一種新的油氣井射孔丟槍管柱設(shè)計

何漢平

(中石化 石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

·開發(fā)應(yīng)用·

一種新的油氣井射孔丟槍管柱設(shè)計

何漢平

(中石化 石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

傳統(tǒng)的射孔丟槍管柱在射孔作業(yè)中，尤其是高溫高壓長井段射孔作業(yè)中，有時會出現(xiàn)丟槍失敗或卡槍問題。在常用射孔管柱的點火丟槍裝置中，點火結(jié)構(gòu)置于釋放結(jié)構(gòu)之上，且呈一體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)存在一些局限，例如組件結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜、密封性較高、長點火傳遞行程存在影響自動釋放的結(jié)構(gòu)動作等；現(xiàn)有的射孔管柱采用剛性連接，整個射孔槍管柱與井壁或套管內(nèi)壁呈剛性接觸，在井眼不規(guī)則的情況下，摩擦阻力較大，發(fā)生卡槍的幾率較大。通過重新設(shè)計射孔管柱中關(guān)鍵組件結(jié)構(gòu)、增加補救設(shè)計、改變管柱系統(tǒng)連接剛度等方法，設(shè)計了一種新的射孔管柱。關(guān)鍵組件通過性能測試和分析計算，達(dá)到設(shè)計要求。

射孔丟槍管柱；丟槍；柔性連接；可溶解金屬；試驗

在油氣井投產(chǎn)時采用射孔、丟槍、生產(chǎn)的連續(xù)工藝[1-2]，一方面可以減少施工作業(yè)時間，減少作業(yè)成本，另一方面省掉了從井筒中再提出射孔槍環(huán)節(jié)，保障了作業(yè)安全，因而得到廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的射孔管柱主要由點火自動丟槍裝置、射孔槍筒、射孔槍筒連接接頭、底部點火裝置(輔助)構(gòu)成，在用于射孔作業(yè)時，尤其是高溫、高壓長井段射孔作業(yè)中，有時會發(fā)生丟槍失敗和卡槍問題。目前射孔管柱中的點火與丟槍裝置由點火裝置和釋放裝置構(gòu)成，且呈一體結(jié)構(gòu)，點火結(jié)構(gòu)置于釋放結(jié)構(gòu)之上[3-5]，這種結(jié)構(gòu)存在一些局限，例如組件結(jié)構(gòu)設(shè)計較為復(fù)雜，密封可靠性設(shè)計要求高，導(dǎo)爆索穿越整個點火與丟槍裝置會妨礙自動釋放組件工作等，經(jīng)常會發(fā)生丟槍失敗事故；現(xiàn)有的射孔管柱采用剛性連接，整個射孔槍管柱與井壁或套管內(nèi)壁呈剛性接觸，在井眼不規(guī)則的情況下，接觸摩擦阻力較大，一般射孔槍管與套管內(nèi)壁之間間隙只有15 mm左右，對于10～20 m長井段射孔作業(yè)，卡槍問題一般不會發(fā)生，但對于長達(dá)60～100 m的射孔長度，長井段中井眼多呈非直線形，卡槍問題發(fā)生幾率就較大。在中石化某大型海外作業(yè)項目中，該項目地層壓力系數(shù)為1.4～1.6，溫度140～150 ℃，一次射孔井段長達(dá)100 m，在射孔作業(yè)中，4口井出現(xiàn)未丟槍，3口井出現(xiàn)卡槍問題。最后不得不棄用丟槍生產(chǎn)聯(lián)作工藝，增加了作業(yè)風(fēng)險和作業(yè)時間，增加了作業(yè)成本。針對上述情況，基于調(diào)整關(guān)鍵組件結(jié)構(gòu)、增加補救設(shè)計、調(diào)整管柱系統(tǒng)鋼度的原則，設(shè)計了一種新的射孔管柱。新設(shè)計射孔管柱中關(guān)鍵組件，例如點火丟槍裝置、二次丟槍裝置、柔性連接裝置均為新研制的專利產(chǎn)品。對新的射孔丟槍管柱中關(guān)鍵組件開展主要性能試驗和效果計算分析結(jié)果表明，新設(shè)計的管柱滿足射孔丟槍作業(yè)要求。

