动态负压射孔作业卡枪案例分析

黄益疆 （中石油西部钻探新疆油田生产协调部，新疆 克拉玛依834000）

肖胜彪 （中石油西部钻探测井公司，新疆 克拉玛依834000）

常规射孔技术是通过聚能射孔弹爆轰形成的高速金属射流撞击岩层，使其在岩层内形成射孔孔道，而部分射孔孔道会被粉碎的岩屑和射孔后残余物堵塞，且在孔道周围岩层产生压实带，导致储层孔隙度、渗透率明显下降，仅为原来的21.90%～28.02%。为减小射孔作业后对储层的污染，解决射孔时对近井带地层的压实伤害，提高射孔后射孔孔道的渗透率，最终达到提高油气井产出和注入量的目的［1］，提出了动态负压射孔技术。其从理论上认为，由于射孔过程中存在负压差，使得在射孔的瞬间地层流体产生负压冲击回流，动态负压射孔技术能冲洗孔眼附近的地层和孔眼内的爆炸残余物，从而能够畅通油流通道，提高油气井的产能［2］。国内外许多现场实践和室内试验也已证实，负压射孔是降低射孔损害、减少孔眼堵塞、提高油气产能的有效射孔方法之一。该技术在新疆油田得到了很好的应用。

1 动态负压射孔工艺技术原理

负压射孔技术是被最广泛接受优化射孔完井工艺。该方法是在射孔前减少井筒内部分液体来实现井筒内的压力低于地层压力，形成压力差，射孔后依靠负压冲击回流来清洗孔道和避免井筒的液体进入地层，从而达到提高射孔孔眼流动效率和有效保护油气层的目的。负压射孔技术在各大油气田的勘探开发中得到了广泛应用，并取得了较好的效果，为了确保射孔后的负压效果，就需要在井筒内外有足够大的负压差。但随着各大油气田不断加大对低渗透油层开发力度，在一些客观情况下负压理想值无法达到。同时，为了保证施工的安全，井筒内射孔器周围需要一定的压力 （即一定高度的液柱压力保证），在一定程度上影响了负压值的确定和负压射孔效果评价。

动态负压射孔技术是在负压射孔技术基础上研究出的一种新的负压完井射孔工艺技术，该技术是在一定较低负压甚至正压的条件下产生的动态负压，在射孔瞬间清理孔道内的爆炸残余物及碎屑颗粒，从而有效降低射孔压实带渗透率的损害。其原理在射孔枪身器材上部或下部连接一特殊结构的快速降压机构 （负压枪），该机构是在射孔后瞬间打开，能够实现吸收井筒内的残余爆炸能量及液柱压力，使得井筒压力能够瞬间下降产生动态负压效果。其中，快速降压机构是射孔后有效控制井筒瞬时压力的核心工具，该机构由快速开孔器及降压装置组成。快速开孔器的功能是通过快速开孔，建立井筒内环空与降压装置之间的通道；降压装置的功能是吸收井筒液体，降压井筒瞬时压力。

2 卡枪案例分析

动态负压射孔技术已在新疆油田西北缘五2东区、八区、准东阜东A井和腹部石南B井区等3个油区12口井试用，有10口井成功取得了动态P－T压力变化曲线。如新疆油田阜东A井区在侏罗系头屯河组2口井进行动态负压射孔试油作业获得了日产4.4t工业油流。但在施工过程中仍存在较多的困难，下面就卡抢案例进行分析。

2.1 施工经过

2012年12月月初由西部钻探测井射孔分公司担负八区X井动态负压射孔作业。射孔设计采用DTFY89－20－60动态负压射孔器；射孔弹为YD89型，弹架为螺旋布孔，孔密为16孔／m；射孔井段分别为 2906.0～2900.0m，2898.0～2896.0m，2888.0～2882.0m，2880.0～2878.0m，2876.0～2870.0m；射厚合计22m，跨度达到36m。射孔队到达施工现场与修井队核实设计确认后，装配好射孔枪在上、下部各联接2根共8m负压枪，上、下部总共联接16m。射孔装配图如图1所示。

图1 八区X井TCP动态负压射孔全套管柱结构示意图

经短节校深后，现场操作人员核对发现该井井深不够施工条件，与修井队负责人协商于次日提出枪身，并逐一检查射孔器件完好。经沟通同意去除枪身下部2根共计为8m负压枪，再次下管柱至层位经短节校深无误，“三对口”同意投棒起爆，双方核实起爆成功。

