海上油田大位移井射孔深度精确计算与控制

闫新江，邢希金，曹砚锋，刘书杰，王平双

中海油研究总院有限责任公司 （北京 100028）

海上油田单独建造平台成本高，对于边际油田采用大位移井开发是一项经济性强的开发方式。大位移井为提高油井产量，常常钻穿多个油层，采取套管设计完井。射孔深度计算是保证射孔质量的一个重要环节,深度计算准确，可以充分的射开地层，使油井达到产能最大化[1-3]。若深度计算误差过大，则可能导致油气层打开不完善或误射开底水和气顶，降低油井开采年限。大位移井储层跨度大，对射孔深度要求更高[4-6]。

1 射孔深度误差来源分析

海上油田常用的射孔方式有电缆射孔、油管输送射孔和过油管射孔，以油管输送射孔（TCP）应用最为广泛[7-8]。大位移井由于位移大、摩阻高，通常采用TCP射孔。TCP射孔校深方法主要有双同位素校深法、伽玛曲线对比校深法、自然伽玛y与CCL曲线对比法，在现场以双同位素校深法应用最为广泛。

双同位素校深法在油气层顶部套管的丝扣上放置一个同位素记号源，此外在射孔管柱中下入一个或多个同位素标记短节。校深时将GR仪下入射孔管柱内，下过射孔管柱上的放射性接头和套管上的放射性记号源标记深度，以套管上的放射性记号为校深点，测出2个记号尖峰。在校深图上读出射孔管柱上放射性标记的深度，然后根据同位素标记设计深度，用下式计算射孔管柱的调整量Δh。

式中：Δh为射孔管柱的调整量，m；D为射孔层顶界深度，m；H为管柱上放射性记号测量深度，m；L0为管柱上放射性记号到射孔枪顶部第一发弹之间的长度，m。

公式计算得出的数值为正值时，则管柱下放；为负值时，则管柱上提，其数值就是射孔管柱需要的深度调整量。射孔深度误差来源主要为：校深系统误差、同位素套管的下入深度引起的误差、射孔管柱变形量。

1.1 校深系统误差

测井过程中由于滑轮尺寸、电缆磨损、深度测量仪器以及电缆磁性记号等因素，直接造成仪器记录的深度与实际下井深度存在误差，影响测井深度的准确性。此外，不同次测井、井下仪器（或枪的不同）引起对地层同一点身重复深度测量值各不相同，一般在0.3 m之内。由于2次测井存在着深度误差，为了消除这一误差，采用套后放-磁曲线图中的自然伽马曲线作为媒介，把深度统一到测井综合解释成果图上。

1.2 短套管、同位素套管的下入深度误差

便于校深定位，通常都在固井下套管时，在靠近射孔层段上部一定距离内预先下入一根标志套管（短套管或同位素套管），射孔前进行测井校深。中国海洋石油公司勘探监督手册地质分册规定：短套管及放射性标记应位于每个测试层位以上50～70 m。

部分井由于未下入套管同位素，造成校深困难。为提高测试作业及射孔校深的准确性，储层段短套管及放射性标记的下入深度必须符合相关规定要求。

1.3 射孔管柱变形量

射孔管柱在井下受重力、浮力和摩擦力的作用，其管柱长度发生改变。通过射孔校深可以消除同位素接头上部射孔管柱的伸长,但无法消去同位素接头以下射孔管柱的伸长量。

射孔枪和同位素接头之间的连接油管长度达数百米，在射孔枪的拖拽下这部分油管会发生伸长。射孔枪在井下停留时间较长，射孔枪随着井液温度的升高而产生伸长，对于高温井、深井，温度效应产生的管柱伸长更为严重。此外液压坐封封隔器或加压点火带来的鼓胀效应都会影响最终的射孔深度。这些误差通过射孔校深都无法消除，误差叠加后是否超过标准所允许的射孔深度误差，需要进行射孔深度的精确计算来确定。

2 射孔深度精确计算及误差控制

2.1 重力效应的影响

射孔枪在井下受到因自重产生的随深度线性增加的分布载荷和因井液浮力产生的作用在射孔枪末端的集中载荷。下入射孔枪时，在同位素接头和射孔枪枪头之间使用油管进行连接，需对同位素接头和射孔枪枪头之间服务管柱伸长量进行计算。

式中：ΔlG为重力效应产生的管柱伸长量，m；ρ为射孔液密度，g/cm3；g为重力加速度，9.816 m/s2；L为管柱长度，m；θ为井斜角，°；E为管柱弹性模量，GPa；A为管柱截面积，cm2。

表1 射孔管柱基础数据

根据表1的射孔管柱基本数据，根据公式（2）计算，结果作图可得图1。同位素接头和射孔枪之间的管柱伸长量为0.069 6 m。增加管柱线重，同位素接头和射孔枪之间管柱伸长量减低。184 kg/m管柱伸长量只有93 kg/m管柱伸长量的一半。如果射孔管柱的刚度允许，同位素接头和射孔枪之间的连接管柱应尽量使用高线重管柱。

