水平井及大斜度老井再射孔的校深方法

刁林涛，高峰，汤继超

（河南油田测井公司，河南 南阳 473132）

0 引 言

有些水平井及大斜度老井需要进行补孔或重复射孔。由于水平井、大斜度井井况的特殊性和保护油气层射孔的复杂性，传统的射孔方法和射孔器材已不能完全满足老井再射孔的技术要求。在现有技术水平下，水平井、大斜度井只能采用加压起爆方式。采用套管完井的水平井、大斜度井初次射孔井段长，根据设计的管柱结构，一般使用多个压力或压差起爆器，并用环空加压的办法就能实现起爆，而水平井、大斜度老井再射孔由于地层已经打开，用环空加压的方法将造成压井液挤入地层而造成地层污染，还可能由于地层渗透性强出现井口加压达不到起爆器的设定值而无法起爆的现象，因此采用常规的起爆方式不可靠。

水平井、大斜度井初次射孔由于使用环空加压起爆方式，射孔枪在深度校正后，不会因为环空压力变化而使位置移动。但再射孔时，由于不能使用环空加压方式起爆，为保证起爆可靠性，现场一般采用密封管柱，采用油管内加压方式起爆。射孔枪的深度在校正后，虽然起爆前位置准确，但在起爆时，由于外加压力的影响，射孔枪管柱会在压力作用下相对位置发生变化。解决射孔时管柱位置的变化，使射孔枪正对目的层位射孔是水平井、大斜度井再射孔的难点。本文主要叙述大斜度井再射孔的校深方法。

1 水平井、大斜度井再射孔施工校深

水平井因射孔层段长，射孔误差较小对其影响不大。而大斜度井射孔层位多、层薄、夹层段地质条件复杂，射孔深度对射后产能影响很大。

水平井、大斜度井再射孔起爆受外在压力作用，使油管受力发生变化，造成射孔管柱伸长。伸长值不是一个随井深和压力变化而线性变化的数值。解决加压起爆造成的管柱伸长问题，国内有减少使用压力车等设备采用油管自重压力起爆的方法[1－2]。该方法施工时，管串上要加封隔器，虽然消除了加压造成的管柱伸长，但存在着斜井中封隔器不好坐封、管柱起下比较困难、射孔后不能直接完井和工艺复杂等问题。经校深调整后的管柱在加压射孔时伸长是大斜度井再射孔校深的技术难点。

根据河南油田张28井现场施工经验，该井射孔井段2768～2776m，井斜76°，采用102枪和102弹进行射孔施工。由于该井是河南油田第1口大斜度井，现场施工采用全密封管串下井。第1次校深时油管内没有注入液垫，待油管加满水后，进行第2次校深。2次校深结果深度读值相差10cm。在连续对3口井进行了2次校深结果基本相同的情况下，现采用1次校深定位，但射孔后曲线显示，深度存在大小不等的误差现象（见表1）。

表1 部分斜井施工数据表

由表1可见，大多施工井段误差超过标准规定值，虽然在管柱校正时考虑了伸长误差，但是考虑的方法是每1000m经验伸长0.2m，从射后检验曲线上反映出，没有完全消除存在的误差问题。

2 射孔管柱受力情况分析

2.1 油管受力分析及油压引起的油管轴向变形

在水平井及大斜度井再射孔时，油管串采用全密封管串进行施工，起爆靠油管内加压，在外力作用下，管柱在外力作用下存在伸缩问题。

油管所受力主要包括[1]：①油管与套管柱接触摩擦力；②井筒温度应力；③液体对油管底部的轴向推力；④油压、套压和液柱压力作用；⑤油管自重产生的拉伸力；⑥射孔枪重量产生的拉伸力；⑦当校深结束进行射孔时，由于使用压力起爆，会产生一个较大的影响力——引爆起爆装置时的外加压力。以上7个力中影响较大的是浮力、外加压力和摩擦力、管柱螺旋弯曲造成的管柱变化。油管长度变化为

式中，F为力（压缩力为正），F＝pisAi；ΔL1为油压引起的油管长度变化；Ai为油管内面积（相应于油管内径面积）；As为油管壁横截面积；E为弹性模量（对于钢，E＝2.07×105MPa）；L为油管柱长度。

2.2 鼓胀效应引起的油管轴向变形

如果向油管柱内施加压力，只要内压大于外压，水平作用于油管内壁的压力就会使管柱的直径有所增大，这种鼓胀效应叫做正鼓胀效应。反之，如果向环形空间施加压力，只要外压力大于内压力，测量油管柱直径有所减小，即称为反向鼓胀。图1、图2为鼓胀效应力学模型。与活塞效应和螺旋弯曲效应不同，鼓胀效应发生在整个管柱度上。鼓胀效应受力的数学模型为

