渤海大斜度井超长射孔层段射孔管柱防卡技术研究与应用

邓永刚，林家昱，王翊民，王菲菲，周祥

1.中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司（天津 300452）

2.中海石油（中国）有限公司 天津分公司（天津 300459）

0 引言

射孔技术是完井工程的重要技术组成部分，对油气井产出能力、生产指数、生产寿命和开发成本等影响重大。大斜度井井斜角较大，射孔管柱在井内居中度极低，超长射孔层段（Φ244 mm 套管射孔长度大于600 m，Φ177 mm 套管射孔长度大于700 m）射孔管柱过长，在确保满足开发生产要求的前提下制定合理的射孔方案尤为关键[1-3]。目前在陆地油田，针对大斜度井防卡的技术，包括防黏超高密度钻井液的研究[4]、大斜度定向井钻井技术的研究[5]及采用酸化工艺消除套管壁上的毛刺[6]等工艺做了大量工作，而针对海上超长层大斜度井射孔的系统防卡技术研究还较少。

海上油气田开采成本较高，一旦出现卡枪将影响作业效率，增加作业成本。对超长层大斜度井射孔防卡技术进行研究，有助于合理选择射孔工艺、射孔管柱、射孔参数及射孔液，对保护储层、保障井下作业安全、提高油气井生产导流能力及提高采收率具有重大意义[7]。

1 管柱遇卡原因分析

海上油田完井作业过程中，常常会遇见完井管柱阻卡的情况，导致完井管柱在井内无法自由活动。当阻卡严重时，管柱在井内将完全失去上提、下放或转动的可能性。对于大斜度井超长层段射孔，引起射孔后管柱遇卡的主要原因有以下几点：①井筒准备不充分，套管内壁附着的固相沉淀清洁不充分，射孔后震动导致其落卡枪；②射孔液悬浮能力差，碎屑堆积导致管柱遇卡；③射孔液暂堵性差，漏失过大导致压差卡钻；④大斜度井井斜角大的特点造成射孔管柱在井内处于“贴底”状态，射孔枪引爆后枪体留下的毛刺嵌入套管孔眼，造成管柱遇卡[8]；⑤射孔后产生的碎屑及进入井筒的地层砂造成管柱遇卡；⑥超长射孔段高孔密射孔对套管剩余强度造成影响较大，地层压力较大将套管挤扁，上部井段固井质量差造成射孔段套管变形，进而导致射孔管柱遇卡[9]。

2 防卡关键技术

2.1 高效井筒清洁技术

在大斜度井内形成杂质聚集区是不可避免的，在大于55°井斜时杂质聚集，并且难以携带出井。大斜度井杂质运移不再单纯靠洗井液的纵向携带、拖拽能力，洗井工具、洗井方式等关键技术参数的优选更加重要[10]：①洗井工具优选。使用多功能洗井过滤装置，依靠顶部金属毛刷与文丘里回收筒可实现高效井筒清洁，能有效回收井筒内聚集杂质及固相悬浮颗粒[11]。②间歇替入高黏度高切力稠塞，有效携带聚集杂质，避免堆积沉淀。③自井底倒划眼起钻至射孔段顶200 m，再次充分循环，清除射孔段聚集物。④采用高排量高转速洗井参数，洗井过程中保持管柱上下旋转活动，使环空仅存在液体层和悬浮聚集层两层流动[12]。

2.2 多功能EZFLOW射孔液

EZFLOW 射孔液体系是性能优良的可逆弱凝胶体系，能够有效阻止对储层的污染伤害，较高的低剪切速率黏度有利于悬浮聚集物，提高井眼净化能力。特殊结构形成的单向强封堵反向易膨胀滤饼，完井时仅需微小的生产压降就能清除，完全避免了常规射孔液对储层、筛管、砾石等的堵塞。与渤海地层配伍性好，岩心渗透率恢复率高达96%，具有较强储层保护能力，其主要特点如下：

1）良好的触变性能。经实验，该射孔液能快速恢复空间网架结构，有效悬浮聚集物，阻止岩屑床的形成。实验结果如图1所示。

图1 触变性实验结果

2）较强的暂堵能力。经实验，射孔液瞬时滤失量、滤失速率较小，可有效防止射孔后瞬时滤失量过大而造成压差卡钻，实验数据见表1。

2.3 射孔管柱设计

超长层射孔段射孔枪及射孔服务管柱过长，且大斜度井内管柱磨阻较大，除常规射孔管柱设计需注意的问题外，超长层大斜度井还需考虑以下几点：①射孔枪及服务管柱重量，启动悬重均不能超过解卡用震击器解锁力；②射孔管柱弱点不能低于震击器震击力；③射孔后为防止卡枪，一般将射孔枪起出射孔段后压井，起钻时间较长，有效的井控措施不可或缺[13]。

