渤海大斜度井超長射孔層段射孔管柱防卡技術研究與應用

鄧永剛，林家昱，王翊民，王菲菲，周祥

1.中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司（天津 300452）

2.中海石油（中國）有限公司 天津分公司（天津 300459）

0 引言

射孔技術是完井工程的重要技術組成部分，對油氣井產出能力、生產指數、生產壽命和開發成本等影響重大。大斜度井井斜角較大，射孔管柱在井內居中度極低，超長射孔層段（Φ244 mm 套管射孔長度大于600 m，Φ177 mm 套管射孔長度大于700 m）射孔管柱過長，在確保滿足開發生產要求的前提下制定合理的射孔方案尤為關鍵[1-3]。目前在陸地油田，針對大斜度井防卡的技術，包括防黏超高密度鉆井液的研究[4]、大斜度定向井鉆井技術的研究[5]及采用酸化工藝消除套管壁上的毛刺[6]等工藝做了大量工作，而針對海上超長層大斜度井射孔的系統防卡技術研究還較少。

海上油氣田開采成本較高，一旦出現卡槍將影響作業效率，增加作業成本。對超長層大斜度井射孔防卡技術進行研究，有助于合理選擇射孔工藝、射孔管柱、射孔參數及射孔液，對保護儲層、保障井下作業安全、提高油氣井生產導流能力及提高采收率具有重大意義[7]。

1 管柱遇卡原因分析

海上油田完井作業過程中，常常會遇見完井管柱阻卡的情況，導致完井管柱在井內無法自由活動。當阻卡嚴重時，管柱在井內將完全失去上提、下放或轉動的可能性。對于大斜度井超長層段射孔，引起射孔后管柱遇卡的主要原因有以下幾點：①井筒準備不充分，套管內壁附著的固相沉淀清潔不充分，射孔后震動導致其落卡槍；②射孔液懸浮能力差，碎屑堆積導致管柱遇卡；③射孔液暫堵性差，漏失過大導致壓差卡鉆；④大斜度井井斜角大的特點造成射孔管柱在井內處于“貼底”狀態，射孔槍引爆后槍體留下的毛刺嵌入套管孔眼，造成管柱遇卡[8]；⑤射孔后產生的碎屑及進入井筒的地層砂造成管柱遇卡；⑥超長射孔段高孔密射孔對套管剩余強度造成影響較大，地層壓力較大將套管擠扁，上部井段固井質量差造成射孔段套管變形，進而導致射孔管柱遇卡[9]。

2 防卡關鍵技術

2.1 高效井筒清潔技術

在大斜度井內形成雜質聚集區是不可避免的，在大于55°井斜時雜質聚集，并且難以攜帶出井。大斜度井雜質運移不再單純靠洗井液的縱向攜帶、拖拽能力，洗井工具、洗井方式等關鍵技術參數的優選更加重要[10]：①洗井工具優選。使用多功能洗井過濾裝置，依靠頂部金屬毛刷與文丘里回收筒可實現高效井筒清潔，能有效回收井筒內聚集雜質及固相懸浮顆粒[11]。②間歇替入高黏度高切力稠塞，有效攜帶聚集雜質，避免堆積沉淀。③自井底倒劃眼起鉆至射孔段頂200 m，再次充分循環，清除射孔段聚集物。④采用高排量高轉速洗井參數，洗井過程中保持管柱上下旋轉活動，使環空僅存在液體層和懸浮聚集層兩層流動[12]。

2.2 多功能EZFLOW射孔液

EZFLOW 射孔液體系是性能優良的可逆弱凝膠體系，能夠有效阻止對儲層的污染傷害，較高的低剪切速率黏度有利于懸浮聚集物，提高井眼凈化能力。特殊結構形成的單向強封堵反向易膨脹濾餅，完井時僅需微小的生產壓降就能清除，完全避免了常規射孔液對儲層、篩管、礫石等的堵塞。與渤海地層配伍性好，巖心滲透率恢復率高達96%，具有較強儲層保護能力，其主要特點如下：

1）良好的觸變性能。經實驗，該射孔液能快速恢復空間網架結構，有效懸浮聚集物，阻止巖屑床的形成。實驗結果如圖1所示。

圖1 觸變性實驗結果

2）較強的暫堵能力。經實驗，射孔液瞬時濾失量、濾失速率較小，可有效防止射孔后瞬時濾失量過大而造成壓差卡鉆，實驗數據見表1。

2.3 射孔管柱設計

超長層射孔段射孔槍及射孔服務管柱過長，且大斜度井內管柱磨阻較大，除常規射孔管柱設計需注意的問題外，超長層大斜度井還需考慮以下幾點：①射孔槍及服務管柱重量，啟動懸重均不能超過解卡用震擊器解鎖力；②射孔管柱弱點不能低于震擊器震擊力；③射孔后為防止卡槍，一般將射孔槍起出射孔段后壓井，起鉆時間較長，有效的井控措施不可或缺[13]。

