海上油田大位移井射孔深度精確計算與控制

閆新江，邢希金，曹硯鋒，劉書杰，王平雙

中海油研究總院有限責任公司 （北京 100028）

海上油田單獨建造平臺成本高，對于邊際油田采用大位移井開發是一項經濟性強的開發方式。大位移井為提高油井產量，常常鉆穿多個油層，采取套管設計完井。射孔深度計算是保證射孔質量的一個重要環節,深度計算準確，可以充分的射開地層，使油井達到產能最大化[1-3]。若深度計算誤差過大，則可能導致油氣層打開不完善或誤射開底水和氣頂，降低油井開采年限。大位移井儲層跨度大，對射孔深度要求更高[4-6]。

1 射孔深度誤差來源分析

海上油田常用的射孔方式有電纜射孔、油管輸送射孔和過油管射孔，以油管輸送射孔（TCP）應用最為廣泛[7-8]。大位移井由于位移大、摩阻高，通常采用TCP射孔。TCP射孔校深方法主要有雙同位素校深法、伽瑪曲線對比校深法、自然伽瑪y與CCL曲線對比法，在現場以雙同位素校深法應用最為廣泛。

雙同位素校深法在油氣層頂部套管的絲扣上放置一個同位素記號源，此外在射孔管柱中下入一個或多個同位素標記短節。校深時將GR儀下入射孔管柱內，下過射孔管柱上的放射性接頭和套管上的放射性記號源標記深度，以套管上的放射性記號為校深點，測出2個記號尖峰。在校深圖上讀出射孔管柱上放射性標記的深度，然后根據同位素標記設計深度，用下式計算射孔管柱的調整量Δh。

式中：Δh為射孔管柱的調整量，m；D為射孔層頂界深度，m；H為管柱上放射性記號測量深度，m；L0為管柱上放射性記號到射孔槍頂部第一發彈之間的長度，m。

公式計算得出的數值為正值時，則管柱下放；為負值時，則管柱上提，其數值就是射孔管柱需要的深度調整量。射孔深度誤差來源主要為：校深系統誤差、同位素套管的下入深度引起的誤差、射孔管柱變形量。

1.1 校深系統誤差

測井過程中由于滑輪尺寸、電纜磨損、深度測量儀器以及電纜磁性記號等因素，直接造成儀器記錄的深度與實際下井深度存在誤差，影響測井深度的準確性。此外，不同次測井、井下儀器（或槍的不同）引起對地層同一點身重復深度測量值各不相同，一般在0.3 m之內。由于2次測井存在著深度誤差，為了消除這一誤差，采用套后放-磁曲線圖中的自然伽馬曲線作為媒介，把深度統一到測井綜合解釋成果圖上。

1.2 短套管、同位素套管的下入深度誤差

便于校深定位，通常都在固井下套管時，在靠近射孔層段上部一定距離內預先下入一根標志套管（短套管或同位素套管），射孔前進行測井校深。中國海洋石油公司勘探監督手冊地質分冊規定：短套管及放射性標記應位于每個測試層位以上50～70 m。

部分井由于未下入套管同位素，造成校深困難。為提高測試作業及射孔校深的準確性，儲層段短套管及放射性標記的下入深度必須符合相關規定要求。

1.3 射孔管柱變形量

射孔管柱在井下受重力、浮力和摩擦力的作用，其管柱長度發生改變。通過射孔校深可以消除同位素接頭上部射孔管柱的伸長,但無法消去同位素接頭以下射孔管柱的伸長量。

射孔槍和同位素接頭之間的連接油管長度達數百米，在射孔槍的拖拽下這部分油管會發生伸長。射孔槍在井下停留時間較長，射孔槍隨著井液溫度的升高而產生伸長，對于高溫井、深井，溫度效應產生的管柱伸長更為嚴重。此外液壓坐封封隔器或加壓點火帶來的鼓脹效應都會影響最終的射孔深度。這些誤差通過射孔校深都無法消除，誤差疊加后是否超過標準所允許的射孔深度誤差，需要進行射孔深度的精確計算來確定。

2 射孔深度精確計算及誤差控制

2.1 重力效應的影響

射孔槍在井下受到因自重產生的隨深度線性增加的分布載荷和因井液浮力產生的作用在射孔槍末端的集中載荷。下入射孔槍時，在同位素接頭和射孔槍槍頭之間使用油管進行連接，需對同位素接頭和射孔槍槍頭之間服務管柱伸長量進行計算。

式中：ΔlG為重力效應產生的管柱伸長量，m；ρ為射孔液密度，g/cm3；g為重力加速度，9.816 m/s2；L為管柱長度，m；θ為井斜角，°；E為管柱彈性模量，GPa；A為管柱截面積，cm2。

表1 射孔管柱基礎數據

根據表1的射孔管柱基本數據，根據公式（2）計算，結果作圖可得圖1。同位素接頭和射孔槍之間的管柱伸長量為0.069 6 m。增加管柱線重，同位素接頭和射孔槍之間管柱伸長量減低。184 kg/m管柱伸長量只有93 kg/m管柱伸長量的一半。如果射孔管柱的剛度允許，同位素接頭和射孔槍之間的連接管柱應盡量使用高線重管柱。

