川東北超深含硫水平氣井射孔工藝技術探討

倪先龍 （中國石化集團西南石油局測井公司 四川 成都 610100）

引言

川東北有著豐富的油氣資源，僅普光氣田探明儲量即有3500億立方米，加上外圍則達到4200億立方米。四川盆地川東北巴中低緩構造元壩區塊長興組礁灘復合體的突破更是為川東北的油氣勘探再添佳績。但是川東北的油氣層均埋藏深，以元壩區塊長興組礁灘復合體為例，目的層深度均在7000米左右，最深直井達7450米，最深斜井7990米。隨之而來的則是高溫（最高達165℃）高壓（鉆井時達153 MPa），而且由于是海相地層還高含硫；同時為了提高單井產能，高效開發元壩長興組超深含硫氣藏，大斜度井及水平井在該區大量應用。這些復雜條件對射孔技術提出了嚴峻的挑戰，無論對工藝、火工品還是射孔器材都提出了更高更嚴格的要求。而在如此深的含硫超深水平井中開展射孔工作，在國內還沒有先例，因此，研究高溫高壓高含硫條件下的水平井射孔工藝、火工品和器材就顯得尤為重要。本文在前期技術調研、實驗的基礎上，結合元壩地區施工的YB10-側1井射孔實例對含硫超深水平井的射孔工藝、火工品和器材進行了探討，取得了一些初步認識。

1、前期調研和射孔初步方案

1.1、Y B 10-側1井基本數據

YB10-側1井是四川盆地川東北巴中低緩構造元壩區塊長興組Ⅰ號礁灘復合體上大斜度超深井，目的層為海相地層，在長興組有良好顯示。完鉆井深7273米，造斜點6404.88米，最大井斜79.14°，完鉆垂深6861米，射孔段套管為177.8mm×12.65mm；井內預測H2S含量3.7%～7.2%，CO2含量6.62%～15.5%，井底溫度150℃左右，射孔時井底壓力108MPa，射孔井段7011-7180米，射孔長度169米，跨10個氣層。

1.2、射孔難點

在此之前，國內沒有施工過類似的超深大斜度含硫氣井射孔先例，沒有相關施工經驗借鑒。經過分析研討，本井主要有以下難點：

(1)射孔槍的選擇：理論上越大的射孔槍越利于油氣井的開發，但同時必須考慮槍和套管間隙，槍身在井斜變化大的位置的通過能力，射孔后產生的毛刺是否會卡槍等問題。

(2)高壓：本井設計射孔壓井液為1.21g/cm3泥漿，井底靜壓力81.36MPa，射孔采用加壓起爆方式，設計井口加壓16 MPa；同時根據深井射孔作業規范和銷釘剪切值5%的誤差可在設計基礎上附加3-10 MPa，綜合考慮井底最高壓力可達108 MPa。為此所有射孔器材均要考慮耐高壓性能。

(3)高溫：本井射孔段地層溫度有150℃，密封圈和導爆索、射孔彈等火工品均要考慮耐高溫性能。

(4)防退扣：水平井和大斜度井井筒與槍串的摩擦力大，很容易在接頭處退扣，導致掉槍。因此需要考慮接頭與接頭之間的防退扣和接頭與套管接頭間的卡掛風險。

(5)防硫：本井含硫，無論射孔槍、起爆器和密封圈都要考慮高壓高溫下的防硫問題。

(6)防卡：本井作業時間長，射孔槍串在井內滯留時間長，還要考慮粘卡風險。

1.3、射孔初步方案

(1)射孔液的不僅涉及到射孔管柱的安全，同時還涉及射孔后井內壓力的平衡和射孔加壓起爆時壓力的傳遞。前期設計采用無固相泥漿做為射孔液，但由于成本太高，只能采用固相泥漿作為射孔液，通過對YB10-側1井鄰井的壓力資料統計，元壩長興組地壓系數在1.0-1.06左右。根據標準，高壓氣井附加0.15,因此YB10-側1射孔泥漿密度選擇1.21 g/cm3。

(2)YB10-側1井套管完井為177.8mm套管，最大井斜角79.14，常規配套的127槍遇阻的風險極大，根據普光類似水平井以及前期HF302大斜度井的經驗，需采用114mm及以下尺寸射孔槍。

(3)射孔參數初步定為孔密16，相位60°，螺旋布孔。

(4)目前川東北已射孔井（井深5000米左右）多采用HMX火藥射孔彈，考慮用HMX火藥射孔彈。

2、工藝論證

2.1、射孔槍的選擇

射孔槍大小的選擇主要受射孔段套管內徑和斜井段狗腿度的影響，射孔槍材質和厚度決定其耐壓。

通過表1看出：在套管177.8mm情況下，配127槍槍套間隙小，校正后的穿深、孔徑最大，射孔效果最好；但射孔槍爆炸后會發生膨脹和彎曲變形以及射孔產生得得毛刺，上提射孔槍至 “狗腿彎處”存在卡槍風險，射孔槍外徑越大，風險越大；而且127射孔槍重量比114槍重量高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。因此為了安全選用114槍。

