射孔液密度及压力变化对油管传输射孔定位深度的影响分析与实践
时间：2022-12-04 10:50:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
陈华彬， 杨登波， 叶忠琼， 罗苗壮， 聂华富， 马自强
中国石油集团测井有限公司西南分公司
XX11井是塔里木油田在库车山前区块[1]钻探的一口预探井，钻井工程设计为四开，采用壁厚为12.65 mm的Ø177.8 mm套管封堵油气层完井。采用密度2.05 g/cm3超微重晶石[2]钻井液钻至目的层位，设计井深6 200 m，实际完钻井深5 747.4 m，预计地层压力100 MPa，地层温度135 ℃。下套管固井后，循环替入密度1.8 g/cm3磺化钻井液[3]，进行回接、钻塞、铣喇叭口、刮壁等完井工序，人工井底5 720 m。
因XX11井井筒内密度1.8 g/cm3磺化钻井液不满足高温井况下的完井试油要求，试油工程设计采用密度2.05 g/cm3压井液进行射孔完井作业。射孔方式为Ø88.9 mm钻杆传输射孔；
钻杆本体内径70.2 mm，公母接头内径54 mm；
射孔井段为5 632～5 639 m、5 644～5 649 m、5 653～5 660 m、5 665～5 678 m、5 682～5 692 m、5 695～5 703 m、5 707～5 716 m，射孔跨度84 m，射厚59 m；
射孔器材选用SQ121-16-60-175型射孔枪及DP44HNS45-4XF型先锋射孔弹，孔密为16孔/m，射孔相位60°。
由于现场仅有39 m3密度2.05 g/cm3的射孔液，为保障XX11井试油工作及时推进，现场决策在通井过程中先替入该射孔液，在此基础上起出通井管柱后下入射孔管柱，定位校深[4]完毕调整射孔枪对准射孔层位，待后续射孔液到井后再以正替方式替入，确保全井筒为密度2.05 g/cm3的射孔液。
在执行现场方案时，通过理论计算分析了校深前后射孔液密度变化对定位深度的影响，为油气井油管传输射孔(以下简称TCP射孔)定位校深提供参考。
2.1 射孔液密度变化引起的射孔管柱变形量
由于射孔完井液密度变化时入井管柱尺寸、规格是不变的，入井管柱受力主要包括重力和浮力，管柱的重力不变，引起射孔管柱变形的增量源于射孔液密度增量，即浮力变化：
ΔF浮=Δρ·g·V
(1)
式中：ΔF浮—射孔管柱浮力变化，N;
Δρ—射孔液密度变化值，kg/m3；
V—入井管柱本体体积，m3。
其中管柱体积：
(2)
式中：S—管柱截面积，m2；
h—管柱长度，m；
D外—管柱外径，m；
D内—管柱内径，m。
以XX11井为例，简化计算射孔液密度变化给管柱带来的变形量。
SQ121-16-60-175型射孔枪外径D枪为121 mm，射孔枪串长度H枪为84 m，则射孔枪串的体积：V枪=0.966 m3
定位校深调整射孔枪对准目的层位后，为满足全井筒为密度2.05 g/cm3完井液，则后续还需要替入的射孔液液柱高度H4=5 720-H=3 228.39 m。
计算出后续替入射孔液的管柱本体促排量V：
V=S钻·H4=7.54 m3
射孔液密度变化导致的管柱浮力变化ΔF浮：
ΔF浮=Δρ·g·V=250×9.8×7.54=18 473 N
发生密度变化井段对应的管柱(钻杆)长度为H4，管柱变形量ΔL：
射孔液密度变化导致的管柱长度压缩量为0.12 m，在TCP射孔定位校深允许的深度误差0.2 m范围内，因此，理论上XX11井射孔液密度变化导致的射孔深度误差可以忽略。
若下射孔管柱前未进行任何替液工作，在射孔管串下放对准目的层位后再全井筒替换为密度2.05 g/cm3完井液，根据上述方法，计算得到射孔液密度变化导致的管柱长度压缩量为0.41 m，此时的变形量超过0.2 m的深度误差允许范围，必须再次进行定位校深，重新调整射孔管柱以对准目的层位。
2.2 井口压力增量引起的射孔管柱变形量
对于投棒起爆的TCP射孔作业，此项不作考虑。对于压力起爆的TCP射孔作业而言，井口施加的起爆压力[5]可以间接表达为射孔液密度变化。
