定向射孔作业后BCPM2 损坏原因分析

吕焕军，张耿浩，燕欢庆

(中海油田服务股份有限公司，海南 海口 570100)

0 引言

因油田增产需要，定向射孔技术近年来有很多应用。定向射孔技术在具有双油管柱或多油管柱的井中应用，可以确保下入某一油管柱内的射孔枪不会射穿井眼中的其他生产管柱。随着油田开发进入中后期，为提高采收率，这种作业需求会逐渐增加。此项作业涉及了射孔和随钻测井两方面的技术和装备，是一项创新技术的应用，相对传统定向射孔技术，具有精确度高、能够适应各种复杂井况的优势。这种创新型定向射孔作业需将射孔枪和随钻测量设备及钻杆连接，用钻杆将射孔枪传送到预定深度，用随钻测井设备进行校深和精准确定射孔枪方向。这种组合定向射孔技术是一项新的探索，前期已经在南海西部应用，经实践检验，射孔定向精度高，射孔后设备完好。在某次定向射孔作业完成后，发现随钻测量仪器传输设备BCPM2 电路损坏，而目前新型定向射孔作业模式可借鉴的经验较少，为此需要分析问题发生的根本原因，为后续作业规避风险提供理论依据。

1 定向射孔作业介绍

新型定向射孔作业，在射孔枪和MWD 仪器串连接好后，先确认好随钻测量仪器串与射孔枪的高边角度差，在地面做好记录。钻杆连接随钻测量仪器和射孔枪下到预定深度后，开启泥浆泵循环，随钻仪器开始工作，通过随钻设备校深和确认方位并进行相应调整，使射孔枪对准预定方向。深度和方位调整好后，泥浆泵以排量800 L/min 循环，直至关闭旁通循环阀。在旁通循环阀关闭后，给管柱内加压3.45 MPa，判断旁通循环阀是否关闭良好。确认压力稳定后，快速加压至最高起爆压力17.24 MPa，此时压力点火头触发，引爆射孔枪点火。点火后，管柱内流体通过点火头与外部连通建立循环，此时泥浆泵以800 L/min 循环，随钻测井仪器开始工作，地面可以获取相关数据。在某次定向射孔作业中，仪器射孔前各项数据测量正常，为射孔枪提供了精准的校深和工具面数据，但在射孔顺利完成并建立循环后，仪器无响应，现场初步判断仪器出现问题。由于射孔作业已经顺利完成，现场未做进一步处置。

2 故障原因分析

2.1 BCPM2 电路烧毁原因分析

仪器返回车间检查，加高压测试后，仪器无电流无响应，加低压测试电流正常。拆开检查发现BCPM2 仪器内部线路烧毁，排查发现多块电路板损坏。从现场作业情况来看，射孔前，仪器可以正常工作，上传了调整射孔枪的方位参数，回车间后读取仪器内存，也显示射孔前仪器工作状态正常。射孔后仪器工作异常，未见数据上传，且设备返回后读取内存，也未发现射孔后的相关数据，和现场人员反映状况一致，据此推断仪器在点火射孔期间发生损坏。

仪器在点火射孔期间，主要的风险因素有点火时的振动和射孔时的压力迅速释放。振动冲击主要是机械部分的损伤，仪器的电路均有固封胶包裹，连接线有RTV 固定，检查仪器机械部分未见振动冲击造成的损伤，且电路部分包裹完好。进一步排查发现BCPM2 仪器多块损坏的电路板故障点为电源与地线之间短路，此类故障主要由于主电源过压所致。电子仓的接头连接线也存在较多烧毁痕迹，符合高压造成短路损坏特征。

随钻测井仪器井下主电源由涡轮发电机提供，发电机依靠管柱内流体流动带动涡轮旋转发电，流体流速决定了涡轮的转速，涡轮转速快慢决定了发电机输出电压的高低。仪器内部存在过大的流量会导致发电机涡轮转速过高，从而导致发电机输出电压过高。因此，初步判断设备在射孔时管柱内有较大的流量产生，超过仪器能承受的极限流量，造成发电机输出过高电压烧毁电路部分。因此，分析仪器烧毁的原因应分析出产生过大流量的根本原因。

