài)高壓在井筒中的分布規(guī)律

（1）井筒環(huán)空中的初始壓力

利用井下p-t測試儀在某油田N井復合射孔作業(yè)實測所得射孔段附近區(qū)域的壓力-時間曲線見圖1（射孔器為通源公司F127-16DP38復合射孔器，射孔段長15.2m），曲線形態(tài)表征了復合射孔器爆燃在井液中所形成壓力的峰值、壓力上升速度以及壓力的自然衰減規(guī)律。對于不同的復合射孔器和不同的井筒條件，其壓力峰值、壓力持續(xù)時間有所差異，但其壓力的生成以及壓力的自然衰減規(guī)律是一樣的［6-7］。試驗結(jié)果表明，復合射孔產(chǎn)生的動態(tài)高壓在井液中能夠形成的初始壓力峰值一般在50～100MPa，井下實測曲線反映壓力波的脈寬約為0.1ms，不同裝藥量的復合射孔有效壓力（25MPa以上的壓力）作用時間在8～20ms。

圖1 某油田N井實測壓力-時間曲線

（2）環(huán)空壓力沿軸向分布規(guī)律

復合射孔爆燃氣體首先在井筒中產(chǎn)生動態(tài)的高壓環(huán)境，一部分壓力會釋放到地層中，還有一部分壓力會沿井筒軸向由高壓區(qū)向低壓區(qū)傳播。由于液體中壓力的突變，在井液中將形成強沖擊波，沖擊波的起始波頭壓力為復合射孔爆燃壓力峰值，并隨傳播距離的加大而逐漸衰減。為了進一步了解復合射孔動態(tài)高壓在井筒軸向的分布規(guī)律，為工具設計提供依據(jù)，利用爆燃壓力在不可壓縮液體介質(zhì)中的傳播理論對動態(tài)高壓隨傳播距離變化的規(guī)律進行了研究。動態(tài)高壓在水介質(zhì)和空氣介質(zhì)中的傳播不同。沖擊波和反射波在不可壓縮水介質(zhì)中的傳播規(guī)律可以近似看作符合聲學理論的規(guī)律［8］，即沖擊波傳播的衰減服從于指數(shù)衰減，可用式（1）表示

式（1）中：C為與沖擊波初始壓力有關(guān)的系數(shù)；α為沖擊波在水中的衰減特性系數(shù)；R為傳播距離。

對幾次現(xiàn)場復合射孔作業(yè)時射孔段附近不同距離處壓力峰值進行了測量，并通過最小二乘法擬合出C和α的值，得出式（2）的關(guān)系

通過幾次壓力測試（銅柱測試法），得到了不同測點處的沖擊波壓力（圖2a）。圖2a反映出了沖擊波的傳播衰減特征：一是指數(shù)衰減現(xiàn)象，符合指數(shù)衰減模型算法；二是頻散現(xiàn)象，波峰壓力下降，脈寬增大。沖擊波在井筒中傳播衰減過程中，高壓高頻沖擊波向低壓低頻沖擊波的自然轉(zhuǎn)變符合沖量守恒。應用最小二乘法得到壓力自然衰減擬合曲線（圖2b）。公式（2）和圖2b表征了復合射孔動態(tài)高壓在距射孔段0.82m處峰值壓力為76.9MPa時沿井筒軸向的自然衰減規(guī)律。從圖2b可以看出，當壓力傳播超過200m時壓力峰值仍高于40MPa，那么在距射孔段幾十米范圍內(nèi)壓力峰值自然會更高，可見沖擊波在井液中自然衰減的速度較慢，因此使用封隔器和測試儀器就會存在問題，必須設計一組能夠起到吸能減震作用的工具，使沖擊波在距射孔段幾十米內(nèi)能夠迅速衰減到封隔器許用壓力以下。

