定向射孔作業(yè)后BCPM2 損壞原因分析

呂煥軍，張耿浩，燕歡慶

(中海油田服務(wù)股份有限公司，海南 海口 570100)

0 引言

因油田增產(chǎn)需要，定向射孔技術(shù)近年來有很多應(yīng)用。定向射孔技術(shù)在具有雙油管柱或多油管柱的井中應(yīng)用，可以確保下入某一油管柱內(nèi)的射孔槍不會射穿井眼中的其他生產(chǎn)管柱。隨著油田開發(fā)進(jìn)入中后期，為提高采收率，這種作業(yè)需求會逐漸增加。此項作業(yè)涉及了射孔和隨鉆測井兩方面的技術(shù)和裝備，是一項創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用，相對傳統(tǒng)定向射孔技術(shù)，具有精確度高、能夠適應(yīng)各種復(fù)雜井況的優(yōu)勢。這種創(chuàng)新型定向射孔作業(yè)需將射孔槍和隨鉆測量設(shè)備及鉆桿連接，用鉆桿將射孔槍傳送到預(yù)定深度，用隨鉆測井設(shè)備進(jìn)行校深和精準(zhǔn)確定射孔槍方向。這種組合定向射孔技術(shù)是一項新的探索，前期已經(jīng)在南海西部應(yīng)用，經(jīng)實踐檢驗，射孔定向精度高，射孔后設(shè)備完好。在某次定向射孔作業(yè)完成后，發(fā)現(xiàn)隨鉆測量儀器傳輸設(shè)備BCPM2 電路損壞，而目前新型定向射孔作業(yè)模式可借鑒的經(jīng)驗較少，為此需要分析問題發(fā)生的根本原因，為后續(xù)作業(yè)規(guī)避風(fēng)險提供理論依據(jù)。

1 定向射孔作業(yè)介紹

新型定向射孔作業(yè)，在射孔槍和MWD 儀器串連接好后，先確認(rèn)好隨鉆測量儀器串與射孔槍的高邊角度差，在地面做好記錄。鉆桿連接隨鉆測量儀器和射孔槍下到預(yù)定深度后，開啟泥漿泵循環(huán)，隨鉆儀器開始工作，通過隨鉆設(shè)備校深和確認(rèn)方位并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，使射孔槍對準(zhǔn)預(yù)定方向。深度和方位調(diào)整好后，泥漿泵以排量800 L/min 循環(huán)，直至關(guān)閉旁通循環(huán)閥。在旁通循環(huán)閥關(guān)閉后，給管柱內(nèi)加壓3.45 MPa，判斷旁通循環(huán)閥是否關(guān)閉良好。確認(rèn)壓力穩(wěn)定后，快速加壓至最高起爆壓力17.24 MPa，此時壓力點火頭觸發(fā)，引爆射孔槍點火。點火后，管柱內(nèi)流體通過點火頭與外部連通建立循環(huán)，此時泥漿泵以800 L/min 循環(huán)，隨鉆測井儀器開始工作，地面可以獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。在某次定向射孔作業(yè)中，儀器射孔前各項數(shù)據(jù)測量正常，為射孔槍提供了精準(zhǔn)的校深和工具面數(shù)據(jù)，但在射孔順利完成并建立循環(huán)后，儀器無響應(yīng)，現(xiàn)場初步判斷儀器出現(xiàn)問題。由于射孔作業(yè)已經(jīng)順利完成，現(xiàn)場未做進(jìn)一步處置。