2.2 流量过大原因分析

射孔时仪器的排量由两部分组成：

(1)管柱内液体压缩后压力释放产生的排量；(2)泥浆泵泵入液体加压的排量。

为查找流量过大原因，对作业设计、作业日报、录井数据等进行了分析。射孔时泥浆泵的排量为800 L/min，因此计算出憋压射孔后释放产生的排量即可计算出当时仪器的总排量。

计算憋压后压力释放产生的排量，需要计算出憋压后管柱内液体产生的压缩量，由压缩量和压力放喷时间计算出射孔瞬间压力释放产生的排量。查询作业资料，管柱内的流体主要是水。

根据作业设计的管柱图得知，5"钻杆内径ID=4.28"(108.7 mm)，故内半径R=54.4 mm，钻杆内截面积：

S=πR2=9.29×10-3m2(1)

查询管柱图得知BCPM2 仪器在井下的深度H=2 259.96 m，故BCPM2 仪器以上管柱内液体总容量为：

V=S×H=9.29×10-3×2 259.96 =21 m3(2)

要计算出水的压缩量，就必须知道水的压缩系数。水的压缩系数定义为单位体积水的体积随压力的变化率。在不同的温度、压力下，其数值不同。温度为T时，水的压缩系数为[1]:

为了计算管柱内水的压缩量，需求出水的压缩率，常用的方法有图版法和经验公式法，下面分别用两种方法进行计算。

2.2.1 图版法

水 的 压 缩 系 数 图版(据Dodson and standing，1944)[2]如图1 所示，可以查出对应温度、压力条件下水的压缩系数。

图1 水的压缩系数图版

结合井况参数，管柱内液体平均温度为35 ℃。仪器深度为2 259.96 m，加压前管柱内水的平均压力为水的自重产生的压力和空气压力之和，所以管柱内水的平均压力为：

式中：ρ为管柱内液体密度(1.06×103kg/m3)；g为重力加速度，取9.8 N/kg；H为仪器所处深度，取2 259.96 m；P0为空气压力，取0.101 3 MPa；

代入相关数据计算得到管柱内水的平均压力P=11.6 MPa。根据平均压力可在图版中读取水的压缩系数为Cw=4.37×10-4/MPa。射孔时点火头需要加压17.24 MPa，此时水的压缩率为：

由管柱内水的总容量和水的压缩系数，即可计算管柱内水的压缩体积：

2.2.2 经验公式法

根据油藏工程的相关资料，地层水的压缩系数与温度、压力及水中天然气的溶解度有关。预测地层水压缩系数的相关经验式(7)[3]：

其 中：A=5.625×10-2T+1；a=3.854 6-1.943 5×10-2P；b=-0.336 6+2.212 4×10-3P；c=4.021×10-2－1.306 9×10-4P；f=1+4.997 4×10-2Rsw。

式中：Cw为地层水的压缩系数(MPa-1)；T为地层温度(℃)；P为地层压力(MPa)；Rsw为地层水中天然气的溶解度(m3/m3)。

计算管柱内水的压缩量时，可以引入式(7)进行计算。管柱内注入的是不含天然气的水，故取RSW=0。在图版法中已计算出管中水的平均压力为11.6 MPa，根据井况数据，取管柱内液体平均温度为35 ℃。

