河南油田油管传输射孔过程中存在的问题及分析

吴 锋,吴延锋,汤继超,刘成杰,张冀赟,姚 辉

(中国石化河南石油工程有限公司测井公司,河南南阳 473132)

河南油田油管传输射孔过程中存在的问题及分析

吴 锋,吴延锋,汤继超,刘成杰,张冀赟,姚 辉

(中国石化河南石油工程有限公司测井公司,河南南阳 473132)

在采用压力起爆方式进行的油管传输射孔施工中，针对出现加压难以起爆、浅层大斜度井加压过程中途误爆等问题，对施工管柱和施工条件的数据进行了分析，分析结果表明：空气柱的存在使得起爆器在较低的承载压力下难以起爆，管柱下放速度过大引起的水击压力大于起爆压力而使起爆器过早起爆，水柱随温度膨胀产生压力使起爆器在下放过程中发生起爆。

油管传输射孔；压力起爆；存在问题

1 问题的提出

油管传输射孔是利用油管或钻杆将射孔器送达目的层进行射孔的一种工艺，该工艺以其特有的可配合大直径射孔器、特殊射孔工艺、便于井口安全控制等诸多优点被油田施工现场大量采用，但在实际生产中会出现不起爆、误爆、误射等事故，严重影响施工安全。

压力起爆工艺以其不受井况条件限制的独有优势在实际施工中应用越来越多，稠油井、大斜度井、水平井、井斜变化较大井等都可以通过环空或油管内加压进行施工。采用压力方式引爆射孔器材，虽然不受井斜、井身等条件限制，但起爆器的起爆条件对井下压力的变化比较敏感，当外界压力达到或超过其设定的起爆压力值时，起爆器就会起爆。而井下的压力变化又与下井管柱外径、下放速度、井下温度变化、压井液密度、管柱内是否有空气柱存在等密切相关；同时设计缺陷、现场施工违规作业等也会使井下压力出现异常。近年施工出现的一些典型问题，如泌256井测试联作误射孔事故，东1705井误起爆事故，新浅25-平12井、新浅25-平13井等不起爆且射孔管柱上窜事故等，都是因为对一些特殊因素考虑缺失而造成压力出现异常，出现误起爆事故。

2 下速过快引起的误射事故

东1705井是南阳油田魏岗地区的生产井，该井采用油管输送与地层测试联合作业(简称测试联作)，射孔井段共6段：2203.6～2204.0 m，2206.4～2205.4 m，2210.2～2207.4 m，2294.4～2293.0 m，2315.2～2314.2 m，2359.4～2314.2 m。一次下井顶部起爆过程中，使用增压装置逐级传压起爆的方式(图1)，但上部第一个增压装置的压力起爆器在下井过程中起爆，造成下部三段射孔位置错误，出现严重质量事故。

图1 测试联作增压管柱结构

在图1上标出的起爆器位置，理论下放深度应在2 293 m处，根据井深、温度，单销剪切力(2.77～3.03 MPa)；并考虑安全压力，设计安装剪切销11只，起爆承压范围30.47～33.33 MPa，井口起爆泵压8～10.86 MPa。但实际在下放到2 264.2 m处时起爆器即作用，在下部三层全部发射，出现误射孔工程事故。

该井套管为5.5″，内径124 mm，施工管串采用73 mm油管加114 mm外径的封隔器，在下放过程中只要求每小时下放30根油管，没有规定下放的瞬时速度。根据水击压力的作用，快速下放可使封隔器以下部分压力升高，当深度达到一定位置时，水柱静压和瞬时水击压力之和超过起爆器起爆承压而起爆。这点可以通过计算加以验证。

管柱最大外径114 mm，套管内经124 mm，计算环套面积0.0013 m2。

水击压力计算公式为[1]：

ΔΡ=ρCV0

(1)

(2)

(3)

式中：ρ——液体密度，kg/m3；C——压力传播速度，m/s；V0——流速，m/s；ΔΡ——水击压力，Pa；C0——液内音速，m/s；D——管柱直径，mm；E——液体弹性系数，Pa；E=2.06×109；e——管材壁厚，mm；E0——管材弹性系数，对于钢管柱E0=2.06×1011。

根据该井情况计算得出：C0=1 435 m/s；C=1 321.4 m/s。

当管柱下放时，环套水流的速度为：

V0=πR2V/S环

(4)

式中：R——下井管柱的最大半径，m；S环——最大管径处和套管之间的环形面积，m2；V——管柱下放的瞬时速度，m/s；V0——管柱以速度V下放时的管柱和环套之间的液体流速，m/s。

在2 264.2 m处，环空静压为22.19 MPa，当水击压力和静压之和超过30.47 MPa起爆下限时，就会出现起爆射孔现象，即：

ρCV0+22.19≥30.47

(5)

