射孔液密度及壓力變化對油管傳輸射孔定位深度的影響分析與實踐

陳華彬， 楊登波， 葉忠瓊， 羅苗壯， 聶華富， 馬自強

中國石油集團測井有限公司西南分公司

1 XX11井井況

XX11井是塔里木油田在庫車山前區塊[1]鉆探的一口預探井，鉆井工程設計為四開，采用壁厚為12.65 mm的?177.8 mm套管封堵油氣層完井。采用密度2.05 g/cm3超微重晶石[2]鉆井液鉆至目的層位，設計井深6 200 m，實際完鉆井深5 747.4 m，預計地層壓力100 MPa，地層溫度135 ℃。下套管固井后，循環替入密度1.8 g/cm3磺化鉆井液[3]，進行回接、鉆塞、銑喇叭口、刮壁等完井工序，人工井底5 720 m。

因XX11井井筒內密度1.8 g/cm3磺化鉆井液不滿足高溫井況下的完井試油要求，試油工程設計采用密度2.05 g/cm3壓井液進行射孔完井作業。射孔方式為?88.9 mm鉆桿傳輸射孔；鉆桿本體內徑70.2 mm，公母接頭內徑54 mm；射孔井段為5 632～5 639 m、5 644～5 649 m、5 653～5 660 m、5 665～5 678 m、5 682～5 692 m、5 695～5 703 m、5 707～5 716 m，射孔跨度84 m，射厚59 m；射孔器材選用SQ121-16-60-175型射孔槍及DP44HNS45-4XF型先鋒射孔彈，孔密為16孔/m，射孔相位60°。

由于現場僅有39 m3密度2.05 g/cm3的射孔液，為保障XX11井試油工作及時推進，現場決策在通井過程中先替入該射孔液，在此基礎上起出通井管柱后下入射孔管柱，定位校深[4]完畢調整射孔槍對準射孔層位，待后續射孔液到井后再以正替方式替入，確保全井筒為密度2.05 g/cm3的射孔液。

在執行現場方案時，通過理論計算分析了校深前后射孔液密度變化對定位深度的影響，為油氣井油管傳輸射孔(以下簡稱TCP射孔)定位校深提供參考。

2 理論計算

2.1 射孔液密度變化引起的射孔管柱變形量

由于射孔完井液密度變化時入井管柱尺寸、規格是不變的，入井管柱受力主要包括重力和浮力，管柱的重力不變，引起射孔管柱變形的增量源于射孔液密度增量，即浮力變化：

ΔF浮=Δρ·g·V

(1)

式中：ΔF浮—射孔管柱浮力變化，N;

Δρ—射孔液密度變化值，kg/m3；

V—入井管柱本體體積，m3。

其中管柱體積：

(2)

式中：S—管柱截面積，m2；

h—管柱長度，m；

D外—管柱外徑，m；

D內—管柱內徑，m。

以XX11井為例，簡化計算射孔液密度變化給管柱帶來的變形量。

SQ121-16-60-175型射孔槍外徑D槍為121 mm，射孔槍串長度H槍為84 m，則射孔槍串的體積：V槍=0.966 m3

定位校深調整射孔槍對準目的層位后，為滿足全井筒為密度2.05 g/cm3完井液，則后續還需要替入的射孔液液柱高度H4=5 720-H=3 228.39 m。

計算出后續替入射孔液的管柱本體促排量V：

V=S鉆·H4=7.54 m3

射孔液密度變化導致的管柱浮力變化ΔF浮：

ΔF浮=Δρ·g·V=250×9.8×7.54=18 473 N

發生密度變化井段對應的管柱(鉆桿)長度為H4，管柱變形量ΔL：

射孔液密度變化導致的管柱長度壓縮量為0.12 m，在TCP射孔定位校深允許的深度誤差0.2 m范圍內，因此，理論上XX11井射孔液密度變化導致的射孔深度誤差可以忽略。

若下射孔管柱前未進行任何替液工作，在射孔管串下放對準目的層位后再全井筒替換為密度2.05 g/cm3完井液，根據上述方法，計算得到射孔液密度變化導致的管柱長度壓縮量為0.41 m，此時的變形量超過0.2 m的深度誤差允許范圍，必須再次進行定位校深，重新調整射孔管柱以對準目的層位。

