河南油田油管傳輸射孔過程中存在的問題及分析

吳 鋒,吳延鋒,湯繼超,劉成杰,張冀赟,姚 輝

(中國石化河南石油工程有限公司測井公司,河南南陽 473132)

河南油田油管傳輸射孔過程中存在的問題及分析

吳 鋒,吳延鋒,湯繼超,劉成杰,張冀赟,姚 輝

(中國石化河南石油工程有限公司測井公司,河南南陽 473132)

在采用壓力起爆方式進行的油管傳輸射孔施工中，針對出現(xiàn)加壓難以起爆、淺層大斜度井加壓過程中途誤爆等問題，對施工管柱和施工條件的數(shù)據(jù)進行了分析，分析結(jié)果表明：空氣柱的存在使得起爆器在較低的承載壓力下難以起爆，管柱下放速度過大引起的水擊壓力大于起爆壓力而使起爆器過早起爆，水柱隨溫度膨脹產(chǎn)生壓力使起爆器在下放過程中發(fā)生起爆。

油管傳輸射孔；壓力起爆；存在問題

1 問題的提出

油管傳輸射孔是利用油管或鉆桿將射孔器送達目的層進行射孔的一種工藝，該工藝以其特有的可配合大直徑射孔器、特殊射孔工藝、便于井口安全控制等諸多優(yōu)點被油田施工現(xiàn)場大量采用，但在實際生產(chǎn)中會出現(xiàn)不起爆、誤爆、誤射等事故，嚴重影響施工安全。

壓力起爆工藝以其不受井況條件限制的獨有優(yōu)勢在實際施工中應(yīng)用越來越多，稠油井、大斜度井、水平井、井斜變化較大井等都可以通過環(huán)空或油管內(nèi)加壓進行施工。采用壓力方式引爆射孔器材，雖然不受井斜、井身等條件限制，但起爆器的起爆條件對井下壓力的變化比較敏感，當(dāng)外界壓力達到或超過其設(shè)定的起爆壓力值時，起爆器就會起爆。而井下的壓力變化又與下井管柱外徑、下放速度、井下溫度變化、壓井液密度、管柱內(nèi)是否有空氣柱存在等密切相關(guān)；同時設(shè)計缺陷、現(xiàn)場施工違規(guī)作業(yè)等也會使井下壓力出現(xiàn)異常。近年施工出現(xiàn)的一些典型問題，如泌256井測試聯(lián)作誤射孔事故，東1705井誤起爆事故，新淺25-平12井、新淺25-平13井等不起爆且射孔管柱上竄事故等，都是因為對一些特殊因素考慮缺失而造成壓力出現(xiàn)異常，出現(xiàn)誤起爆事故。

2 下速過快引起的誤射事故

東1705井是南陽油田魏崗地區(qū)的生產(chǎn)井，該井采用油管輸送與地層測試聯(lián)合作業(yè)(簡稱測試聯(lián)作)，射孔井段共6段：2203.6～2204.0 m，2206.4～2205.4 m，2210.2～2207.4 m，2294.4～2293.0 m，2315.2～2314.2 m，2359.4～2314.2 m。一次下井頂部起爆過程中，使用增壓裝置逐級傳壓起爆的方式(圖1)，但上部第一個增壓裝置的壓力起爆器在下井過程中起爆，造成下部三段射孔位置錯誤，出現(xiàn)嚴重質(zhì)量事故。

圖1 測試聯(lián)作增壓管柱結(jié)構(gòu)

在圖1上標出的起爆器位置，理論下放深度應(yīng)在2 293 m處，根據(jù)井深、溫度，單銷剪切力(2.77～3.03 MPa)；并考慮安全壓力，設(shè)計安裝剪切銷11只，起爆承壓范圍30.47～33.33 MPa，井口起爆泵壓8～10.86 MPa。但實際在下放到2 264.2 m處時起爆器即作用，在下部三層全部發(fā)射，出現(xiàn)誤射孔工程事故。