本井狗腿度最大井段6434.45-6449.5m/15.05m，理論計算不考慮毛刺的情況下114槍槍身通過能力為64.49m?？紤]出現毛刺的可能，槍身通過能力為55.48m，這樣一次射開169米的長度顯然太長?？紤]下套管后狗腿度可能會變小，槍體本身具有一定的柔韌性，為了保證傳爆同時為了減輕射孔槍起爆瞬間產生的爆轟波對射孔管柱安全的影響分兩至三個射孔單元，中間用篩管連接。

2.2、射孔彈的選擇

在高溫條件射孔，主要是要解決整個射孔系統耐高溫的問題，YB10-側1井射孔段的溫度在150℃左右，如圖1常規的高溫射孔器材（HMX）的耐溫指標為160℃/48小時，基本可以滿足YB10-側1井的射孔需要；但第一次施工如此深的水平井并不能保證48小時完成施工，為了確保成功和為后期更高溫度射孔積累經驗，本井采用了超高溫的射孔器材即PYX系列。射孔彈、導爆索、傳爆管、起爆器全部采用超高溫系列。選擇的射孔彈型為DP43PYX45-5,其地面打柱狀水泥靶的穿深達到900mm，鋼靶穿深為195mm，孔徑為11mm。

2.3、射孔參數選擇

在一定的工藝條件，影響射孔效果的主要因數是射孔參數。理論研究表明，一般情況下產率比隨孔深的增加而增加，當孔深增加到一定程度時，氣井產率比增加的幅度明顯變緩，一般長井段氣井在低孔密情況下孔深的影響更為明顯，通過調整彈型可以達到控制孔深，實現對儲層產出能力的控制。

該井選用的射孔彈穿深達到900mm，孔徑11mm，能較好的滿足射孔的需要，同時在顯示好的井段采用低孔密的射孔。在顯示不太好的井段采用16孔/米的孔密。為了盡可能沿地層的最大主應力方向射孔，采用60°相位螺旋布孔方式。

2.4、防倒扣和防卡

大斜度井井筒與槍串的摩擦力大，很容易在接頭處退扣，導致掉槍。因此，射孔槍接頭之間全部采用頂絲防倒扣裝置，上下兩端30度倒角防卡。

表1 射孔槍及射孔彈參數表

2.5、射孔工藝和管柱安全

為了縮短射孔槍在井內的停留時間，防止出現因射孔槍在井內停留時間過長，射孔泥漿性能發生變化造成卡槍等事故，不采用射孔-測試聯作工藝，采用光油管的TCP射孔工藝。射孔加壓起爆時，井口不裝采油樹，射孔點火后地面觀察1-2小時，然后上提射孔槍出井口，再組下封隔器管柱進行酸壓改造。

3、器材實驗

3.1、防硫

在含硫化氫的井內射孔，防硫是目前國內射孔面臨的一個主要難題。如果全部采用材質防硫，成本太高，器材的加工周期長，不能滿足生產的需要。通過調研，硫化氫在93℃以上對金屬材料的腐蝕大大減弱，而YB10-側1井射孔段的溫度在150℃左右，射孔時用泥漿壓井，射孔后井內基本不會有硫化氫，鑒于此決定采用部分防硫的方式。射孔槍、壓力起爆裝置、延時起爆裝置、槍接頭、等產品材料都選用32CrMo或40CrMo，熱處理HRC：20-25（經過退火、正火、調質處理），采用磷化表處理。最后通過優化射孔工藝，提高射孔效率，縮短射孔槍在井內的停留時間等來達到防硫的目的。

3.2、為了確保一次性成功和為以后施工提供數據作了以下實驗：

①對所用的射孔槍全部做了35MPA、穩壓15分鐘的低壓防滲漏試驗，并隨機抽取一只射孔槍做了120MPA、穩壓15分鐘的高壓試驗。所有射孔槍均合格。

②所有密封圈全部做了200℃高溫狀態下的變形試驗。沒有不合格密封圈。

③對傳爆管抽樣進行了200℃條件下，上下間距5cm，偏心3.5mm情況下傳爆穩定性試驗。所有傳爆管均正常傳爆。

④對超高溫導爆索進行了170℃溫度下的收縮性試驗，實測收縮率≤1.2%，小于設計指標2%。

⑤在地面做了延期裝置延時試驗。該井使用的延期裝置的理論延時時間為10分鐘，在地面實際時間為10分46秒，考慮井下溫度高，實際起爆時間可能縮短。

⑥做了壓力起爆器剪切銷試驗。該井使用的壓力起爆裝置剪切銷釘，單顆剪切值在常溫下為3.09MPA,在160℃溫度下最大為2.91MPA最小為2.69MPA,實測為2.825MPA。