次日早晨，修井队提油管时提不动，最高吨位提至45t，活动解卡多次无效，判断有可能射孔后射孔枪挂卡套管壁。因新疆北疆地区12月份进入冬季气候寒冷，平均温度零下35°以下不适合野外施工作业，通过与油田公司协商同意，次年3月中旬安排负荷80t大修井机上修，经过多次提下活动油管管柱无效未实现解卡，从55t提至62t（油管丝扣抗拉强度64.5t）活动油管管柱解卡无效。

2.2 卡枪主要原因分析

1）射孔器材的原因 主要有射孔枪枪体耐压强度不够；枪身与接头的密封存在问题，造成枪身内部渗水；导爆索质量问题造成的断爆或爆燃，引起枪身鼓包或变形等。类似于俗称的 “油管锚”卡在套管内壁。射孔作业时，确实可能出现因各种原因引发的射孔枪胀形，导致井下遇卡的事故，但从多年类似遇卡的处理结果来看，射孔枪胀形后，一般都是在枪身弱点处 （丝扣尾端）形成喇叭口，喇叭口下部枪身落井，上部射孔枪易遇卡，由于卡点较少与套管接触面积小，故解卡使用的拉力一般不会太大。

如2011年在新疆油田莫B井区Y井射孔提出射孔枪时，经检查发现在枪身丝扣尾端形成122mm的喇叭口，而套管内径为120mm，提枪身时会出现胀形遇卡情况，但修井队作业人员提射孔枪时基本没有遇卡的感觉。从近10年处理的多起射孔枪胀形遇卡事故来看，电缆传输后射孔枪胀形遇卡，大多数井就可以用电缆直接提出，拉力一般都在电缆自重基础上提高700kg到2t之间 （射孔单芯电缆安全额定拉力4t）；电缆提不出来的井，从弱点拉掉后用油管打捞均可解卡提出。

射孔器材的采购都要经过严格的检测达到标准后才能使用到现场施工中，现场施工的操作人员严格按照操作规范操作，对入井射孔器材进行细致的检查方可入井，并从修井处理过程上看，油管已提至62t还未解卡。从以上分析可知，该井射孔枪胀形遇卡发生的可能性较小。

2）井筒内部条件问题 如井筒内本身的液柱太低，或者井筒井漏造成液柱降低，不能很好保护枪身，从而造成炸枪事故的发生；再者就是井筒内本身存在不规则情况，如套管变形、缩径等，正常射孔后上提枪身时，容易造成卡枪。

如2005年在新疆油田南缘霍Z井油管传输射孔后遇卡，大修车负荷增加20余吨才提出，提出后的射孔器均正常发射，外径尺寸正常，但射孔枪呈S型，后经测井验证，证实该井井下套管缩径变形导致卡枪。后期分析霍Z井在完井电测时多次遇阻，遇阻井段为3087.00～3096.00m在射孔目的层上，在8次通井后 （3次下入NBR800扩眼工具），8次才完成了电测作业。主要原因是E1－2Z上部泥岩及石膏质泥岩在地质力作用下蠕变。在钻进起下钻中阻卡蹩泵不断，当时钻井液密度2.35g／cm3，因3194m后出现高压水层，钻井液密度加到2.40～2.45g／cm3，但上部泥岩阻卡，随时间延长逐渐变小，由于蹩泵频繁，一直按大肚子、糖葫芦井眼处理，直到电测井径出来才发现上部有3个井段小井眼，而且缩径速率十分快，第3次电测发现小井径，经反复划眼后，第4次电测仍然是小井径。影响完井的固井质量，从固井声幅图分析，目的层固井质量中差。加之该井构造纵向上变化较大，地层最小倾角为3～8°，地层最大倾角为45～60°。总体上，构造角度呈向下变缓趋势。安集海河组倾角结果指示地层存在明显的褶皱和断裂特征；紫泥泉子组构造角／倾向一致性好，地层以偏北倾为主，增大了地层的剪切力。射孔后加剧油管套管变形。

霍Z井采用动态负压射孔，射孔井段厚度长为22m，跨度长为36m，射孔弹使用量多，共计335发，射孔弹数量较多，射孔时对井筒的冲击较大；另外，从处理过程中从钻井、固井施工过程中反馈信息来看，该井在射孔井段 （2870～2906m）钻井进行了取心作业共计11筒，完井时该井段扩井严重，因此固井质量难以保证。