2 故障原因分析

2.1 BCPM2 電路燒毀原因分析

儀器返回車間檢查，加高壓測試后，儀器無電流無響應(yīng)，加低壓測試電流正常。拆開檢查發(fā)現(xiàn)BCPM2 儀器內(nèi)部線路燒毀，排查發(fā)現(xiàn)多塊電路板損壞。從現(xiàn)場作業(yè)情況來看，射孔前，儀器可以正常工作，上傳了調(diào)整射孔槍的方位參數(shù)，回車間后讀取儀器內(nèi)存，也顯示射孔前儀器工作狀態(tài)正常。射孔后儀器工作異常，未見數(shù)據(jù)上傳，且設(shè)備返回后讀取內(nèi)存，也未發(fā)現(xiàn)射孔后的相關(guān)數(shù)據(jù)，和現(xiàn)場人員反映狀況一致，據(jù)此推斷儀器在點火射孔期間發(fā)生損壞。

儀器在點火射孔期間，主要的風(fēng)險因素有點火時的振動和射孔時的壓力迅速釋放。振動沖擊主要是機(jī)械部分的損傷，儀器的電路均有固封膠包裹，連接線有RTV 固定，檢查儀器機(jī)械部分未見振動沖擊造成的損傷，且電路部分包裹完好。進(jìn)一步排查發(fā)現(xiàn)BCPM2 儀器多塊損壞的電路板故障點為電源與地線之間短路，此類故障主要由于主電源過壓所致。電子倉的接頭連接線也存在較多燒毀痕跡，符合高壓造成短路損壞特征。

隨鉆測井儀器井下主電源由渦輪發(fā)電機(jī)提供，發(fā)電機(jī)依靠管柱內(nèi)流體流動帶動渦輪旋轉(zhuǎn)發(fā)電，流體流速決定了渦輪的轉(zhuǎn)速，渦輪轉(zhuǎn)速快慢決定了發(fā)電機(jī)輸出電壓的高低。儀器內(nèi)部存在過大的流量會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)渦輪轉(zhuǎn)速過高，從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出電壓過高。因此，初步判斷設(shè)備在射孔時管柱內(nèi)有較大的流量產(chǎn)生，超過儀器能承受的極限流量，造成發(fā)電機(jī)輸出過高電壓燒毀電路部分。因此，分析儀器燒毀的原因應(yīng)分析出產(chǎn)生過大流量的根本原因。

2.2 流量過大原因分析

射孔時儀器的排量由兩部分組成：

(1)管柱內(nèi)液體壓縮后壓力釋放產(chǎn)生的排量；(2)泥漿泵泵入液體加壓的排量。

為查找流量過大原因，對作業(yè)設(shè)計、作業(yè)日報、錄井?dāng)?shù)據(jù)等進(jìn)行了分析。射孔時泥漿泵的排量為800 L/min，因此計算出憋壓射孔后釋放產(chǎn)生的排量即可計算出當(dāng)時儀器的總排量。

計算憋壓后壓力釋放產(chǎn)生的排量，需要計算出憋壓后管柱內(nèi)液體產(chǎn)生的壓縮量，由壓縮量和壓力放噴時間計算出射孔瞬間壓力釋放產(chǎn)生的排量。查詢作業(yè)資料，管柱內(nèi)的流體主要是水。

根據(jù)作業(yè)設(shè)計的管柱圖得知，5"鉆桿內(nèi)徑ID=4.28"(108.7 mm)，故內(nèi)半徑R=54.4 mm，鉆桿內(nèi)截面積：

S=πR2=9.29×10-3m2(1)

查詢管柱圖得知BCPM2 儀器在井下的深度H=2 259.96 m，故BCPM2 儀器以上管柱內(nèi)液體總?cè)萘繛椋?/p>

V=S×H=9.29×10-3×2 259.96 =21 m3(2)

要計算出水的壓縮量，就必須知道水的壓縮系數(shù)。水的壓縮系數(shù)定義為單位體積水的體積隨壓力的變化率。在不同的溫度、壓力下，其數(shù)值不同。溫度為T時，水的壓縮系數(shù)為[1]:

為了計算管柱內(nèi)水的壓縮量，需求出水的壓縮率，常用的方法有圖版法和經(jīng)驗公式法，下面分別用兩種方法進(jìn)行計算。

2.2.1 圖版法

水 的 壓 縮 系 數(shù) 圖版(據(jù)Dodson and standing，1944)[2]如圖1 所示，可以查出對應(yīng)溫度、壓力條件下水的壓縮系數(shù)。