1 新射孔管柱結(jié)構(gòu)

1.1 組件構(gòu)成

新射孔管柱由油管、封隔器、篩管、點火丟槍裝置、二次丟槍裝置、射孔槍筒、柔性連接裝置、輔助點火頭等構(gòu)成，如圖1所示。

1.2 管柱特點

與傳統(tǒng)的射孔管柱(如圖2)相比，新的射孔管柱中增加了二次丟槍裝置；射孔槍筒連接裝置改為柔性連接裝置；對點火丟槍裝置進行了結(jié)構(gòu)重新設(shè)計。該射孔管柱除具有常規(guī)的液壓點火射孔丟槍功能外，還具有二次丟槍、降阻卡的功能，提高了丟槍可靠性，降低了射孔槍筒下落過程中的遇卡幾率。

圖1 新射孔丟槍管柱示意

圖2 傳統(tǒng)射孔丟槍管柱示意

2 關(guān)鍵組件研制

2.1 點火丟槍裝置[6]

2.1.1 裝置構(gòu)成與工作原理

點火丟槍裝置由自動釋放機構(gòu)和點火機構(gòu)等構(gòu)成，自動釋放組件位于點火組件之上。如圖3～5所示。

1—釋放機構(gòu)；2—點火機構(gòu)。圖3 射孔點火丟槍裝置

1—打撈頭；2—O形密封圈；3—芯軸；4—剪切環(huán)；5—限位套筒；6—O形密封圈；7—下接頭。圖4 釋放機構(gòu)示意

1—銷釘；2—O形密封圈；3—撞擊活塞；4—O形密封圈；5—起爆器；6—延期起爆管；7—O形密封圈；8—破裂套筒。圖5 點火機構(gòu)示意

工作原理：在井口向油管內(nèi)加壓，激發(fā)點火機構(gòu)點燃引爆索，引爆射孔彈射孔；與此同時井筒流體在壓力作用下進入射孔槍筒內(nèi)部，推動釋放機構(gòu)中的限位套筒，剪斷固定銷釘并向上移動。限位套筒讓位后卡爪在重力作用下釋放，卡爪與連接在其之下的射孔槍串掉落到井底。

2.1.2 結(jié)構(gòu)特點

與常規(guī)射孔點火丟槍裝置相比，該裝置具有如下特點：①結(jié)構(gòu)簡化。點火機構(gòu)設(shè)計在釋放機構(gòu)之下，消除了因?qū)П魅急鸬尼尫艡C構(gòu)變形、阻卡風(fēng)險；②密封保障。設(shè)計破裂套筒，防止井筒流體在射孔彈引爆前進入射孔丟槍裝置內(nèi)，防止提前啟動釋放機構(gòu)；③打撈頭設(shè)計。該設(shè)計方便后期修井打撈作業(yè)。

2.1.3 主要技術(shù)參數(shù)