⑦對導爆索，壓力起爆藥、延時起爆藥進行了X射線掃描，未發現異常。

⑧對起爆裝置、延時裝置、減震器進行了抗拉強度試驗。試驗拉到70噸無損傷。

⑨對射孔彈抽樣做了常溫下打柱狀水泥靶、鋼靶試驗和170℃高溫下打鋼靶試驗。常溫下柱狀水泥靶的穿深達到900mm,孔徑為11mm。

⑩通過調研，將射孔彈由外繞方式改為內繞方式，主要目的是為了讓導爆索在射孔槍內更好的與射孔彈端面接觸好，同時減小裝槍過程中導爆索和槍內壁的磨損。

4、射孔方案確定

根據工藝論證及器材實驗，本井射孔采用光油管射孔，射孔后及時提出管串防止粘卡和硫化氫腐蝕；分兩個射孔單元中間用0.7米篩管連接，每個射孔單元均為兩端雙向起爆方式；射孔槍為 114槍，孔密16孔/米，耐壓 120MPa，相位 60°的內繞式螺旋布孔；射孔彈為DP43PYX45-5；泥漿為1.21 g/cm3；井口不裝采油樹，加壓起爆方式。

5、施工效果和經驗總結

5.1、施工效果

本井按照上述方案進行了射孔施工，施工順利，經酸化測試獲天然氣無阻流量323萬方/日。射孔完后提出射孔槍，經檢查發現有7發射孔彈未發射。射孔發射率為99.68%，達到規范要求。起出射孔管串后發現連接兩個射孔單元之間的篩管彎曲變形，現場監測不明顯。

5.2、問題總結和分析

5.2.1 射孔后有7發彈沒有發射，經檢查裝配沒有問題，分析可能有以下原因：

①國內的超高溫射孔器材使用還不多，對超高溫炸藥的性能和穩定研究還需要加強。

②超高溫炸藥的理論傳爆速度比常溫和高溫炸藥的傳爆速度低1000-2000米/秒，客觀上超高溫炸藥存在感度低、傳爆難等情況。

③超高溫射孔彈傳爆孔位置炸藥的敏感度不夠，還需要加強技術公關，提高射孔彈的敏感度。

④雖然采用了導爆索內繞方式，但導爆索和射孔彈的接觸方式和結構還是需要改進。

5.2.2 射孔管串提出井口后，發現兩個射孔單元之間的連接篩管彎曲變形，分析認為主要原因為：

兩個射孔單元的間距設計不合理，兩個射孔單元之間間距僅為2米，除掉起爆器和延時裝置，篩管長度僅70cm，兩邊的射孔井段長度都在80米左右，射孔爆炸產生的爆轟波直接作用在篩管上，造成篩管彎曲變形。在以后這樣的長井段射孔中，是否還要分為兩個射孔單元應重新論證和設計。

5.2.3 起爆監測

起爆監測在深井是個重點，只有確切的監測好了起爆才能決定下一步工作。本井用的是TCP-1D射孔監測儀，它能同時監測兩道振動信號和一路壓力信號。

由于本井井深且用泥漿射孔，振動信號小，加壓前即估計振動信號不易監測，應以壓力監測為主。由于延時起爆器為10分鐘，擔心長時間加高壓影響管串安全，因此設計了如圖2中蘭色曲線所示的起爆監測壓力曲線：井口快速加壓最高至20 MPa（A點）穩壓1分鐘泄壓到4-5 MPa后到C點起爆監測壓力，而起爆器實際10-15 MPa即可起爆。

實際監測中振動信號果然不明顯，而加壓設備排量不夠，致使加壓時間過長，如圖2中紅色曲線所示，加到20 MPa時（B點）已接近起爆時間，導致泄壓和起爆基本同時進行，從而壓力信號也沒有監測到。射孔后利用頻譜分析技術對現場記錄的監測振動數據進行了重新分析，才最終確認起爆。

今后類似施工中，建議加壓時應用大排量能快速加壓設備，同時監測設備應有現場能進行頻譜分析的功能。

6、結論

（1）為節省完井成本，超深含硫水平氣井的射孔槍在正壓條件下可以不采用專門的防硫材料，但不宜采用射孔-測試聯作工藝，防止射孔槍長時間滯留井內發生氫脆落井。

（2）150℃以上超深高溫井中，一般48小時不能完成射孔作業，建議使用PYX系列火工品。

（3）水平井和大斜度井的射孔器材必須上下兩端倒角防卡且作防倒扣處理。

（4）射孔監測應以壓力監測為主，加壓設備的排量要大。

（5）目前超深水平井的射孔技術方面尚存在一些不足和急需解決的問題，包括：如何解決超高溫導爆索低爆速、感度低、傳爆難等問題；如何改變導爆索纏繞方式來提高射孔彈發射率的問題；大斜度長射孔段射孔槍的通過能力問題；超深泥漿井的起爆監測等問題。

[1]牛超群等.《油氣井完井射孔技術》.石油工業出版社.1994年4月第一版

[2]陜西應用物理化學研究西安物華巨能爆破器材有限責任有限公司《射孔器材產品說明書》