圖2 復合射孔動態(tài)高壓沿井筒軸向自然衰減測點壓力及壓力自然衰減擬合曲線

2 系統(tǒng)工具設計

2.1 對測試管柱安全性的要求

（1）測試管柱中的封隔器在整個作業(yè)過程中能夠可靠座封和解封，滿足測試狀態(tài)要求，管串起下順利。

（2）射孔壓裂后聯(lián)接在管柱上的測試儀器（敏感壓力計系統(tǒng)、管串密封系統(tǒng)等）在井下能夠正常工作。

（3）聯(lián)接在管柱上的其他井下工具能夠正常工作。

2.2 減震吸能工具設計

2.2.1 功能要求

（1）能將復合射孔產(chǎn)生的動態(tài)高壓氣體封閉在射孔段內(nèi)通過吸能裝置大幅度衰減，從而使壓力傳播到達封隔器時壓力峰值能夠衰減到低于測試儀器、封隔器以及下部橋塞的允許耐壓值。

（2）能夠大幅度衰減射孔槍串軸向和徑向的沖擊震動（即應力波），以防止沖擊震動造成管柱、儀器和封隔器損壞。

2.2.2 工具設計

設計了由伸縮式緩沖器、徑向阻尼減震器和縱向液壓減震器等組成的一組減震吸能工具。

（1）伸縮式緩沖器

伸縮式緩沖器（圖3）由上接頭、緩沖外筒、浮動活塞、連接接頭、緩沖心軸和下接頭組成。下井時心軸處于拉伸狀態(tài)，井液自動進入內(nèi)腔，形成液體墊。受復合射孔動態(tài)高壓的作用，緩沖器心軸可以沿軸向壓縮2.0m，將液體通過特殊設計的阻尼孔擠出腔體，能夠緩沖瞬間產(chǎn)生的封隔器下方體積變化，以及軸向應力波引起的封隔器和壓力計的軸向沖擊和位移，緩解射孔槍瞬間上竄產(chǎn)生的沖擊力，從而有效防止管柱在高速沖擊下產(chǎn)生彎曲或其他零部件的損壞。

圖3 伸縮式緩沖器

（2）徑向阻尼減震器

徑向阻尼減震器（圖4）是利用橡膠的阻尼減震特性，在阻隔和衰減爆燃壓力向封隔器方向傳播的同時，將沖擊波和應力波的能量部分轉(zhuǎn)換為機械能。

圖4 徑向阻尼減震器

徑向阻尼減震器具有3個方面的功能：①能夠衰減射孔系統(tǒng)所引起的管柱橫向震動，主要是通過橡膠件與套管的接觸來避免管柱與井壁套管的直接碰撞，從而減緩管柱的徑向沖擊震動；②通過阻尼孔設計，衰減沖擊波能量，減少對封隔器的直接沖擊；③在DST測試時井內(nèi)液體可通過軸向阻尼器的內(nèi)腔進入DST內(nèi)，實現(xiàn)測試。

（3）縱向液壓減震器

縱向液壓減震器（圖5）是以彈簧減震工具為基礎(chǔ)，在彈簧腔體上設計阻尼孔，使工具的彈簧腔與環(huán)空溝通；在射孔系統(tǒng)上竄時，彈簧腔體積減小，腔內(nèi)液體向環(huán)空排放，在通過阻尼孔時產(chǎn)生較大的摩擦阻力，吸收沖擊能量，進一步減弱射孔系統(tǒng)對測試工具和儀器的縱向沖擊震動。

圖5 縱向液壓減震器

以上3種工具的組合使用，可在射孔段以上30m以內(nèi)抑制復合射孔動態(tài)高壓在井筒軸向的傳播，保證封隔器和測試儀的正常工作。

2.3 減震吸能效果分析

通過數(shù)值模擬分析證明所設計組合工具的減震吸能效果。

（1）對井液中沖擊波的削波效果

對井液中沖擊波的削波效果見圖6，與圖6a測點位置和距離對應，圖6b中紅色、藍色和綠色曲線分別代表測試起點、中點和終點位置流體壓力的波動狀況。從圖6可以看出，經(jīng)過了半個阻尼裝置的距離，壓力波峰值從85MPa下降到35MPa，完全經(jīng)過裝置后，壓力波峰值下降到4.8MPa，同時波形脈寬略有增加；可見，阻尼裝置對井液中沖擊波的削波效果能夠達到94.2%。

