多重叠套管射孔性能试验与现场应用

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(1.中国石油集团 测井有限公司西南分公司，重庆 400021；2.塔里木油田分公司，新疆 库尔勒 841000)①

国内各大油气田钻井设计的套管井一般包含导管、表层套管、技术套管和生产套管。在浅层油气钻井至少设计二开，下入至少2层套管；而高风险井、高含硫井、超深井的钻井设计则需设计四开到五开，便于油气井钻进，需要下入4～5层套管。套管下入或悬挂在外层大套管上或直接返回到井口。在遇到高压地层、蠕变地层、断层等[1]，需要多层套管隔离封堵之外，钻探超深油气井的浅层部分储层也会被2～3层套管同时隔离[2-3]，尤其在气井，需要通过高抗压生产套管保证油气井生产时井口的安全。

部分含水气层的油气井在生产开发过程中会产出地层水，而这部分水不能直接排到地面，污染环境，需要对这部分水进行油气井回注，而回注的地层一般渗透率高，且符合环保要求，这些地层多数在多层套管隔离段内。还有一种情况，油气田开发前期，没有全面考虑物性较差储层的产能，需悬挂回接多层套管封堵。

无论是气田水回注还是物性差储层挖潜，对这些多层套管固封的储层重新利用开发，首先需要解决地层与井筒之间的通道难题，这种情况下聚能射孔[4]成为首选工艺。常规射孔作业几乎都是针对单层套管射孔，而多层套管会对射孔弹在套管上孔径、地层穿深等性能产生很大影响，需要对多层套管射孔进行技术研究。

1 技术分析

射孔对象为固井作业后多层套管与地层，不但套管层数多、壁厚大，而且每层都进行了固井作业，有些油气井为2层套管，有些油气井为3层套管，甚至4层套管。例如139.7 mm(5英寸)外层套管回接114.3 mm(4英寸)内层套管、177.8 mm(7英寸)外层套管回接127.0 mm(5英寸)内层套管、346.0 mm (13英寸)外层套管重叠244.5 mm(9英寸)中间套管再回接177.8 mm(7英寸)内层套管等。这些多层套管油气井重新挖潜或注水开发利用，首先需要解决井筒和地层之间建立流体流动通道，最常用的建立通道技术是聚能射孔，内层套管小会限制了下入聚能射孔器尺寸，也就限制了聚能射孔器的套管穿孔性能，无论是常规聚能射孔弹技术还是先锋射孔弹技术，聚能射孔弹打穿多层套管过程中，每层套管穿孔过程都需要消耗大量能量，射孔射流的拉伸作用使得内层套管孔径能够达标，而外层套管孔径会逐渐变小，在地层上建立的孔道和穿深都变小。多层套管射孔作业后，因外层套管孔径小，套管孔眼附近流体注入或产出摩阻变大，地层破裂压力升高。为了更好地沟通地层，需要采取酸化、气体压裂等措施对地层进行改造作业，使地层具备更好的流通通道。

2 工艺技术研究与功能试验

油气井多层套管射孔主要采用聚能射孔技术，利用聚能射孔弹瞬间形成的高温、高压、高速金属射流射穿套管、水泥环和地层，建立井筒与地层通道。对于多层套管射孔，开展了地面多层套管模拟穿孔试验研究，包括常规聚能射孔弹技术、先锋射孔弹技术进行打靶检测。模拟套管与油气井同等钢级、壁厚相同，枪管与套管间隙相同，套管与套管间隙相同，套管间充填水泥模块，地层应用API RP 19B标准水泥柱状靶。

2.1 工艺技术研究

针对要在油气井多层套管内形成孔道并沟通地层，聚能射孔为首选工艺技术，而深穿透射孔最优，它利用射孔弹瞬间形成的高温、高压、高速金属射流穿透多层套管，但射孔弹的射流是有限的，随着套管离射孔器距离增加，套管上形成的孔径将会变小，在地层上形成的孔道变短。对此，优先选择穿深技术最好的先锋射孔弹技术。

除此之外，穿透套管并在地层形成孔道，为了获取更好地沟通地层，获取良好的地层渗透性，具备气体压裂的StimGun射孔[5]为另一种选择，其可以更好地突破地层污染带，更好地沟通地层天然裂缝，也可以降低后续储层改造的破裂压力。

现阶段，还有一种磨料射流高压水力喷砂射孔方式[6]，借助携砂高压水射流打磨套管的方式对套管进行穿孔作业，建立井筒与套管之间的通道，该方式可一次性形成4～6孔道。有限的孔道，会影响多层大套管的喷砂射孔效果。该方式在多层复合套管射孔中应用的很少，在单层套管射孔中用的较多。

2.2 工艺试验方案

利用完整的套管进行模拟打靶测试[7]，中间填充水泥模块，建立的模型技术参数与井下施工作业接近(温度、压力除外)，该方案是一种卧式打靶测试方案。另一种是将套管进行切割成块状，然后按照井下技术参数，建立竖立式打靶测试方案。2种工艺试验方案均能够获取可靠的打靶测试数据，但竖立式打靶测试方案更方便操作。如图1～2。