圖1 水的壓縮系數(shù)圖版

結(jié)合井況參數(shù)，管柱內(nèi)液體平均溫度為35 ℃。儀器深度為2 259.96 m，加壓前管柱內(nèi)水的平均壓力為水的自重產(chǎn)生的壓力和空氣壓力之和，所以管柱內(nèi)水的平均壓力為：

式中：ρ為管柱內(nèi)液體密度(1.06×103kg/m3)；g為重力加速度，取9.8 N/kg；H為儀器所處深度，取2 259.96 m；P0為空氣壓力，取0.101 3 MPa；

代入相關(guān)數(shù)據(jù)計算得到管柱內(nèi)水的平均壓力P=11.6 MPa。根據(jù)平均壓力可在圖版中讀取水的壓縮系數(shù)為Cw=4.37×10-4/MPa。射孔時點火頭需要加壓17.24 MPa，此時水的壓縮率為：

由管柱內(nèi)水的總?cè)萘亢退膲嚎s系數(shù)，即可計算管柱內(nèi)水的壓縮體積：

2.2.2 經(jīng)驗公式法

根據(jù)油藏工程的相關(guān)資料，地層水的壓縮系數(shù)與溫度、壓力及水中天然氣的溶解度有關(guān)。預(yù)測地層水壓縮系數(shù)的相關(guān)經(jīng)驗式(7)[3]：

其 中：A=5.625×10-2T+1；a=3.854 6-1.943 5×10-2P；b=-0.336 6+2.212 4×10-3P；c=4.021×10-2－1.306 9×10-4P；f=1+4.997 4×10-2Rsw。

式中：Cw為地層水的壓縮系數(shù)(MPa-1)；T為地層溫度(℃)；P為地層壓力(MPa)；Rsw為地層水中天然氣的溶解度(m3/m3)。

計算管柱內(nèi)水的壓縮量時，可以引入式(7)進(jìn)行計算。管柱內(nèi)注入的是不含天然氣的水，故取RSW=0。在圖版法中已計算出管中水的平均壓力為11.6 MPa，根據(jù)井況數(shù)據(jù)，取管柱內(nèi)液體平均溫度為35 ℃。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)可得：

因此，水的壓縮系數(shù)為：Cw=4.41×10-4MPa-1。

點火時加壓17.24 MPa，故管柱內(nèi)水的壓縮率為：

由管柱內(nèi)水的總?cè)萘亢退膲嚎s系數(shù)，即可計算管柱內(nèi)水的壓縮體積：

對比圖版法和經(jīng)驗公式法的計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩種方法計算的管柱內(nèi)水的壓縮量近似。

查詢錄井?dāng)?shù)據(jù)，得知射孔后泄壓時間(如圖2 所示)t≈13 s ≈0.217 min。

圖2 射孔后壓力釋放錄井曲線圖

兩種方法計算出水的壓縮量近似，取平均值Vp=158.95 L，由水的壓縮量和泄壓時間，計算出射孔泄壓產(chǎn)生的排量：

根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)記錄，射孔時泥漿泵排量QB=800 L/min，所以此時BCPM2 儀器處的總排量：

查詢475 型BCPM2 儀器手冊，常規(guī)儀器的安全排量為950 L/min，而此次射孔作業(yè)中釋放的總排量達(dá)到1 532.49 L/min，超過了儀器的安全排量。通過查詢排量和馬達(dá)電壓對應(yīng)關(guān)系表，渦輪發(fā)電機(jī)輸出的最終電壓超過500 V，過高電壓造成儀器電路部分損壞。BCPM2 儀器常規(guī)排量渦輪的安全排量為950 L/min,極限排量可以達(dá)到1 326 L/min，但常規(guī)使用均在安全排量以內(nèi)，極限排量時儀器達(dá)到了電路器件的最高耐壓，超過安全排量使用會影響儀器后續(xù)的穩(wěn)定性，超過極限排量則會對儀器造成損壞。儀器手冊中有儀器過排量使用會造成發(fā)電機(jī)輸出電壓過高、儀器電路損壞的安全警示。為了此新型作業(yè)能夠推廣，應(yīng)采取相應(yīng)的措施，不僅保證作業(yè)的順利進(jìn)行，還能確保儀器完好。