（2）對管柱中應力波的緩沖減震效果

對管柱中應力波的緩沖減震效果見圖7。與圖6a測點位置對應的阻尼器的管柱位置，圖7中紅色、藍色和綠色曲線分別代表測試起點、中點和終點位置管柱應力的波動狀況。從圖7可以看出，經(jīng)過了半個阻尼裝置的過濾，應力波峰值由75MPa下降到37.5MPa，完全經(jīng)過裝置后，應力波峰值下降到18.2MPa，同時波形脈寬也略有增加。阻尼裝置對管柱應力波的緩沖效果達到了75.8%。

3 現(xiàn)場應用

自2007年5月在QHD35-2-2井首次成功進行復合射孔與測試聯(lián)作作業(yè)之后，截至2011年底，又先后在渤海QHD、KL、BZ等區(qū)塊采用不同的復合射孔器成功進行了20余次復合射孔與測試聯(lián)作作業(yè)，取得了很好的應用效果，射孔壓裂后聯(lián)接在管柱上的測試儀器（敏感壓力計系統(tǒng)和管串密封系統(tǒng)等）在減震裝置的作業(yè)下得到了很好的保護，均沒有遭受損壞。

某應用實例情況如下。

（1）施工井基本情況及井下管柱結(jié)構(gòu)

施工井BZ2井位于渤海海域，為探井，井型為直井；射孔井段地層為東營組二段，深度為3 360.00～3 365.00m，巖性為細砂巖，孔隙度18%，滲透率22mD；射孔液（海水）密度為1.03g／cm3。復合射孔與測試聯(lián)作井下管柱結(jié)構(gòu)見圖8。

圖8 BZ2井復合射孔與測試聯(lián)作管串結(jié)構(gòu)示意圖

（2）射孔方案

射孔器：F127-40DP26復合射孔器；

推進劑藥量：500g／m；

起爆方式：首部機械投棒撞擊起爆；

作業(yè)方式：復合射孔與測試聯(lián)作；

射孔器井下深度定位方式：GR＋CCL同位素校深定位；

射孔時井下壓力狀態(tài)：負壓。

（3）測試結(jié)果

聯(lián)作管柱連接及下井正常。投棒點火后，射孔系統(tǒng)正常起爆；射孔后環(huán)空壓力操作正常，封隔器座封可靠；測試結(jié)束后，正常解封封隔器，井下管柱順利起出井眼。

井下管柱起出后檢查，射孔槍發(fā)射率100%，槍身完好；封隔器膠筒完好，壓力計數(shù)據(jù)回放正常。所設計井下工具對復合射孔產(chǎn)生的動態(tài)高壓起到了減震和削弱作用。

BZ2井以6.35mmPC油嘴求產(chǎn)日產(chǎn)原油72.5m3、天然氣8 345m3。通過試井解釋，該測試層表皮系數(shù)（S）為-2.76，說明復合射孔測試聯(lián)作避免了射孔后再下測試管柱測試過程中壓井液帶來的二次污染，同時在一定程度上也反映了復合射孔改善了地層滲透性，取得了很好的應用效果。

4 結(jié)論

（1）多井次應用結(jié)果表明，復合射孔與測試聯(lián)作工藝技術(shù)施工簡單，管柱起下順利，測試儀器能夠正常工作，滿足地層測試要求。

（2）復合射孔與測試聯(lián)作系統(tǒng)工具設計合理，能夠有效抑制復合射孔動態(tài)高壓對封隔器和測試儀器的影響；伸縮式緩沖器、徑向阻尼減震器和縱向液壓減震器三者可以不同數(shù)量和不同串聯(lián)形式任意組合使用。

本論文成果是中海石油（中國）有限公司綜合科研項目集束勘探配套項目部分成果，已獲得實用新型專利2項。

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