赵开良,吴永清,姚慧智,王培禹,魏永刚

(1.中原油田地球物理测井公司,河南濮阳457001;2.中原油田分公司采油工程技术研究院,河南濮阳457001)

高含H2S深层天然气藏长井段射孔技术

赵开良1,吴永清1,姚慧智2,王培禹1,魏永刚1

(1.中原油田地球物理测井公司,河南濮阳457001;2.中原油田分公司采油工程技术研究院,河南濮阳457001)

普光气田具有井深、射孔井段长、高含H2S等特点。介绍了射孔枪及射孔参数选择、抗硫材料选取、油管保护、起爆及传爆可靠性设计等方面开展的研究。通过对普光气田9口深井长井段射孔施工结果分析,证实采用防硫114射孔器并进行变孔密等技术设计能满足普光气田射孔后的酸压改造要求。复合射孔管柱、分段延时射孔、纵向和径向减震器的组合使用等技术措施可有效地保护油管,且可以满足长井段射孔可靠传爆的要求。

射孔;硫化氢;长井段;射孔管柱;普光气田

0 引 言

普光气田地质条件非常复杂,储层埋藏深度达5 000～6 000 m,储层厚度200～600 m,平均300 m左右,天然气中硫化氢含量11%～17%,二氧化碳含量8%～14%,开采难度大。为满足大流量产出的需要,目的层套管为7 in(非法定计量单位,1 ft =12 in=0.304 8 m,下同)高抗硫材质套管。因为高含硫化氢的缘故,按设计要求进行射孔完井时,对每口井的所有储集层段要一次打开,进行酸压改造后同时开采,避免二次作业可能带来的安全风险。

根据开发要求,综合目前成熟的射孔工艺,油管输送式射孔是普光气田最为合适的射孔方式。对于这类深层长井段天然气井射孔,需要解决以下技术问题:①射孔器和射孔参数的选择要满足地质和工程的要求,特别是应满足酸压改造的要求;②由于井深、射孔管柱长、油管负荷大,应采取有效措施防止射孔时油管断裂或脱扣;③井下射孔器材满足高含硫化氢环境的要求,防止井下器材被硫化氢氢脆腐蚀断裂;④高含硫气田射孔失败的后果非常严重,所以必须保证可靠起爆和数百米的射孔器完全传爆,使射孔施工一次成功。

1 射孔枪及射孔参数选择

1.1 射孔枪选择

普光气田生产套管外径177.8 mm,壁厚12.65 mm,内径 152.5 mm。针对这种规格的套管,有Φ114 mm和Φ127 mm等2种规格的射孔枪可供选择。若使用Φ127 mm的射孔枪,射孔弹和射孔枪的配合更趋合理,穿孔深度和孔径比较大,地质效果较好,但基于以下4个原因,最终选择了Φ114 mm射孔枪。图1为普光302-2井身结构示意图。

图1 普光302-2井身结构示意图

(1)普光气田多为大斜度井,在套管内壁上可能残留有固井水泥浆形成的固形物或套管变形,射孔器爆炸后会发生膨胀和弯曲变形,上提射孔枪至狗腿弯处或缩颈点存在卡枪的风险,射孔枪外径越大,风险越大[1]。

(2)Φ127 mm射孔器比Φ114 mm射孔器重16%,射孔后形成的爆轰冲击力也明显增大,进一步降低了射孔管柱的安全系数,射孔管柱脱落的风险增加。

(3)考虑到射孔后需对地层进行酸压改造, Φ114 mm射孔枪装配1 m弹的射孔参数能满足地质的需要。

(4)普光气田高含硫化氢,打开气层后的井下事故处理作业存在巨大的安全风险,所以对普光气田射孔优先考虑工程安全和可靠,在此基础上尽量满足地质要求和提高射孔效果。

1.2 射孔参数选择

普光气田储层为碳酸盐岩,以孔隙溶洞型发育为主,纵向上物性差异较大,投产方式采取射孔后酸压投产,所以射孔施工必须以提高酸压效果为目的,在确保安全可靠的前提下,进行射孔参数优化。