耐溫

160 ℃

耐壓

105 MPa

點火激發(fā)壓力

≥6 MPa

固定銷釘剪斷壓力

≥6 MPa

2.1.4 主要性能試驗

對新的點火丟槍裝置進行了點火機構(gòu)剪斷銷釘試驗、起爆器試驗、破裂套筒試驗和模擬井中丟槍試驗。①點火機構(gòu)剪斷銷釘試驗。銷釘設(shè)計剪斷壓力為36.89 ～ 40.77 MPa，試驗中，當(dāng)壓力值為39.2 MPa時，全部銷釘剪斷，達(dá)到預(yù)期要求；②起爆器試驗。組裝點火機構(gòu)(放置火工品和導(dǎo)爆索)，經(jīng)過3次加壓點火試驗，傳爆順序均與設(shè)計相符，傳爆可靠性好；③破裂套筒試驗。2次測試中，裝有導(dǎo)爆索的破裂套筒在點燃導(dǎo)爆索后均脹裂，產(chǎn)生很小的碎屑，不影響液體流通暢通；④模擬井中丟槍試驗。限位套筒剪斷固定銷釘壓力值設(shè)定為9～10 MPa，在點火丟槍裝置之下懸掛150 kg鉆具，將丟槍裝置與液壓管線連接并加壓，當(dāng)壓力達(dá)到10 MPa，丟槍結(jié)構(gòu)動作后落入20 m深的試驗井井底。經(jīng)試驗，丟槍裝置功能運行正常，性能滿足設(shè)計要求。

2.2 二次丟槍裝置

2.2.1 裝置構(gòu)成與工作原理

該裝置在點火丟槍裝置出現(xiàn)丟槍失敗時作為二次丟槍使用，主要由限位中心筒、可溶解金屬套筒、彈簧、帶卡爪的中間套筒、破裂套和外筒等構(gòu)成，如圖6。

1—母螺紋；2—限位中心筒；3—外筒；4—可溶解金屬套筒；5—限位套；6—卡爪；7—彈簧；8—中間套筒；9—破裂套；10—公螺紋。圖6 二次丟槍裝置結(jié)構(gòu)

工作原理：插入限位中心筒里面的導(dǎo)爆索引爆后，炸碎破裂套；井筒流體進入中間套筒與限位中心筒之間空間；在井筒流體的溶解作用下，可溶解金屬套筒逐漸溶解；在彈簧的推力作用下，限位套向上移動，并釋放卡爪，連接在卡爪上的中間套筒與限位中心筒及連接在下面的射孔槍筒在重力作用下丟到井底。

該裝置中的可溶解金屬套筒為鎂鋁合金套筒[7-8]。鎂鋁合金套筒的加工制造過程為：首先將鎂鋁粉末經(jīng)過混合，然后將混合好的復(fù)合金屬粉末放入模具中，再將模具放到壓制設(shè)備上壓制成型；將成型的鎂鋁合金套筒放入燒結(jié)爐。另外，采用氫還原技術(shù)在鎂鋁合金套筒的表面上包覆金屬Ni(鎳)、Cu(銅)、Zn(鋅)等以形成包覆層，保證鎂鋁合金套筒的工作承壓能力和控制工作溶解速率。

井筒或者地層中的液體中含有 Cl-(氯離子)，而金屬Mg(鎂)與Al(鋁)可在含氯離子的溶液中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。以KCl水溶液為例，鎂鋁合金套筒中的金屬成分與KCl水溶液中的氯離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后逐漸溶解。鎂鋁合金套筒在不同溫度、不同KCl溶液中隨時間的質(zhì)量變化也不同。溫度越高、KCl水溶液中的氯離子含量越高，溶解速度越快。

鎂鋁合金套筒在不同溫度、不同濃度KCl溶液中的溶解速率如圖7所示。前6 h或8 h的溶解速度均較慢，鎂鋁合金套筒的質(zhì)量變化小；當(dāng)溶解時間超過6 h或8 h后，鎂鋁合金套筒以一定速度勻速溶解，外徑明顯減小，承壓能力變?nèi)酢?/p>

圖7 鎂鋁合金在KCl溶液中的溶解時間與質(zhì)量變化曲線

2.2.2 結(jié)構(gòu)特點

①該裝置由限位中心筒、中間套筒和外筒構(gòu)成，限位中心筒與中間套筒一起釋放后，留下具有大通徑的外筒；②破裂套設(shè)計確保該裝置丟槍可靠性，在導(dǎo)爆索未點燃時，防止井筒流體進入裝置內(nèi)部；③首次在這類裝置中應(yīng)用了可溶解金屬材料；④利用彈簧作為推動力，替代液壓機械動作，提高了可靠性。