代入相关数据可得：

因此，水的压缩系数为：Cw=4.41×10-4MPa-1。

点火时加压17.24 MPa，故管柱内水的压缩率为：

由管柱内水的总容量和水的压缩系数，即可计算管柱内水的压缩体积：

对比图版法和经验公式法的计算结果，发现两种方法计算的管柱内水的压缩量近似。

查询录井数据，得知射孔后泄压时间(如图2 所示)t≈13 s ≈0.217 min。

图2 射孔后压力释放录井曲线图

两种方法计算出水的压缩量近似，取平均值Vp=158.95 L，由水的压缩量和泄压时间，计算出射孔泄压产生的排量：

根据现场作业记录，射孔时泥浆泵排量QB=800 L/min，所以此时BCPM2 仪器处的总排量：

查询475 型BCPM2 仪器手册，常规仪器的安全排量为950 L/min，而此次射孔作业中释放的总排量达到1 532.49 L/min，超过了仪器的安全排量。通过查询排量和马达电压对应关系表，涡轮发电机输出的最终电压超过500 V，过高电压造成仪器电路部分损坏。BCPM2 仪器常规排量涡轮的安全排量为950 L/min,极限排量可以达到1 326 L/min，但常规使用均在安全排量以内，极限排量时仪器达到了电路器件的最高耐压，超过安全排量使用会影响仪器后续的稳定性，超过极限排量则会对仪器造成损坏。仪器手册中有仪器过排量使用会造成发电机输出电压过高、仪器电路损坏的安全警示。为了此新型作业能够推广，应采取相应的措施，不仅保证作业的顺利进行，还能确保仪器完好。

3 应对措施

3.1 降低泥浆泵加压射孔时的排量

为了避免仪器损坏，需要控制射孔瞬间的排量，分别从射孔时泥浆泵的排量QB和射孔后压力释放产生的排量Qp两个方面分析。

射孔后压力释放产生的排量QP与管柱内的总液体体积和井口加压有关。点火压力17.24 MPa 由点火头性能决定，无法改变；而管柱内的液体总量由射孔深度决定，也无法改变，因此射孔压力释放产生的排量无法减少。但是可以确定的是井越深，压力释放产生的排量越大。

在旁通循环阀关闭后加压3.45 MPa，确认压力稳定。在开启泥浆泵加压至射孔压力17.24 MPa 的过程中，可以降低泥浆泵的排量QB，确保射孔时总排量不会超过仪器的安全排量，以保护仪器，加压射孔完成后，泥浆泵的排量可以恢复正常。在3.45 MPa 到17.24 MPa 加压的过程中，泥浆泵的安全排量与射孔段的深度有关，射孔段的深度越深，则射孔时管柱内液体压缩量越大，泄压产生的排量越大，泥浆泵的安全排量越小。但在此次作业中，仪器深度达到2 259.96 m，泄压排量叠加泵的排量超出仪器极限，造成仪器损坏。故后续新型的定向射孔作业应进行相应的排量计算，严格控制3.45 MPa 到17.24 MPa 加压过程中的泥浆泵排量，确保仪器安全。

3.2 更换高排量涡轮进行定向射孔作业

此次作业中使用475 型BCPM2 安装的是常规排量涡轮，最大安全排量为950 L/min。相同排量下，高排量涡轮发电机转速更低，其最大安全排量可达1 325 L/min,故高排量涡轮可以提高仪器的安全排量。在定向射孔作业中，可以给仪器安装高排量涡轮，以提高仪器的排量极限，起到保护仪器的作用。

4 结语

(1)由于液体的可压缩性，憋压时管柱内的液体会产生一定的压缩量，压缩量与井口加压压力、管柱内液体体积、井温相关，其中管柱内液体体积与井口压力对压缩量影响最大。

(2)定向射孔作业使用到随钻测量设备时，要将在射孔瞬间释放压力产生的排量考虑在内，综合考虑泥浆泵排量和泄压排量，防止仪器损坏。

(3)定向射孔作业中，为保证仪器的安全，应在管柱内压力3.45 MPa 开始上升至点火压力17.24 MPa 这段时间内降低泥浆泵排量，具体排量根据计算结果确定，点火完成后可以按正常排量循环。

(4)定向射孔作业中BCPM2 仪器应安装高排量涡轮，以提高仪器的安全排量阈值。