該井套管為5.5″，內(nèi)徑124 mm，施工管串采用73 mm油管加114 mm外徑的封隔器，在下放過程中只要求每小時下放30根油管，沒有規(guī)定下放的瞬時速度。根據(jù)水擊壓力的作用，快速下放可使封隔器以下部分壓力升高，當(dāng)深度達到一定位置時，水柱靜壓和瞬時水擊壓力之和超過起爆器起爆承壓而起爆。這點可以通過計算加以驗證。

管柱最大外徑114 mm，套管內(nèi)經(jīng)124 mm，計算環(huán)套面積0.0013 m2。

水擊壓力計算公式為[1]：

ΔΡ=ρCV0

(1)

(2)

(3)

式中：ρ——液體密度，kg/m3；C——壓力傳播速度，m/s；V0——流速，m/s；ΔΡ——水擊壓力，Pa；C0——液內(nèi)音速，m/s；D——管柱直徑，mm；E——液體彈性系數(shù)，Pa；E=2.06×109；e——管材壁厚，mm；E0——管材彈性系數(shù)，對于鋼管柱E0=2.06×1011。

根據(jù)該井情況計算得出：C0=1 435 m/s；C=1 321.4 m/s。

當(dāng)管柱下放時，環(huán)套水流的速度為：

V0=πR2V/S環(huán)

(4)

式中：R——下井管柱的最大半徑，m；S環(huán)——最大管徑處和套管之間的環(huán)形面積，m2；V——管柱下放的瞬時速度，m/s；V0——管柱以速度V下放時的管柱和環(huán)套之間的液體流速，m/s。

在2 264.2 m處，環(huán)空靜壓為22.19 MPa，當(dāng)水擊壓力和靜壓之和超過30.47 MPa起爆下限時，就會出現(xiàn)起爆射孔現(xiàn)象，即：

ρCV0+22.19≥30.47

(5)

計算結(jié)果為：下放速度應(yīng)小于0.781 m/s。

而實際的管柱下放速度在2 294.2 m處，瞬時超過0.781 m/s，因此發(fā)生起爆，出現(xiàn)誤射孔事故。

3 水膨脹造成的誤射事故

泌256井是泌陽凹陷1口探井，該井采用射孔和測試聯(lián)合作業(yè)的方式進行施工。射孔井段2 314.5～2 311.0 m，層厚3.5 m，施工管柱結(jié)構(gòu)如圖2所示。按照圖2的管住結(jié)構(gòu)，在下井施工過程中，兩個壓差接頭之間的油管最多只能加2/3的水，但該井施工時，為了防止油管內(nèi)外壓差過大，下井時油管加滿了水，在下放過程中出現(xiàn)中途起爆事故。

壓差接頭的作用是通過內(nèi)置活塞兩端的面積差產(chǎn)生壓力差，在內(nèi)部壓力遠大于外部壓力時，活塞移動打開液體通道，使壓力傳到起爆器活塞上。根據(jù)壓差接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計，只能是單向壓力傳導(dǎo)，反向壓力作用在壓差活塞的柱面上沒有作用，不能產(chǎn)生對應(yīng)的壓差，不可能打開流體通道。

圖2 測試聯(lián)作管柱結(jié)構(gòu)簡圖

在圖2的管柱結(jié)構(gòu)中，由于下井時在兩個壓差接頭中間加滿了水柱，在射孔測試聯(lián)作管柱下到井深1 620～1 623.5 m處起爆射孔。該井起爆器設(shè)計承壓30.47～33.33 MPa。在1620 m處，井筒液柱靜壓力15.88 MPa，遠低于起爆下限，中途起爆的主要原因是溫度升高使水發(fā)生膨脹造成的。

兩個壓差接頭中間的水柱，在由井口下放到井深1 620 m的過程中，隨著地溫升高，水的溫度也在不斷上升，根據(jù)水隨溫度的膨脹率計算，在1 620 m處，地溫70 ℃以上，水的體積是原來的1.0227倍，設(shè)原體積為V1，隨溫度變化的體積為V2，則：

