川东北超深含硫水平气井射孔工艺技术探讨

倪先龙 （中国石化集团西南石油局测井公司 四川 成都 610100）

引言

川东北有着丰富的油气资源，仅普光气田探明储量即有3500亿立方米，加上外围则达到4200亿立方米。四川盆地川东北巴中低缓构造元坝区块长兴组礁滩复合体的突破更是为川东北的油气勘探再添佳绩。但是川东北的油气层均埋藏深，以元坝区块长兴组礁滩复合体为例，目的层深度均在7000米左右，最深直井达7450米，最深斜井7990米。随之而来的则是高温（最高达165℃）高压（钻井时达153 MPa），而且由于是海相地层还高含硫；同时为了提高单井产能，高效开发元坝长兴组超深含硫气藏，大斜度井及水平井在该区大量应用。这些复杂条件对射孔技术提出了严峻的挑战，无论对工艺、火工品还是射孔器材都提出了更高更严格的要求。而在如此深的含硫超深水平井中开展射孔工作，在国内还没有先例，因此，研究高温高压高含硫条件下的水平井射孔工艺、火工品和器材就显得尤为重要。本文在前期技术调研、实验的基础上，结合元坝地区施工的YB10-侧1井射孔实例对含硫超深水平井的射孔工艺、火工品和器材进行了探讨，取得了一些初步认识。

1、前期调研和射孔初步方案

1.1、Y B 10-侧1井基本数据

YB10-侧1井是四川盆地川东北巴中低缓构造元坝区块长兴组Ⅰ号礁滩复合体上大斜度超深井，目的层为海相地层，在长兴组有良好显示。完钻井深7273米，造斜点6404.88米，最大井斜79.14°，完钻垂深6861米，射孔段套管为177.8mm×12.65mm；井内预测H2S含量3.7%～7.2%，CO2含量6.62%～15.5%，井底温度150℃左右，射孔时井底压力108MPa，射孔井段7011-7180米，射孔长度169米，跨10个气层。

1.2、射孔难点

在此之前，国内没有施工过类似的超深大斜度含硫气井射孔先例，没有相关施工经验借鉴。经过分析研讨，本井主要有以下难点：

(1)射孔枪的选择：理论上越大的射孔枪越利于油气井的开发，但同时必须考虑枪和套管间隙，枪身在井斜变化大的位置的通过能力，射孔后产生的毛刺是否会卡枪等问题。

(2)高压：本井设计射孔压井液为1.21g/cm3泥浆，井底静压力81.36MPa，射孔采用加压起爆方式，设计井口加压16 MPa；同时根据深井射孔作业规范和销钉剪切值5%的误差可在设计基础上附加3-10 MPa，综合考虑井底最高压力可达108 MPa。为此所有射孔器材均要考虑耐高压性能。

(3)高温：本井射孔段地层温度有150℃，密封圈和导爆索、射孔弹等火工品均要考虑耐高温性能。

(4)防退扣：水平井和大斜度井井筒与枪串的摩擦力大，很容易在接头处退扣，导致掉枪。因此需要考虑接头与接头之间的防退扣和接头与套管接头间的卡挂风险。

(5)防硫：本井含硫，无论射孔枪、起爆器和密封圈都要考虑高压高温下的防硫问题。

(6)防卡：本井作业时间长，射孔枪串在井内滞留时间长，还要考虑粘卡风险。

1.3、射孔初步方案

(1)射孔液的不仅涉及到射孔管柱的安全，同时还涉及射孔后井内压力的平衡和射孔加压起爆时压力的传递。前期设计采用无固相泥浆做为射孔液，但由于成本太高，只能采用固相泥浆作为射孔液，通过对YB10-侧1井邻井的压力资料统计，元坝长兴组地压系数在1.0-1.06左右。根据标准，高压气井附加0.15,因此YB10-侧1射孔泥浆密度选择1.21 g/cm3。

(2)YB10-侧1井套管完井为177.8mm套管，最大井斜角79.14，常规配套的127枪遇阻的风险极大，根据普光类似水平井以及前期HF302大斜度井的经验，需采用114mm及以下尺寸射孔枪。

(3)射孔参数初步定为孔密16，相位60°，螺旋布孔。

(4)目前川东北已射孔井（井深5000米左右）多采用HMX火药射孔弹，考虑用HMX火药射孔弹。

2、工艺论证

2.1、射孔枪的选择

射孔枪大小的选择主要受射孔段套管内径和斜井段狗腿度的影响，射孔枪材质和厚度决定其耐压。

通过表1看出：在套管177.8mm情况下，配127枪枪套间隙小，校正后的穿深、孔径最大，射孔效果最好；但射孔枪爆炸后会发生膨胀和弯曲变形以及射孔产生得得毛刺，上提射孔枪至 “狗腿弯处”存在卡枪风险，射孔枪外径越大，风险越大；而且127射孔枪重量比114枪重量高16%，射孔后形成的爆轰冲击力也明显增大，进一步降低了射孔管柱的安全系数，射孔管柱脱落的风险增加。因此为了安全选用114枪。