2.2 井口壓力增量引起的射孔管柱變形量

對于投棒起爆的TCP射孔作業，此項不作考慮。對于壓力起爆的TCP射孔作業而言，井口施加的起爆壓力[5]可以間接表達為射孔液密度變化。

在不帶封隔器的常規TCP射孔作業中，壓力起爆需要從井口施加壓力增量Δp以剪切起爆裝置的銷釘，井口施加的起爆壓力為35 MPa、20 MPa不等。TCP射孔起爆時所施加的壓力增量會對射孔定位深度產生一定影響，由于井口注入液體不泄露，被井口加壓壓縮的液體將對井內的射孔管柱產生壓縮變形，變形量與射孔管柱的總長度H整呈線性變化關系。以XX11井為例，若施加的井口起爆壓力為35 MPa，則射孔管柱產生的近似浮力變化ΔF浮：

ΔF浮=Δp·S鉆=81 900 N

浮力變化引起的近似變形量ΔL：

以此類推，計算出施加的井口起爆壓力分別為30 MPa、20 MPa、10 MPa、5 MPa帶來的管柱變形量分別為0.83 m、0.55 m、0.28 m、0.14 m。對于井口加壓起爆的TCP射孔作業管柱[6]，推薦增加延時起爆裝置，以便井口加壓擊發起爆器后進入延時，在延時時間內將井口壓力卸至可控、可辨起爆的壓力范圍，促使射孔管柱盡量恢復到校深定位時的狀態，同時又能兼顧通過壓力變化觀察到射孔起爆。

對于帶封隔器的射孔聯作工藝，封隔器以下的減震管柱一般為數十至數百米不等，傳輸管柱內加壓起爆的同時，環空也會施加平衡壓力，井口壓力增量給射孔管柱帶來的變形量可忽略不計。以XX11井采用帶封隔器的射孔聯作工藝為例，封隔器以下設計有長度為300 m的?88.9 mm油管作減震管柱，當井口施加的起爆壓力增量為35 MPa，采用上述方法，可以計算出壓力增量帶來的射孔管柱變形量為0.065 m，現場施工可以忽略。

3 現場驗證

XX11井在前期替入39 m3密度2.05 g/cm3超微重晶石鉆井液的基礎上，鉆桿傳輸射孔管柱下至目標井段后，進行第一次定位校深，通過伽馬和磁性定位曲線[7]進行深度校核，射孔定位短節的底界深度為5 598.1 m。根據校深計算出的調整距[8]調整好射孔深度，使射孔槍對準目的層位，然后采用密度2.05 g/cm3超微重晶石鉆井液90 m3以正眼低替的方式將井筒內密度1.8 g/cm3鉀聚磺鉆井液全部替換出井，為驗證替液后的射孔深度變化，現場進行了第二次定位校深，得到定位短節的底界深度為5 598.08 m。

射孔液密度變化前后的兩次定位校深測得的定位短節底界深度分別為5 598.10 m、5 598.08 m，相差0.02 m。

兩次校核深度相差0.02 m，即射孔管柱整體縮短0.02 m，與理論分析計算的管柱壓縮量0.14 m均在TCP射孔校深允許誤差范圍內，考慮替液密度及液柱高度誤差、人工校深誤差[9- 10]等因素的綜合影響，理論計算得到的結論與現場實際驗證的結論是一致的，即給射孔帶來的深度誤差影響可以忽略，但理論計算結果偏大，這與理論計算模型簡化、未考慮井身結構、管柱彎曲變形等因素均有關系，因此，理論分析結果有一定的指導性，當理論計算出的射孔深度差值較大時，推薦現場進行二次定位校深驗證。

根據井口起爆壓力對TCP射孔管柱變形量的影響分析認識，XX11井在射孔管柱中設置了延時10 min的延時起爆裝置，在井口施加壓力增量35 MPa后，將井口壓力卸至8 MPa，在有效觀測到起爆瞬間的壓力變化的同時，消除了井口壓力對射孔深度的不利影響，保障了射孔成功作業，后續測試獲得良好油氣產量。

4 結論

(1)油氣井TCP射孔在完成定位校深及管柱深度調整后發生射孔液密度變化，會使射孔管柱產生變形，尤其是大變量密度變化、大變量液柱改變的情況，管柱變形量將影響定位深度的準確性，因此需要從理論上獲取數據支持。通過XX11井案例分析，理論計算密度變化給管柱帶來變形量不大于0.2 m，可以不進行第二次定位校深，與進行二次定位校深取得的結論是一致的。反之則需要二次校深。

(2)射孔起爆時所施加的壓力增量會對射孔定位深度產生一定影響，對于不帶封隔器的常規TCP射孔作業，建議設置延時起爆裝置，加壓擊發起爆器后及時降低井口壓力，確保管柱恢復到定位校深時的狀態；對于帶封隔器的射孔聯作，井口壓力增量引起的管柱變形量對射孔深度影響不大，但考慮施工作業井筒、管柱安全性，建議增加延時起爆裝置，及時降低井口壓力。