图1 卧式打靶方案

图2 立式打靶方案

2.3 功能试验

应用常规射孔弹技术对177.8 mm(7英寸)内层套管和244.5 mm(9英寸)外层套管进行双层套管打靶测试。3发射孔弹DP43RDX45-1(大1 m弹)，炸高20 mm ，枪套间隙21.5 mm，枪套间介质为水，套管间水泥环厚度21.4 mm ，应用钢级P110钢材作为模拟177.8 mm套管壁厚10 mm、 模拟244.5 mm套管壁厚12 mm，API RP 19B 柱靶110 mm×1 000 mm。

DP43RDX45-1打双层套管打靶检测结果，柱靶穿深627 mm，177.8 mm(7英寸)套管孔径ø12.7 mm，244.5 mm(9英寸)套管孔径10.2 mm。如图3。

图3 大1 m弹打双层套管示意

应用先锋射孔弹技术[8]对177.8 mm(7英寸)内层套管、244.5 mm(9英寸)中层套管和346.0 mm(13英寸)外层套管进行3层套管打靶测试。2发射孔弹SDP44HMX45-2，炸高25 mm ，枪套间隙13 mm ，枪套间介质为水，中间套管间水泥环厚度21 mm ，外层套管间水泥环厚度35 mm；应用钢级BG140的 177.8 mm套管壁厚12.65 mm、钢级BG140的244.5 mm套管壁厚11.99 mm，钢级BG140的 346.0 mm套管壁厚15.88 mm ，API RP 19B 柱靶110 mm×1 000 mm。

SDP44HMX45-2打3层套管打靶检测结果，柱靶穿深975 mm，177.8 mm套管孔径12.5 mm，244.5 mm套管孔径8.0 mm，346.0 mm套管孔径7 mm。如图4。

图4 先锋射孔弹SDP44HMX45-2打3层套管示意

应用先锋射孔弹技术对127.0 mm(5英寸)内层套管、177.8 mm(7英寸)中层套管、244.5 mm(9英寸)套管进行3层套管打靶测试，3发射孔弹SDP39HMX25-2，127.0 mm套管厚度9.19 mm(P140钢级)，177.8 mm套管厚度12.65 mm(P140钢级)，244.5 mm套管厚度11.99 mm(P140钢级)，炸高12 mm，间隙内填充水泥块。

SDP39HMX25-2打3层套管打靶检测结果，柱靶穿深713 mm，127.0 mm套管孔径10.5 mm，177.8 mm套管孔径7.4 mm，244.5 mm套管孔径5.9 mm。如图5。

图5 先锋射孔弹SDP39HMX25-2打3层套管示意

应用先锋射孔弹技术进行2层、3层套管、多层套管穿透，都能够成功，并在水泥靶上留下较好的孔道深度，为后续现场应用打下扎实基础。

3 现场应用及效果

目前，在塔里木油田等应用聚能射孔技术成功完成了不同规格类型套管的2层、3层套管射孔作业近10口井，包括新开发油田的气田水回注、老井挖潜等，例如127.0 mm(5英寸)、177.8 mm(7英寸)双层套管的LN2-S22-19H、KE8010、KE402等井，应用73型射孔枪配SDP33HMX18-1先锋弹结合StimGun射孔作业；在237.05 mm(10英寸)、365.15 mm(14英寸)套管的KS2-2-9、KS209井，应用127型射孔枪配DP43HMX45-1射孔弹作业；在177.8 mm(7英寸)、244.5 mm(9英寸)、346.0 mm(13英寸)3层套管的KS601井，应用127型射孔枪配SDP44HMX45-2先锋射孔弹作业；在114.3 mm(4英寸)、139.7 mm(5英寸)套管的LT1井，应用73型射孔枪配SDP33HMX18-1先锋射孔弹作业；在101.6 mm(4英寸)、139.7 mm(5英寸)套管的WB13-5井，由于101.6 mm套管变形严重，射孔器材通过性变小，结合安全与穿孔性能，应用51型射孔枪配SDP26HMX7-1先锋射孔弹作业等。

KS601井作为塔里木油田克深气田水回注工程建设的一口井，开发利用177.8 mm(7英寸)、244.5 mm(9英寸)、346.0 mm(13英寸)3层套管固井作业后，有效层进行气田水回注。油田公司进行实物打靶试验，获取了与KS601井井下3层套管固井相同的穿孔性能数据。现场施工应用电缆输送射孔和钻杆传输射孔两项工艺，电缆射孔后井口施加压力27 MPa试挤作业，地层进液1 m3以上，证明先锋射孔弹射穿了3层套管，之后继续进行钻杆传输射孔作业。经过酸化解堵后，KS601井日注水量270 m3，注水压力34 MPa，注水能力满足克深气田当天产出气田水全部回注需求。

4 结论

分析了多层套管射孔存在的技术难点，形成匹配穿透多层套管的工艺技术，展开了多层套管射孔地面功能试验，取得了科学的技术数据。多层套管射孔工艺技术投入现场应用，应用不同的射孔工艺和射孔器完成了2层、3层套管的油气井射孔作业，取得了显著的射孔应用效果。

由于多层套管的存在，远离射孔器的套管在射孔过程中形成的套管孔径偏小，会影响到后续的流体注入和产出，建议加大力度对多层套管的等孔径技术研究与应用，为多层套管的开发提供技术支持。