V2=V1(1+e)

(6)

依據(jù)帕斯卡定律，液體的體積隨壓強的變化規(guī)律可表示為：

V2=V1[1-β(P-P0)]

(7)

式中：P0——標準大氣壓，Pa；P——產(chǎn)生的壓力，Pa；V1——標準氣壓下的體積；β——水的壓縮系數(shù)，β=0.0227；e——水的膨脹率，e=10-5。

根據(jù)式(6)和式(7)得：

(8)

計算結(jié)果為P=49.4 MPa。

根據(jù)計算和實際管柱工具結(jié)構(gòu)，在溫度上升的過程中，兩個壓差接頭中間管柱的液體膨脹產(chǎn)生的壓力，只能下行不能上行。壓力超過活塞移動需要的壓差以后，活塞外移，起爆器上部壓力通道打開，小空間釋放了部分壓力，到1 620 m處，溫度的升高使水的體積進一步膨脹，管內(nèi)壓力超過了起爆器作用壓力30.47 MPa這個下限值，起爆器起爆。

4 淺層水平井射孔出現(xiàn)的問題

在較淺水平井的新井射孔時，一般采用如圖3所示的管柱結(jié)構(gòu)進行施工。該類井深度較淺，斜度較大，采用大套管完井，射孔時一般采用127型射孔器。由于環(huán)空加壓時井口液面以上存在空氣，各出口密封以后，空氣難以排出，所以該類井施工時容易出現(xiàn)一些非常規(guī)性的問題，如啞炮、管柱整體上竄可能帶來的誤射孔問題。隨著該類井的增加，這些問題要引起工程技術(shù)人員的高度注意。

圖3 環(huán)空壓力起爆管柱結(jié)構(gòu)圖

從圖3的管柱結(jié)構(gòu)圖上可以清楚看出，加壓起爆時的壓力傳遞系統(tǒng)內(nèi)始終有空氣柱的存在，氣體的特性是在一定的壓力范圍內(nèi)可以無限壓縮，當(dāng)井下壓力為P時，該壓力通過篩管作用在起爆器活塞和管內(nèi)液柱上，由于液柱上方空氣柱的存在，該力使空氣柱壓縮。由于作用在起爆器活塞上的力遠小于井口所加壓力和地層靜壓之和，雖然瞬時達到了起爆器的剪切壓力，銷釘被切斷，但后續(xù)壓力被空氣柱壓縮時吸收，活塞移動能量不足，沖量不夠，不能引爆雷管，造成起爆失敗。

5 建議與認識

針對以上出現(xiàn)問題的分析，在油管或鉆桿傳輸射孔施工中，要嚴格注意：

(1)傳輸用的油管或鉆桿直徑較大時，下井過程要嚴格控制下放速度，原來規(guī)定的每小時下放多少根的要求既不具體也不科學(xué)，應(yīng)根據(jù)管柱結(jié)構(gòu)和套管內(nèi)徑計算出安全的瞬時下放速度，常規(guī)的瞬時下放速度應(yīng)控制在0.5 m/s以內(nèi)。

(2)采用增壓裝置或壓力起爆時，要保證起壓空間內(nèi)所有空氣完全排除，若有空氣柱存在，壓力起爆成功率會很低。

(3)在密閉的空間內(nèi)，液體不能充滿，要考慮最高溫度情況下液體膨脹的空間。

(4)淺層水平井射孔時，在考慮安全壓力的同時，要考慮井斜和壓力的作用。在深度校正、管柱調(diào)整以后，要對井口進行固定和控制，井口壓力要小于15 MPa。這樣既達到了井控安全的需要，同時減少了管柱上竄過程中起爆可能帶來的誤射隱患。

[1] 袁恩熙.工程流體力學(xué)[M].北京：石油工業(yè)出版社，1986：167-169.

編輯：李金華

1673-8217(2015)02-0119-03

2014-07-10

吳鋒，助理工程師，1973年生，現(xiàn)從事射孔技術(shù)服務(wù)工作。

TE257

A