本井狗腿度最大井段6434.45-6449.5m/15.05m，理论计算不考虑毛刺的情况下114枪枪身通过能力为64.49m。考虑出现毛刺的可能，枪身通过能力为55.48m，这样一次射开169米的长度显然太长。考虑下套管后狗腿度可能会变小，枪体本身具有一定的柔韧性，为了保证传爆同时为了减轻射孔枪起爆瞬间产生的爆轰波对射孔管柱安全的影响分两至三个射孔单元，中间用筛管连接。

2.2、射孔弹的选择

在高温条件射孔，主要是要解决整个射孔系统耐高温的问题，YB10-侧1井射孔段的温度在150℃左右，如图1常规的高温射孔器材（HMX）的耐温指标为160℃/48小时，基本可以满足YB10-侧1井的射孔需要；但第一次施工如此深的水平井并不能保证48小时完成施工，为了确保成功和为后期更高温度射孔积累经验，本井采用了超高温的射孔器材即PYX系列。射孔弹、导爆索、传爆管、起爆器全部采用超高温系列。选择的射孔弹型为DP43PYX45-5,其地面打柱状水泥靶的穿深达到900mm，钢靶穿深为195mm，孔径为11mm。

2.3、射孔参数选择

在一定的工艺条件，影响射孔效果的主要因数是射孔参数。理论研究表明，一般情况下产率比随孔深的增加而增加，当孔深增加到一定程度时，气井产率比增加的幅度明显变缓，一般长井段气井在低孔密情况下孔深的影响更为明显，通过调整弹型可以达到控制孔深，实现对储层产出能力的控制。

该井选用的射孔弹穿深达到900mm，孔径11mm，能较好的满足射孔的需要，同时在显示好的井段采用低孔密的射孔。在显示不太好的井段采用16孔/米的孔密。为了尽可能沿地层的最大主应力方向射孔，采用60°相位螺旋布孔方式。

2.4、防倒扣和防卡

大斜度井井筒与枪串的摩擦力大，很容易在接头处退扣，导致掉枪。因此，射孔枪接头之间全部采用顶丝防倒扣装置，上下两端30度倒角防卡。

表1 射孔枪及射孔弹参数表

2.5、射孔工艺和管柱安全

为了缩短射孔枪在井内的停留时间，防止出现因射孔枪在井内停留时间过长，射孔泥浆性能发生变化造成卡枪等事故，不采用射孔-测试联作工艺，采用光油管的TCP射孔工艺。射孔加压起爆时，井口不装采油树，射孔点火后地面观察1-2小时，然后上提射孔枪出井口，再组下封隔器管柱进行酸压改造。

3、器材实验

3.1、防硫

在含硫化氢的井内射孔，防硫是目前国内射孔面临的一个主要难题。如果全部采用材质防硫，成本太高，器材的加工周期长，不能满足生产的需要。通过调研，硫化氢在93℃以上对金属材料的腐蚀大大减弱，而YB10-侧1井射孔段的温度在150℃左右，射孔时用泥浆压井，射孔后井内基本不会有硫化氢，鉴于此决定采用部分防硫的方式。射孔枪、压力起爆装置、延时起爆装置、枪接头、等产品材料都选用32CrMo或40CrMo，热处理HRC：20-25（经过退火、正火、调质处理），采用磷化表处理。最后通过优化射孔工艺，提高射孔效率，缩短射孔枪在井内的停留时间等来达到防硫的目的。

3.2、为了确保一次性成功和为以后施工提供数据作了以下实验：

①对所用的射孔枪全部做了35MPA、稳压15分钟的低压防渗漏试验，并随机抽取一只射孔枪做了120MPA、稳压15分钟的高压试验。所有射孔枪均合格。

②所有密封圈全部做了200℃高温状态下的变形试验。没有不合格密封圈。

③对传爆管抽样进行了200℃条件下，上下间距5cm，偏心3.5mm情况下传爆稳定性试验。所有传爆管均正常传爆。

④对超高温导爆索进行了170℃温度下的收缩性试验，实测收缩率≤1.2%，小于设计指标2%。

⑤在地面做了延期装置延时试验。该井使用的延期装置的理论延时时间为10分钟，在地面实际时间为10分46秒，考虑井下温度高，实际起爆时间可能缩短。

⑥做了压力起爆器剪切销试验。该井使用的压力起爆装置剪切销钉，单颗剪切值在常温下为3.09MPA,在160℃温度下最大为2.91MPA最小为2.69MPA,实测为2.825MPA。