图1 重力作用对管柱伸长量的影响

2.2 温度对TCP射孔深度的影响

井筒温度随井深增加而升高，管柱下入井中以后温度随之升高，直到与井筒温度相进，温度变化引起管柱产生轴向热应力，若管柱可以自由伸长，温度变化将会造成管柱长度的变化。温度效应产生的变形为：

式中：ΔlT为温度效应产生的管柱伸长量，m；L为管柱长度，m；α为热膨胀系数，12.1×10-6×℃-1；ΔT为温度升高量，℃。

以某射孔生产联作井为例，同位素接头至射孔枪尾的管柱长度为285 m，对射孔管柱伸长量进行计算。射孔枪在井下放置时间的增长，管柱温度增加，替入完井液、射孔液24 h后液压座封顶部封隔器，井筒内射孔液温度由15℃上升至46℃。座封顶部封隔器2 d后点火，井筒内射孔液温度由46℃上升至83℃。井筒液体温度上升传导引起射孔枪伸长，随着射孔枪在井下放置时间的增加，管柱伸长量也增加。对于高温井，井底温度高，温度效应引起的管柱变形量更大(图2）。

图2 温度作用对管柱伸长量的影响

2.3 鼓胀效应对射孔深度的影响

如果向射孔管柱内施加压力，作用于管柱内壁的压力就会使管柱的直径有所增大，这种现象称为鼓胀效应。因管柱内外流体密度、压力的不同，造成管柱的伸长可分为两个方面：一是因内外压力差引起油管轴向力变化从而引起管柱的伸长；二是因内外压力差形成的泊松效应引起的伸长。油管内部和外部压力的变化引起轴向力的变化，可通过考虑内外压力后的有效轴向力来计算内外压力引起的伸长。将内外压力考虑进轴向力，转为轴向力的拉伸计算。

实际上内外压力对有效轴向应力的影响很小，基本上可以忽略。所以通常情况下只计算由内外压力引起的伸长效应，其伸长值的计算公式为:

式中：Δlp为鼓胀效应产生的管柱伸长量，m；γ为泊松比；E为管柱弹性模量，GPa；ro、ri为管柱内外壁的半径，m；po、pi为管柱内外的压力，MPa。

根据公式（4）计算139 mm钻杆在油管正打压19.6 MPa时其管柱伸长量为-0.61m（缩短），114mm钻杆在油管正打压19.6 MPa时其管柱伸长量为-0.095 m（缩短）。由于鼓胀效应引起的管柱伸长量已经超过射孔深度误差允许的范围。由于射孔生产联作在射孔作业中较为少见，现场射孔施工人员在射孔校深时往往忽略了这部分管柱伸长量。校深后虽然射孔枪对准了射孔层位，但加压座封封隔器造成管柱长度缩短，引起射孔枪整体上提，致使最终的射孔深度与设计射孔深度存在偏差，有可能误射气顶或射孔弹打在套管接箍上。

3 现场计算实例

BA25-1油田是海上边际油田，采用大位移井开发，地层流体为高温高压，地层压力在49～57 MPa，油藏温度在120～137°C。为降低完井作业风险，采用射孔生产连作，射孔枪使用顶部封隔器悬挂，生产油管采用插入密封解决环空带压问题，确保井下安全。

以A9井为例，重力作用射孔管柱伸长0.09 m，温度效应引起管柱伸长0.12 m，鼓胀效应造成射孔管柱伸长-0.61 m。鼓胀效应和温度效应对管柱伸长量影响最大，重力效应产生的管柱伸长量最小。从计算结果可以看出对于射孔生产联作，各种因素累加的管柱总伸长量为0.41 m，超过了规定所允许的范围。在配管时应通过调整油管短节的长度，消除0.41 m误差，确保射孔深度的精确性。

为精确控制射孔深度，现场作业还应该关注以下几点：①丈量射孔管串的总零长时，应精确读数，较短的射孔工具和测试工具应尽可能在地面上连接好一起丈量；②丈量射孔枪和上部油管长度时要严格认真，下射孔枪时上扣时严格控制扭矩；③在不影响射孔枪的前提下，减震器上方的油管可以适当减少或者不用，以缩短校深定位短节与射孔枪第一孔之间的距离；④射孔枪和同位素接头之间的连接油管尽量选用大尺寸油管或厚壁油管；⑤对于射孔生产联作或射孔测试联作，温度效应产生的管柱伸长误差不可忽略，应在装枪阶段予以消除；⑥鼓胀效应引起的管柱伸长和射孔枪上部油管伸长在射孔施工前应进行精确计算，通过在射孔下枪时调整配管长度予以消除这部分误差。

4 结论与认识

1）射孔生产联作或射孔测试联作，深度误差有可能超过误差允许范围，可以通过理论方法计算确定，并在施工时予以消除。

2）重力效应引起的管柱伸长存在于所有的射孔作业，可通过使用厚壁油管或优化射孔管柱缩短同位素下部连接的油管长度降低重力效应产生的管柱伸长误差。

3）温度效应产生的管柱伸长与射孔管柱在井下的停留时间有关，鼓胀效应通常发生于油管加压点火射孔，通过调整同位素接头设计深度予以消除。