针对超长层射孔管柱，综合考虑以上风险，以Φ244 mm 套管射孔为例，推荐射孔管柱组合如图2所示。采用该套射孔管柱组合具有如下的优点：①采用双点火头保证引爆充分，减小断爆可能；②管柱带循环孔，射孔后如发生溢流可第一时间压井；③使用安全接头+机械震机“双保险”，机械震击器解锁力应至少大于底部管柱重量之和15 t；④管柱弱点为循环孔变扣处，射孔工具不易损坏。

表1 暂堵能力实验数据

图2 射孔管柱设计图

2.4 射孔弹碎屑阻卡分析

为避免由于射孔后弹屑堆积导致卡枪[14]，参照API标准，对178 mm射孔枪692B-178R-11，40孔/m射孔弹射孔后弹屑展开分析试验：射孔时掉落的弹屑量为188 g，对应体积90 mL，运输和旋转掉落2 292.3 g，对应体积613.7 mL，筛分定量分析见表2。

由表2 可以看出，在9.53 mm 筛孔直径下，破片回收率为84.4%，满足API要求。84.4%的射孔碎屑留在枪体内，大大降低了射孔碎屑过多造成卡钻，及后期难以循环出井筒污染地层的几率。

2.5 套管剩余强度分析

套管剩余强度决定套管是否会发生变形，一旦射孔后发生套管变形将会造成卡钻，并且难以处理[15]。选用超长层射孔段套管剩余强度分析对象为API 标准Φ244 mm 套管，壁厚为15.2 mm，屈服强度862 MPa，应用692B-178R-11，40 孔/m 射孔弹进行射孔，应用有限元分析软件ANSYS进行射孔后套管机械结构强度计算。

为消除边界效应对射孔段套管强度造成的影响，计算模型1 为长度3 m 的原始套管，模型2 为射孔后的套管。通过在套管外施加100 MPa 地层压力，未射孔的Φ244 mm套管内部应力达到858 MPa，非常接近屈服强度862 MPa，可确定套管抗地层应力挤压强度为100 MPa。

射孔后套管在地层压力作用下，在孔眼处产生了较大的应力集中。同时，在沿着射孔相位的螺旋线上产生了应力集中区域。从计算结果可以推测：套管射孔后，在射孔的孔眼处强度会有所减弱并率先失效，套管的失效将沿着射孔相位的螺旋线发展。

分析计算显示套管在65 MPa 地层应力下未出现大面积屈服，而在70 MPa地层应力下出现大面积的屈服。由此计算得Φ244 mm套管以40孔/m孔密135°相位射孔后套管剩余强度为原有强度的65%～70%，为65～70 MPa，在渤海常压地层不会发生套管变形。

表2 筛分定量分析

3 现场应用

3.1 海34井基本情况

海34 井是一口大斜度井，自730 m 以62°稳斜钻进至3 230 m，目的层位为馆陶组，最大井斜角65°，生产套管为Φ244 mm套管，射孔段长度734.2 m，具体的射孔位置见表3。

表3 射孔位置

3.2 现场施工情况

为防止海34井在超长层大斜度井段遇卡，首先在洗井过程中采用多功能洗井过滤装置进行井段清洁，自井底倒划眼起钻至射孔段顶200 m；再次充分循环，清除射孔段聚集物，并采用较高排量进行洗井。高效井筒清洁技术保证井筒清洁，洗井管柱出井后，多功能洗井过滤装置回收筒内携带出重约39 kg沉砂。

大斜度井内管柱磨阻较大，选用射孔管柱组合，射孔液为多功能EZFLOW 射孔液。选用了178 mm 射孔枪692B-178R-11，40 孔/m 射孔弹，能够保证Φ244 mm 套管以40 孔密135°相位射孔后，套管在地层不会发生变形。施工过程中下射孔管柱到位校深后将管柱置于射孔位置，加压至射孔压力后快速放压，等待5 min 后管柱震动明显，打开防喷器，此时环空液面快速下降；向环空内快速连续补充工作液，同时上提管柱起至射孔段以上，实施反循环压井。整个作业过程顺利，未发生复杂情况。

采用上述技术分析研究，除了海34 井外，还在渤海油田进行了多井次大斜度井超长射孔层段完井作业，射孔后均未发生卡钻、管柱断裂等复杂情况，投入生产后生产效果均超过配产，其中海34 井的效果最好，实际产量超过配产的33.98%。

4 结论

1）射孔前井筒清洁对射孔作业安全具有关键性影响，利用高效井筒清洁技术可有效清除井筒内聚集物，为射孔作业打下良好基础。

2）使用EZFLOW可逆弱凝胶体系射孔液可有效防止射孔瞬间吸附卡钻，且与渤海地层配伍性好。

3）超长层大斜度井射孔作业，需考虑射孔管柱合理性及安全性，选用低碎屑射孔弹可有效避免射孔后碎屑卡钻，并需对高孔密射孔后的套管剩余强度进行分析，以免造成套管变形导致卡钻。

4）根据超长层大斜度井防卡关键技术，在渤海油田进行了多井次射孔完井作业，射孔后均未发生卡钻、管柱断裂等复杂情况，其中海34 井的效果最好，实际产量超过配产的33.98%。