圖1 重力作用對管柱伸長量的影響

2.2 溫度對TCP射孔深度的影響

井筒溫度隨井深增加而升高，管柱下入井中以后溫度隨之升高，直到與井筒溫度相進，溫度變化引起管柱產生軸向熱應力，若管柱可以自由伸長，溫度變化將會造成管柱長度的變化。溫度效應產生的變形為：

式中：ΔlT為溫度效應產生的管柱伸長量，m；L為管柱長度，m；α為熱膨脹系數，12.1×10-6×℃-1；ΔT為溫度升高量，℃。

以某射孔生產聯作井為例，同位素接頭至射孔槍尾的管柱長度為285 m，對射孔管柱伸長量進行計算。射孔槍在井下放置時間的增長，管柱溫度增加，替入完井液、射孔液24 h后液壓座封頂部封隔器，井筒內射孔液溫度由15℃上升至46℃。座封頂部封隔器2 d后點火，井筒內射孔液溫度由46℃上升至83℃。井筒液體溫度上升傳導引起射孔槍伸長，隨著射孔槍在井下放置時間的增加，管柱伸長量也增加。對于高溫井，井底溫度高，溫度效應引起的管柱變形量更大(圖2）。

圖2 溫度作用對管柱伸長量的影響

2.3 鼓脹效應對射孔深度的影響

如果向射孔管柱內施加壓力，作用于管柱內壁的壓力就會使管柱的直徑有所增大，這種現象稱為鼓脹效應。因管柱內外流體密度、壓力的不同，造成管柱的伸長可分為兩個方面：一是因內外壓力差引起油管軸向力變化從而引起管柱的伸長；二是因內外壓力差形成的泊松效應引起的伸長。油管內部和外部壓力的變化引起軸向力的變化，可通過考慮內外壓力后的有效軸向力來計算內外壓力引起的伸長。將內外壓力考慮進軸向力，轉為軸向力的拉伸計算。

實際上內外壓力對有效軸向應力的影響很小，基本上可以忽略。所以通常情況下只計算由內外壓力引起的伸長效應，其伸長值的計算公式為:

式中：Δlp為鼓脹效應產生的管柱伸長量，m；γ為泊松比；E為管柱彈性模量，GPa；ro、ri為管柱內外壁的半徑，m；po、pi為管柱內外的壓力，MPa。

根據公式（4）計算139 mm鉆桿在油管正打壓19.6 MPa時其管柱伸長量為-0.61m（縮短），114mm鉆桿在油管正打壓19.6 MPa時其管柱伸長量為-0.095 m（縮短）。由于鼓脹效應引起的管柱伸長量已經超過射孔深度誤差允許的范圍。由于射孔生產聯作在射孔作業中較為少見，現場射孔施工人員在射孔校深時往往忽略了這部分管柱伸長量。校深后雖然射孔槍對準了射孔層位，但加壓座封封隔器造成管柱長度縮短，引起射孔槍整體上提，致使最終的射孔深度與設計射孔深度存在偏差，有可能誤射氣頂或射孔彈打在套管接箍上。

3 現場計算實例

BA25-1油田是海上邊際油田，采用大位移井開發，地層流體為高溫高壓，地層壓力在49～57 MPa，油藏溫度在120～137°C。為降低完井作業風險，采用射孔生產連作，射孔槍使用頂部封隔器懸掛，生產油管采用插入密封解決環空帶壓問題，確保井下安全。

以A9井為例，重力作用射孔管柱伸長0.09 m，溫度效應引起管柱伸長0.12 m，鼓脹效應造成射孔管柱伸長-0.61 m。鼓脹效應和溫度效應對管柱伸長量影響最大，重力效應產生的管柱伸長量最小。從計算結果可以看出對于射孔生產聯作，各種因素累加的管柱總伸長量為0.41 m，超過了規定所允許的范圍。在配管時應通過調整油管短節的長度，消除0.41 m誤差，確保射孔深度的精確性。

為精確控制射孔深度，現場作業還應該關注以下幾點：①丈量射孔管串的總零長時，應精確讀數，較短的射孔工具和測試工具應盡可能在地面上連接好一起丈量；②丈量射孔槍和上部油管長度時要嚴格認真，下射孔槍時上扣時嚴格控制扭矩；③在不影響射孔槍的前提下，減震器上方的油管可以適當減少或者不用，以縮短校深定位短節與射孔槍第一孔之間的距離；④射孔槍和同位素接頭之間的連接油管盡量選用大尺寸油管或厚壁油管；⑤對于射孔生產聯作或射孔測試聯作，溫度效應產生的管柱伸長誤差不可忽略，應在裝槍階段予以消除；⑥鼓脹效應引起的管柱伸長和射孔槍上部油管伸長在射孔施工前應進行精確計算，通過在射孔下槍時調整配管長度予以消除這部分誤差。

4 結論與認識

1）射孔生產聯作或射孔測試聯作，深度誤差有可能超過誤差允許范圍，可以通過理論方法計算確定，并在施工時予以消除。

2）重力效應引起的管柱伸長存在于所有的射孔作業，可通過使用厚壁油管或優化射孔管柱縮短同位素下部連接的油管長度降低重力效應產生的管柱伸長誤差。

3）溫度效應產生的管柱伸長與射孔管柱在井下的停留時間有關，鼓脹效應通常發生于油管加壓點火射孔，通過調整同位素接頭設計深度予以消除。