針對超長層射孔管柱，綜合考慮以上風險，以Φ244 mm 套管射孔為例，推薦射孔管柱組合如圖2所示。采用該套射孔管柱組合具有如下的優點：①采用雙點火頭保證引爆充分，減小斷爆可能；②管柱帶循環孔，射孔后如發生溢流可第一時間壓井；③使用安全接頭+機械震機“雙保險”，機械震擊器解鎖力應至少大于底部管柱重量之和15 t；④管柱弱點為循環孔變扣處，射孔工具不易損壞。

表1 暫堵能力實驗數據

圖2 射孔管柱設計圖

2.4 射孔彈碎屑阻卡分析

為避免由于射孔后彈屑堆積導致卡槍[14]，參照API標準，對178 mm射孔槍692B-178R-11，40孔/m射孔彈射孔后彈屑展開分析試驗：射孔時掉落的彈屑量為188 g，對應體積90 mL，運輸和旋轉掉落2 292.3 g，對應體積613.7 mL，篩分定量分析見表2。

由表2 可以看出，在9.53 mm 篩孔直徑下，破片回收率為84.4%，滿足API要求。84.4%的射孔碎屑留在槍體內，大大降低了射孔碎屑過多造成卡鉆，及后期難以循環出井筒污染地層的幾率。

2.5 套管剩余強度分析

套管剩余強度決定套管是否會發生變形，一旦射孔后發生套管變形將會造成卡鉆，并且難以處理[15]。選用超長層射孔段套管剩余強度分析對象為API 標準Φ244 mm 套管，壁厚為15.2 mm，屈服強度862 MPa，應用692B-178R-11，40 孔/m 射孔彈進行射孔，應用有限元分析軟件ANSYS進行射孔后套管機械結構強度計算。

為消除邊界效應對射孔段套管強度造成的影響，計算模型1 為長度3 m 的原始套管，模型2 為射孔后的套管。通過在套管外施加100 MPa 地層壓力，未射孔的Φ244 mm套管內部應力達到858 MPa，非常接近屈服強度862 MPa，可確定套管抗地層應力擠壓強度為100 MPa。

射孔后套管在地層壓力作用下，在孔眼處產生了較大的應力集中。同時，在沿著射孔相位的螺旋線上產生了應力集中區域。從計算結果可以推測：套管射孔后，在射孔的孔眼處強度會有所減弱并率先失效，套管的失效將沿著射孔相位的螺旋線發展。

分析計算顯示套管在65 MPa 地層應力下未出現大面積屈服，而在70 MPa地層應力下出現大面積的屈服。由此計算得Φ244 mm套管以40孔/m孔密135°相位射孔后套管剩余強度為原有強度的65%～70%，為65～70 MPa，在渤海常壓地層不會發生套管變形。

表2 篩分定量分析

3 現場應用

3.1 海34井基本情況

海34 井是一口大斜度井，自730 m 以62°穩斜鉆進至3 230 m，目的層位為館陶組，最大井斜角65°，生產套管為Φ244 mm套管，射孔段長度734.2 m，具體的射孔位置見表3。

表3 射孔位置

3.2 現場施工情況

為防止海34井在超長層大斜度井段遇卡，首先在洗井過程中采用多功能洗井過濾裝置進行井段清潔，自井底倒劃眼起鉆至射孔段頂200 m；再次充分循環，清除射孔段聚集物，并采用較高排量進行洗井。高效井筒清潔技術保證井筒清潔，洗井管柱出井后，多功能洗井過濾裝置回收筒內攜帶出重約39 kg沉砂。

大斜度井內管柱磨阻較大，選用射孔管柱組合，射孔液為多功能EZFLOW 射孔液。選用了178 mm 射孔槍692B-178R-11，40 孔/m 射孔彈，能夠保證Φ244 mm 套管以40 孔密135°相位射孔后，套管在地層不會發生變形。施工過程中下射孔管柱到位校深后將管柱置于射孔位置，加壓至射孔壓力后快速放壓，等待5 min 后管柱震動明顯，打開防噴器，此時環空液面快速下降；向環空內快速連續補充工作液，同時上提管柱起至射孔段以上，實施反循環壓井。整個作業過程順利，未發生復雜情況。

采用上述技術分析研究，除了海34 井外，還在渤海油田進行了多井次大斜度井超長射孔層段完井作業，射孔后均未發生卡鉆、管柱斷裂等復雜情況，投入生產后生產效果均超過配產，其中海34 井的效果最好，實際產量超過配產的33.98%。

4 結論

1）射孔前井筒清潔對射孔作業安全具有關鍵性影響，利用高效井筒清潔技術可有效清除井筒內聚集物，為射孔作業打下良好基礎。

2）使用EZFLOW可逆弱凝膠體系射孔液可有效防止射孔瞬間吸附卡鉆，且與渤海地層配伍性好。

3）超長層大斜度井射孔作業，需考慮射孔管柱合理性及安全性，選用低碎屑射孔彈可有效避免射孔后碎屑卡鉆，并需對高孔密射孔后的套管剩余強度進行分析，以免造成套管變形導致卡鉆。

4）根據超長層大斜度井防卡關鍵技術，在渤海油田進行了多井次射孔完井作業，射孔后均未發生卡鉆、管柱斷裂等復雜情況，其中海34 井的效果最好，實際產量超過配產的33.98%。