计算结果为：下放速度应小于0.781 m/s。

而实际的管柱下放速度在2 294.2 m处，瞬时超过0.781 m/s，因此发生起爆，出现误射孔事故。

3 水膨胀造成的误射事故

泌256井是泌阳凹陷1口探井，该井采用射孔和测试联合作业的方式进行施工。射孔井段2 314.5～2 311.0 m，层厚3.5 m，施工管柱结构如图2所示。按照图2的管住结构，在下井施工过程中，两个压差接头之间的油管最多只能加2/3的水，但该井施工时，为了防止油管内外压差过大，下井时油管加满了水，在下放过程中出现中途起爆事故。

压差接头的作用是通过内置活塞两端的面积差产生压力差，在内部压力远大于外部压力时，活塞移动打开液体通道，使压力传到起爆器活塞上。根据压差接头的结构设计，只能是单向压力传导，反向压力作用在压差活塞的柱面上没有作用，不能产生对应的压差，不可能打开流体通道。

图2 测试联作管柱结构简图

在图2的管柱结构中，由于下井时在两个压差接头中间加满了水柱，在射孔测试联作管柱下到井深1 620～1 623.5 m处起爆射孔。该井起爆器设计承压30.47～33.33 MPa。在1620 m处，井筒液柱静压力15.88 MPa，远低于起爆下限，中途起爆的主要原因是温度升高使水发生膨胀造成的。

两个压差接头中间的水柱，在由井口下放到井深1 620 m的过程中，随着地温升高，水的温度也在不断上升，根据水随温度的膨胀率计算，在1 620 m处，地温70 ℃以上，水的体积是原来的1.0227倍，设原体积为V1，随温度变化的体积为V2，则：

V2=V1(1+e)

(6)

依据帕斯卡定律，液体的体积随压强的变化规律可表示为：

V2=V1[1-β(P-P0)]

(7)

式中：P0——标准大气压，Pa；P——产生的压力，Pa；V1——标准气压下的体积；β——水的压缩系数，β=0.0227；e——水的膨胀率，e=10-5。

根据式(6)和式(7)得：

(8)

计算结果为P=49.4 MPa。

根据计算和实际管柱工具结构，在温度上升的过程中，两个压差接头中间管柱的液体膨胀产生的压力，只能下行不能上行。压力超过活塞移动需要的压差以后，活塞外移，起爆器上部压力通道打开，小空间释放了部分压力，到1 620 m处，温度的升高使水的体积进一步膨胀，管内压力超过了起爆器作用压力30.47 MPa这个下限值，起爆器起爆。

4 浅层水平井射孔出现的问题

在较浅水平井的新井射孔时，一般采用如图3所示的管柱结构进行施工。该类井深度较浅，斜度较大，采用大套管完井，射孔时一般采用127型射孔器。由于环空加压时井口液面以上存在空气，各出口密封以后，空气难以排出，所以该类井施工时容易出现一些非常规性的问题，如哑炮、管柱整体上窜可能带来的误射孔问题。随着该类井的增加，这些问题要引起工程技术人员的高度注意。

图3 环空压力起爆管柱结构图

从图3的管柱结构图上可以清楚看出，加压起爆时的压力传递系统内始终有空气柱的存在，气体的特性是在一定的压力范围内可以无限压缩，当井下压力为P时，该压力通过筛管作用在起爆器活塞和管内液柱上，由于液柱上方空气柱的存在，该力使空气柱压缩。由于作用在起爆器活塞上的力远小于井口所加压力和地层静压之和，虽然瞬时达到了起爆器的剪切压力，销钉被切断，但后续压力被空气柱压缩时吸收，活塞移动能量不足，冲量不够，不能引爆雷管，造成起爆失败。

5 建议与认识

针对以上出现问题的分析，在油管或钻杆传输射孔施工中，要严格注意：

(1)传输用的油管或钻杆直径较大时，下井过程要严格控制下放速度，原来规定的每小时下放多少根的要求既不具体也不科学，应根据管柱结构和套管内径计算出安全的瞬时下放速度，常规的瞬时下放速度应控制在0.5 m/s以内。

(2)采用增压装置或压力起爆时，要保证起压空间内所有空气完全排除，若有空气柱存在，压力起爆成功率会很低。

(3)在密闭的空间内，液体不能充满，要考虑最高温度情况下液体膨胀的空间。

(4)浅层水平井射孔时，在考虑安全压力的同时，要考虑井斜和压力的作用。在深度校正、管柱调整以后，要对井口进行固定和控制，井口压力要小于15 MPa。这样既达到了井控安全的需要，同时减少了管柱上窜过程中起爆可能带来的误射隐患。

[1] 袁恩熙.工程流体力学[M].北京：石油工业出版社，1986：167-169.

编辑：李金华

1673-8217(2015)02-0119-03

2014-07-10

吴锋，助理工程师，1973年生，现从事射孔技术服务工作。

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