图1 正鼓胀油管缩短

图2 反鼓胀油管伸长

当油管内流体流动而环形空间的流体不流动时，其管柱长度变化ΔL2为式中，ΔL2为鼓胀效应引起的油管长度变化；pos为井口处套管压力；Δpos为井口处套管压力的变化；R0为油管外径与内径的比值（外径／内径）；δ为由于流体流动而引起的单位长度油管内的压力降；ρi为油管内流体的密度；ρo为环形空间流体的密度；Δρi为油管中流体密度的变化；Δρo为环形空间流体密度的变化；μ为材料的泊松比（钢的μ为0.3）。

2.3 井斜摩擦引起的油管的轴向变形

水平井、大斜度井射孔管柱轨迹见图3。省略计算过程后得井斜摩擦引起的油管轴向变形为

式中，L为管柱调整值；ΔL3为螺旋弯曲引起的油管长度变化；TfB为最大累计摩擦力。

图3 水平井井眼轨迹垂直剖面图

2.4 射孔枪尺寸与油管弯曲引起油管轴向变形

由于射孔枪与油管底部相联结，射孔枪单位长度的尺寸和重力远大于油管的尺寸和重力。因此，射孔枪对油管的轴向变形影响不能忽视，根据其几何位置和几何关系，推导出射孔枪对油管变形为

式中，Fgun为射孔枪对油管产生的摩擦阻力，N；Lprof为射孔枪长度，m；Wgun为射孔枪单位长度重量，kg／m；fk为射孔枪与套管的摩擦系数；αk为油管底部与射孔枪相联结处的井斜角，（°）；ΔLgun为射孔枪对油管产生的轴向位移。

管柱在井下的状态见图4、图5。省略计算过程后得螺旋弯曲产生的路径缩短量为ΔL4。

2.5 油管总轴向变形

根据对油管柱变形和路径缩短的分析研究结果，油管柱在起爆时的油管总伸缩量ΔL为油压引起的油管轴向变形＋膨胀效应引起油管轴向变形＋井斜摩擦引起的油管轴向变形＋射孔枪尺寸引起油管的轴向变形＋螺旋弯曲引起的油管轴向缩短。即

根据受力模型的建立和分析，结合校深的原理和流程开发出深度校正实用软件，以提高工作效率和射孔精度。

3 现场应用

3.1 施工设计

（1）根据通知单的设计要求进行施工设计。设计枪串结构要合理，要设计起爆压力、定深短节位置（井斜在65°左右）、现场施工程序、可能存在的隐患及防范措施和应急处置方案。

（2）附加校正值的计算。根据井斜数据、定深短节的位置和射孔深度，用深度校正软件计算出需要增加的调整值L，附在施工设计中。

3.2 现场校深

现场射孔管柱的深度校正，首先利用电缆测量油管放磁曲线，将该曲线与完井组合图上的自然伽马曲线对比，确定定深短节处的深度。

式中，L为管柱调整值，m；H1为油层顶界深度，m；H2为测得定位标记深度，m；L1为射孔总零长，m。

计算不考虑伸缩情况下管柱调整值L，利用

计算管柱深度的总调整值，正值上提，负值下放进行管柱调整，即可达到深度校正的目的。

图6 基本参数及结果

3.3 应用效果

张2204井2680m斜井基本参数及油管校正计算结果见图6、图7、表2至表5。

图7 斜垂直剖面曲线

表2 射孔基本结构参数

表3 斜井射孔校正基本参数

表4 射孔校深位置参数

表5 各种因素引起的油管轴向位移计算结果

表6 部分井使用效果分析表

张1309井射后曲线显示设计射孔顶界2161.8 m，实际射后位置2161.8m，射孔位置准确。

从测有射后曲线的部分施工井数据统计（见表6）看，在使用校正软件施工的各井射后检查曲线上，射孔位置误差都控制在20cm以内，与使用前基本每井超差±50cm的现象相比，减少误差30cm左右，大大提高了射孔精度。但由于各井使用的油管疲劳程度差异、压井液密度不准，计算的结果会存在一定误差。同时，该软件只适合计算井斜≥30°斜井的附加校正值计算。

4 结 论

（1）通过水平井、大斜度井再射孔校深技术研究，对油管输送内加压射孔产生深度误差进行原因分析。

（2）建立了斜井管柱受力的数学模型，研究了消除误差的校正方法，并编制了自动计算软件。

（3）成功地解决了大斜度井和水平井再射孔的深度误差校正问题，总体误差不超过20cm，符合行业标准要求的油管输送射孔深度误差控制在20cm的规定，达到了预期效果。

[1]练章华，李洪建，杨斌，等 斜井射孔管住深度校正方法研究[D].成都：西南石油大学，2007.

[2]曹红海.水平井再射孔技术探讨[C]∥2004射孔年会论文集，2004.