2.2.3 主要技術(shù)參數(shù)

耐溫

160 ℃

耐壓

105 MPa

釋放時間

槍爆炸后24～128 h (可調(diào)節(jié))

2.3 射孔槍筒柔性連接裝置

2.3.1 裝置構(gòu)成與工作原理

柔性連接裝置由連接射孔槍槍筒的上接頭和下接頭等構(gòu)成，如圖8。

1—上接頭；2—中心通道；3—T型橡膠密封件；4—球狀體；5—固定銷；6—壓蓋(外套筒)；7—下接頭。圖8 柔性連接裝置結(jié)構(gòu)

工作原理：由于下接頭的一端設(shè)有球狀體，上接頭朝向下接頭的一端連接有壓蓋(外套筒)，且壓蓋圍繞著球狀體且能相對于球狀體轉(zhuǎn)動。通過這種連接裝置將射孔槍槍筒連接起來，由于壓蓋相對于球狀體轉(zhuǎn)動，下接頭相對于上接頭轉(zhuǎn)動(上下15°和左右45°)，這樣射孔槍槍筒會根據(jù)井眼情況呈直線或非直線連接。

柔性、剛性連接管柱在彎曲井眼中的狀態(tài)如圖9所示。

圖9 連接管柱在彎曲井眼中的狀態(tài)

從圖9中可以看出，未使用該柔性連接裝置時，由于射孔槍槍管都由剛度較大的鋼管制作，當(dāng)射孔槍處于彎曲的井眼中時，彎曲的井眼迫使射孔槍槍管發(fā)生彈性變形，井眼與射孔槍管之間存在較大的接觸力。射孔槍的槍體與井壁的摩擦因數(shù)一般為0.2～0.4，因此井壁與射孔槍之間存在很大的摩擦力。如果摩擦力超過了射孔槍槍管的重力，那么射孔槍槍管將無法脫落掉入預(yù)留的井眼中，而是留在了射孔層段，這將大幅增加原油產(chǎn)出的阻力，降低油氣產(chǎn)量。

由柔性連接裝置連接而成的射孔槍管柱在彎曲的井眼中，由于各個射孔槍管(一般為3 m長)之間為柔性連接，使得射孔槍管能隨著井眼的彎曲而調(diào)整位置，各射孔槍管的彎曲力矩幾乎為零。因為各個射孔槍管在彎曲井眼中不會產(chǎn)生彈性變形，且由面接觸轉(zhuǎn)化成點接觸，摩擦阻力減低。射孔槍管與井壁之間的摩擦力小于射孔槍管的自身重力。因此在丟槍裝置動作后，射孔槍管隨丟槍裝置一起在重力作用下順利地掉入預(yù)先鉆好的井眼中，實現(xiàn)丟槍作業(yè)。

以某油田使用柔性連接裝置為例，進行摩阻計算。實例井深4 400 m，4 000 m處出現(xiàn)井斜，最大14°，之后進行糾斜，在4 400 m處糾斜井斜角至0°；生產(chǎn)套管為114.3 mm(4英寸)套管，射孔槍管外徑為73.0 mm(2英寸)。通過計算在完井管柱(油管+射孔槍管)中使用柔性連接裝置前后井口懸重變化，確定直徑73.0 mm射孔槍管與外徑114.3 mm套管之間的摩阻。計算結(jié)果表明，未使用柔性連接裝置時井口懸重為601 kN，使用柔性連接裝置后井口懸重為613 kN，說明井下摩阻力降低了12 kN，有效降低了摩阻。如果實際井眼彎曲更加復(fù)雜，那么摩阻降低效果將更加明顯。