⑦对导爆索，压力起爆药、延时起爆药进行了X射线扫描，未发现异常。

⑧对起爆装置、延时装置、减震器进行了抗拉强度试验。试验拉到70吨无损伤。

⑨对射孔弹抽样做了常温下打柱状水泥靶、钢靶试验和170℃高温下打钢靶试验。常温下柱状水泥靶的穿深达到900mm,孔径为11mm。

⑩通过调研，将射孔弹由外绕方式改为内绕方式，主要目的是为了让导爆索在射孔枪内更好的与射孔弹端面接触好，同时减小装枪过程中导爆索和枪内壁的磨损。

4、射孔方案确定

根据工艺论证及器材实验，本井射孔采用光油管射孔，射孔后及时提出管串防止粘卡和硫化氢腐蚀；分两个射孔单元中间用0.7米筛管连接，每个射孔单元均为两端双向起爆方式；射孔枪为 114枪，孔密16孔/米，耐压 120MPa，相位 60°的内绕式螺旋布孔；射孔弹为DP43PYX45-5；泥浆为1.21 g/cm3；井口不装采油树，加压起爆方式。

5、施工效果和经验总结

5.1、施工效果

本井按照上述方案进行了射孔施工，施工顺利，经酸化测试获天然气无阻流量323万方/日。射孔完后提出射孔枪，经检查发现有7发射孔弹未发射。射孔发射率为99.68%，达到规范要求。起出射孔管串后发现连接两个射孔单元之间的筛管弯曲变形，现场监测不明显。

5.2、问题总结和分析

5.2.1 射孔后有7发弹没有发射，经检查装配没有问题，分析可能有以下原因：

①国内的超高温射孔器材使用还不多，对超高温炸药的性能和稳定研究还需要加强。

②超高温炸药的理论传爆速度比常温和高温炸药的传爆速度低1000-2000米/秒，客观上超高温炸药存在感度低、传爆难等情况。

③超高温射孔弹传爆孔位置炸药的敏感度不够，还需要加强技术公关，提高射孔弹的敏感度。

④虽然采用了导爆索内绕方式，但导爆索和射孔弹的接触方式和结构还是需要改进。

5.2.2 射孔管串提出井口后，发现两个射孔单元之间的连接筛管弯曲变形，分析认为主要原因为：

两个射孔单元的间距设计不合理，两个射孔单元之间间距仅为2米，除掉起爆器和延时装置，筛管长度仅70cm，两边的射孔井段长度都在80米左右，射孔爆炸产生的爆轰波直接作用在筛管上，造成筛管弯曲变形。在以后这样的长井段射孔中，是否还要分为两个射孔单元应重新论证和设计。

5.2.3 起爆监测

起爆监测在深井是个重点，只有确切的监测好了起爆才能决定下一步工作。本井用的是TCP-1D射孔监测仪，它能同时监测两道振动信号和一路压力信号。

由于本井井深且用泥浆射孔，振动信号小，加压前即估计振动信号不易监测，应以压力监测为主。由于延时起爆器为10分钟，担心长时间加高压影响管串安全，因此设计了如图2中兰色曲线所示的起爆监测压力曲线：井口快速加压最高至20 MPa（A点）稳压1分钟泄压到4-5 MPa后到C点起爆监测压力，而起爆器实际10-15 MPa即可起爆。

实际监测中振动信号果然不明显，而加压设备排量不够，致使加压时间过长，如图2中红色曲线所示，加到20 MPa时（B点）已接近起爆时间，导致泄压和起爆基本同时进行，从而压力信号也没有监测到。射孔后利用频谱分析技术对现场记录的监测振动数据进行了重新分析，才最终确认起爆。

今后类似施工中，建议加压时应用大排量能快速加压设备，同时监测设备应有现场能进行频谱分析的功能。

6、结论

（1）为节省完井成本，超深含硫水平气井的射孔枪在正压条件下可以不采用专门的防硫材料，但不宜采用射孔-测试联作工艺，防止射孔枪长时间滞留井内发生氢脆落井。

（2）150℃以上超深高温井中，一般48小时不能完成射孔作业，建议使用PYX系列火工品。

（3）水平井和大斜度井的射孔器材必须上下两端倒角防卡且作防倒扣处理。

（4）射孔监测应以压力监测为主，加压设备的排量要大。

（5）目前超深水平井的射孔技术方面尚存在一些不足和急需解决的问题，包括：如何解决超高温导爆索低爆速、感度低、传爆难等问题；如何改变导爆索缠绕方式来提高射孔弹发射率的问题；大斜度长射孔段射孔枪的通过能力问题；超深泥浆井的起爆监测等问题。

[1]牛超群等.《油气井完井射孔技术》.石油工业出版社.1994年4月第一版

[2]陕西应用物理化学研究西安物华巨能爆破器材有限责任有限公司《射孔器材产品说明书》