3 應(yīng)對措施

3.1 降低泥漿泵加壓射孔時的排量

為了避免儀器損壞，需要控制射孔瞬間的排量，分別從射孔時泥漿泵的排量QB和射孔后壓力釋放產(chǎn)生的排量Qp兩個方面分析。

射孔后壓力釋放產(chǎn)生的排量QP與管柱內(nèi)的總液體體積和井口加壓有關(guān)。點火壓力17.24 MPa 由點火頭性能決定，無法改變；而管柱內(nèi)的液體總量由射孔深度決定，也無法改變，因此射孔壓力釋放產(chǎn)生的排量無法減少。但是可以確定的是井越深，壓力釋放產(chǎn)生的排量越大。

在旁通循環(huán)閥關(guān)閉后加壓3.45 MPa，確認(rèn)壓力穩(wěn)定。在開啟泥漿泵加壓至射孔壓力17.24 MPa 的過程中，可以降低泥漿泵的排量QB，確保射孔時總排量不會超過儀器的安全排量，以保護(hù)儀器，加壓射孔完成后，泥漿泵的排量可以恢復(fù)正常。在3.45 MPa 到17.24 MPa 加壓的過程中，泥漿泵的安全排量與射孔段的深度有關(guān)，射孔段的深度越深，則射孔時管柱內(nèi)液體壓縮量越大，泄壓產(chǎn)生的排量越大，泥漿泵的安全排量越小。但在此次作業(yè)中，儀器深度達(dá)到2 259.96 m，泄壓排量疊加泵的排量超出儀器極限，造成儀器損壞。故后續(xù)新型的定向射孔作業(yè)應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的排量計算，嚴(yán)格控制3.45 MPa 到17.24 MPa 加壓過程中的泥漿泵排量，確保儀器安全。

3.2 更換高排量渦輪進(jìn)行定向射孔作業(yè)

此次作業(yè)中使用475 型BCPM2 安裝的是常規(guī)排量渦輪，最大安全排量為950 L/min。相同排量下，高排量渦輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速更低，其最大安全排量可達(dá)1 325 L/min,故高排量渦輪可以提高儀器的安全排量。在定向射孔作業(yè)中，可以給儀器安裝高排量渦輪，以提高儀器的排量極限，起到保護(hù)儀器的作用。

4 結(jié)語

(1)由于液體的可壓縮性，憋壓時管柱內(nèi)的液體會產(chǎn)生一定的壓縮量，壓縮量與井口加壓壓力、管柱內(nèi)液體體積、井溫相關(guān)，其中管柱內(nèi)液體體積與井口壓力對壓縮量影響最大。

(2)定向射孔作業(yè)使用到隨鉆測量設(shè)備時，要將在射孔瞬間釋放壓力產(chǎn)生的排量考慮在內(nèi)，綜合考慮泥漿泵排量和泄壓排量，防止儀器損壞。

(3)定向射孔作業(yè)中，為保證儀器的安全，應(yīng)在管柱內(nèi)壓力3.45 MPa 開始上升至點火壓力17.24 MPa 這段時間內(nèi)降低泥漿泵排量，具體排量根據(jù)計算結(jié)果確定，點火完成后可以按正常排量循環(huán)。

(4)定向射孔作業(yè)中BCPM2 儀器應(yīng)安裝高排量渦輪，以提高儀器的安全排量閾值。