2.3.2 結(jié)構(gòu)特點

①本裝置上部接頭和下部接頭呈柔性連接，在一定角度方位內(nèi)可相對轉(zhuǎn)動；②裝置內(nèi)部安裝有T型耐高溫橡膠密封件，確保用于穿越導(dǎo)爆索的中心孔道與外部隔離，防止外來流體進入中心孔道；③球面結(jié)構(gòu)上加工有兩道槽，安裝密封圈，防止外來流體進入裝置內(nèi)部。

2.3.3 主要技術(shù)參數(shù)

耐溫

160 ℃

耐壓

105 MPa

承載力

200 kN

3 結(jié)論

1) 針對傳統(tǒng)射孔管柱在射孔作業(yè)中存在的問題，提出了一種新的射孔丟槍管柱結(jié)構(gòu)，由油管、封隔器、篩管、點火丟槍裝置、二次丟槍裝置、射孔槍筒、柔性連接裝置、輔助點火頭等構(gòu)成。

2) 該射孔管柱除具有常規(guī)的液壓點火射孔丟槍功能外，還具有二次丟槍、降阻卡的功能，提高了丟槍可靠性，降低了射孔槍筒下落過程中的阻卡幾率。關(guān)鍵組件通過性能測試和計算分析，結(jié)果滿足設(shè)計要求。

[1] 萬仁溥，熊友明．現(xiàn)代完井工程[M].第3 版．北京：石油工業(yè)出版社，2008.

[2] 張鈞．海上油氣田完井手冊[M]．北京：石油工業(yè)出版社，1998.

[3] 潘金國，盛江飛．負(fù)壓射孔聯(lián)作工藝的研究與應(yīng)用[J]．江漢石油職工大學(xué)學(xué)報，2009，22(2)：48-50.

[4] 曲忠仁，宋杰，張昌美，等．長夾層油管輸送射孔工藝在新疆油田的應(yīng)用[J]．測井技術(shù)，2011，35(4)：387-390.

[5] 吳艷華，安豐春，黃健輝．丟槍式油管傳輸射孔技術(shù)在塔里木油田的應(yīng)用[J]．火攻品，2001，20(2)：33-35.

[6] 何漢平，付道明，連經(jīng)社，等．YDF-1型自動丟槍裝置的研制[J]．石油機械，2015，43(7)：27-29.

[7] 魏遼，馬蘭榮，朱敏濤，等.大通徑橋塞壓裂用可溶解球研制及性能評價[J]．石油鉆探技術(shù)，2016，44(1)：90-93.

[8] 魏遼，劉建立，朱敏濤，等.多級滑套可溶解憋壓球材料研究[J]．石油機械，2015，43(11)：102-106.

A New Perforation and Gun Release String Design

HE Hanping

(Research Institute of Petroleum Engineering，Sinopec，Beijing 100101，China)

For conventional perforating and automatic gun dropping string used in perforating operation，the problems of failure in gun dropping or gun sticking happen sometimes，especially in high temperature，high pressure and long hole section perforation operation.Because ignition component is put above gun dropping device as an integral structure in conventional string，there are some limitations，such as structure complexity，high sealing requirements，long ignition transmission distance，which can influence smooth automatic release.In addition，the existing perforating string is connected with rigid steel joints，such connection could bring rigid contact between the perforating string and borehole wall or inner wall of casing in irregular borehole conditions，and result in large friction resistance and high probability of occurrence of gun sticking.A new perforation and gun release string is put forward by redesigning the key components，adding the remedial device and changing the string connection way.The test and analysis results of key components meet the requirements of perforating operation.

perforation and gun dropping string；gun dropping；flexible connection；soluble metal；test

1001-3482(2017)04-0052-05

2017-02-15

“十二五”國家科技重大專項“中東富油氣區(qū)復(fù)雜地層井筒關(guān)鍵技術(shù)研究”(2011ZX05031-004)

何漢平(1966- )，男，高級工程師，碩士，研究方向：油氣井完井工程，E-mail：840538223@qq.com。

TE

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.04.013