在不带封隔器的常规TCP射孔作业中，压力起爆需要从井口施加压力增量Δp以剪切起爆装置的销钉，井口施加的起爆压力为35 MPa、20 MPa不等。TCP射孔起爆时所施加的压力增量会对射孔定位深度产生一定影响，由于井口注入液体不泄露，被井口加压压缩的液体将对井内的射孔管柱产生压缩变形，变形量与射孔管柱的总长度H整呈线性变化关系。以XX11井为例，若施加的井口起爆压力为35 MPa，则射孔管柱产生的近似浮力变化ΔF浮：
ΔF浮=Δp·S钻=81 900 N
浮力变化引起的近似变形量ΔL：
以此类推，计算出施加的井口起爆压力分别为30 MPa、20 MPa、10 MPa、5 MPa带来的管柱变形量分别为0.83 m、0.55 m、0.28 m、0.14 m。对于井口加压起爆的TCP射孔作业管柱[6]，推荐增加延时起爆装置，以便井口加压击发起爆器后进入延时，在延时时间内将井口压力卸至可控、可辨起爆的压力范围，促使射孔管柱尽量恢复到校深定位时的状态，同时又能兼顾通过压力变化观察到射孔起爆。
对于带封隔器的射孔联作工艺，封隔器以下的减震管柱一般为数十至数百米不等，传输管柱内加压起爆的同时，环空也会施加平衡压力，井口压力增量给射孔管柱带来的变形量可忽略不计。以XX11井采用带封隔器的射孔联作工艺为例，封隔器以下设计有长度为300 m的Ø88.9 mm油管作减震管柱，当井口施加的起爆压力增量为35 MPa，采用上述方法，可以计算出压力增量带来的射孔管柱变形量为0.065 m，现场施工可以忽略。
XX11井在前期替入39 m3密度2.05 g/cm3超微重晶石钻井液的基础上，钻杆传输射孔管柱下至目标井段后，进行第一次定位校深，通过伽马和磁性定位曲线[7]进行深度校核，射孔定位短节的底界深度为5 598.1 m。根据校深计算出的调整距[8]调整好射孔深度，使射孔枪对准目的层位，然后采用密度2.05 g/cm3超微重晶石钻井液90 m3以正眼低替的方式将井筒内密度1.8 g/cm3钾聚磺钻井液全部替换出井，为验证替液后的射孔深度变化，现场进行了第二次定位校深，得到定位短节的底界深度为5 598.08 m。
射孔液密度变化前后的两次定位校深测得的定位短节底界深度分别为5 598.10 m、5 598.08 m，相差0.02 m。
两次校核深度相差0.02 m，即射孔管柱整体缩短0.02 m，与理论分析计算的管柱压缩量0.14 m均在TCP射孔校深允许误差范围内，考虑替液密度及液柱高度误差、人工校深误差[9- 10]等因素的综合影响，理论计算得到的结论与现场实际验证的结论是一致的，即给射孔带来的深度误差影响可以忽略，但理论计算结果偏大，这与理论计算模型简化、未考虑井身结构、管柱弯曲变形等因素均有关系，因此，理论分析结果有一定的指导性，当理论计算出的射孔深度差值较大时，推荐现场进行二次定位校深验证。
根据井口起爆压力对TCP射孔管柱变形量的影响分析认识，XX11井在射孔管柱中设置了延时10 min的延时起爆装置，在井口施加压力增量35 MPa后，将井口压力卸至8 MPa，在有效观测到起爆瞬间的压力变化的同时，消除了井口压力对射孔深度的不利影响，保障了射孔成功作业，后续测试获得良好油气产量。
(1)油气井TCP射孔在完成定位校深及管柱深度调整后发生射孔液密度变化，会使射孔管柱产生变形，尤其是大变量密度变化、大变量液柱改变的情况，管柱变形量将影响定位深度的准确性，因此需要从理论上获取数据支持。通过XX11井案例分析，理论计算密度变化给管柱带来变形量不大于0.2 m，可以不进行第二次定位校深，与进行二次定位校深取得的结论是一致的。反之则需要二次校深。
(2)射孔起爆时所施加的压力增量会对射孔定位深度产生一定影响，对于不带封隔器的常规TCP射孔作业，建议设置延时起爆装置，加压击发起爆器后及时降低井口压力，确保管柱恢复到定位校深时的状态；
对于带封隔器的射孔联作，井口压力增量引起的管柱变形量对射孔深度影响不大，但考虑施工作业井筒、管柱安全性，建议增加延时起爆装置，及时降低井口压力。