声幅测井解释结果为目的层和全井段固井质量均不合格，从测井声幅图 （见图2）看出2847～2906m井段声幅解释为胶结好的井段，但是声幅曲线只能评价第1界面 （套管－水泥环）的水泥胶结质量不能真实评价第2界面 （水泥环－地层）的水泥胶结质量。射孔段上部水泥胶结好的井段 （2843～2870m）共计27m，而该井段裸眼井解释主要为水淹层、水层、油层交织出现，容易是固井形成水泥环微间隙窜槽等现象。由于射孔井段固井质量差，套管外壁形成空洞，特别是井径扩大率严重的盐岩层，套管处于自由状态，随着时间延长，由于受低矿化度水和注入水的溶蚀和长期浸泡，空洞越来越大，在上覆地层重力的作用下，当射孔后地层易于发生蠕变、塑性流动、滑移、坍塌，由于套管缺乏管外支撑这样就增大了对套管的外挤力。而该井采用负压射孔后瞬间地层流体产生负压冲击回流，使井筒内、外形成压力差易于加剧对套管的冲击。当套管受力达到临界值时，套管将失去平衡，使套管更容易发生变形、缩径、损坏。该井射孔枪身跨度又长更容易形成枪身的硬卡。从以上分析可知，该井套管变形的可能性较大。

3）套管材料对射孔性能的断裂韧性问题 油层套管的射孔过程可以分成2个不同阶段：第1阶段是急剧的塑性变形阶段；第2阶段是击穿破坏阶段。管壁最终击穿成孔是通过裂纹源的汇集扩展为宏观裂纹，造成击穿破坏来实现的.同时在孔的四周形成若干宏观裂纹.这些裂纹一旦达到临界长度，即以一定的速度扩展。由于材料的特性不同，这种裂纹扩展所造成的破坏也不同。若材料有较好的韧性，则随裂纹扩展阻力增加会发生止裂，所形成的裂纹长度一般较短；若材料韧性较低，则会发生脆性扩展从而形成较长的裂纹。

由于套管射孔后，孔眼的形状一般是不规则的，并在孔眼周围也可能出现裂纹，随着地层蠕变效应的逐步增大，地层对套管的压力随之增大。由于应力集中现象的存在，在孔眼或裂纹周围将出现高应力区，事实上，在套管还未达到整体屈曲或强度破坏之前，在孔眼周围区域已经出现塑性屈服。随着塑性屈服区域的不断扩大，将使套管在低于设计值的情况下被整体挤毁。这是射孔设计方法对于套管材料与射孔性能的断裂韧性参数估计不足，易于产生套管损坏。所以动态负压射孔时一定优化参数，负压值过低起不到负压作用，过大会引起地层出砂或套管损伤现象。因此，需对射孔负压值进行合理的设计。

图2 霍Z井声幅图

从上述原因分析和前期现场修井队处理过程可知，射孔施工后油层套管变形、缩径等造成X井射孔枪身遇卡。

3 结论与建议

（1）对于储层 （包括目的层上下50m）固井质量不合格的井、地层压力大于套管承受力70%的井、地应力异常集中的井不宜采用负压射孔方式。

（2）为了弥补、完善动态负压射孔对射孔段套管力学研究方面的不足，为射孔套管承载能力设计提供规范，摸清射孔参数对套管承载能力的影响规律，以减少油田射孔的盲目性，在满足油田开发需要的前提下，充分发挥射孔套管的承载能力，延长套管的使用寿命，避免射孔段套管的损坏，是今后新的研究课题。

（3）从射孔性能的观点来考虑，油层套管的重要性能指标是管材抵抗裂纹脆性扩展的能力。为了解决油层套管射孔开裂问题，还需进行大量的试验研究。这些研究可分为2大方面：一方面是射孔弹及射孔工艺的研究，包括射孔弹药量、射孔器 （枪）类型、射孔密度及分布、射孔弹与套管距离等，已基本趋于成熟，并已制定出相应的标准；另一方面是套管材质的研究，包括材料的化学成分、金相组织、残余应力、机械性能以及套管生产过程中的轧制工艺、冷却条件、热处理制度等。

［1］牛超群，张玉金 .油气井完井射孔技术 ［M］.北京：石油工业出版社，1994.

［2］Baxter D，Behrmann L，Jihong L，et al.动态负压射技术进展与应用 ［J］.油田新技术，2009，21 （3）：4－16.

［3］刘方玉，刘桥，蔡山 .动态负压射孔技术研究 ［J］.测井技术，2010，34 （2）：193－195.

［4］Bolchover，Walton I C.Perforation Damage Removal By Underbalance Surge Flow ［J］.SPE 98220，2006.