根据射孔优化设计结果,采用深穿透、中等孔密和高相位,对产能的发挥将是十分有利的。选取1 m弹装Φ114 mm射孔枪,其API混凝土靶测试指标值为穿深接近1 000 mm,入口孔径达到13 mm,经过校正在井下实际穿深达到420 mm,入口孔径达到11 mm,能满足穿透泥浆污染带的基本要求;为保证长井段Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类等3种类型储层都能获得较好的酸压效果,应考虑压裂时的限流要求,因此,Ⅰ类储层射孔密度定为6～8孔/m,Ⅱ类储层射孔密度定为10～12孔/m,Ⅲ类储层射孔密度定为16孔/m;选择60°相位角,螺旋排列,以利于沟通裂缝和提高酸压效果。

2 油管保护措施

2.1 复合射孔管柱的设计

因为射孔后井筒内有硫化氢气体侵入,所以输送射孔器的油管采用BG90SSΦ88.9 mm抗硫油管。射孔井深达5 000 m,油管重量和射孔器重量接近1 000 kN,加之射孔器爆炸时对油管的冲击,要求油管串重量尽可能轻且载荷强度高。如果全井段采用单一规格的油管,要么油管串重量轻但载荷强度低,要么载荷强度高但油管串重量重,管柱的安全系数都不高。所以设计时采用不同壁厚油管的组合管柱,上部油管负荷大,采用载荷强度高的厚壁油管,下部油管负荷较小,采用重量轻的薄壁油管,这样使整个油管串的安全系数达到最高。以普光301-4井为例,射孔管柱采用BG90SSΦ88.9 mm组合管柱,从上到下依次为1 770 m×9.52 mm油管+3 331 m×6.45 mm油管+611 m射孔枪,经强度校核,组合射孔管柱安全系数为1.55,满足射孔施工要求。

2.2 分段延时起爆技术的应用

600 m射孔器一次装配7 000多发射孔弹(合计300 kg炸药),如此多的射孔弹同时爆炸将产生巨大的爆轰冲击,并由此引起油管串纵向震动。震动的强度难以计算,但肯定会在瞬间增加油管负荷,使油管串的安全系数降低。

为尽量减小射孔对管柱引起的震动,根据夹层段长度、射孔弹数量、射孔层厚度等具体情况将数百米长的射孔器串分成若干个独立的起爆单元,每个起爆单元长度150 m左右。应用多级延时起爆技术,使每个起爆单元在不同时间按设计顺序依次起爆,一次起爆的射孔弹由数千发减少为不足1 000发,合理分散射孔瞬间爆轰波产生的能量叠加,有效减小了射孔弹爆炸对管柱的冲击。

2.3 使用纵向和径向减震器

射孔器起爆时,将在其所在位置套管内形成强大的冲击压力波。为了减小对管柱的纵向冲击,在每一级起爆单元的上部安装1套纵向减震器,不但保护了油管,而且减轻了上一级射孔器的震动。纵向减震器采用弹簧和液压双级减震,最小纵向启动力29 000 N。在每一级纵向减震器下方安装1套径向减震器,其支撑臂最大外径152.4 mm,与7 in套管内径相同,支撑臂压缩外径127 mm。径向减震器的目的是消减射孔器管柱对套管的径向撞击,亦可降低上一级射孔器起爆时对下一级射孔器产生的径向震动,以确保射孔一次成功率。普光气田射孔管柱结构示意图见图2。

图2 普光气田射孔管注结构示意图

3 抗硫材料的选取

(1)普光气田井下液柱压力达到75 MPa以上,起爆射孔器时井口加压一般为26 MPa,射孔枪必须能承受井下100 MPa以上的高压,附加0.2的安全系数,射孔枪耐压指标应不低于120 MPa,所以射孔枪材质应有较高的屈服强度。

(2)1支射孔枪内最多有近60发深穿透的射孔弹,这些射孔弹同时爆炸产生强大的爆轰波在瞬间作用于射孔枪内壁,为保证射孔枪管不被其撕裂或断裂,要求射孔枪材质应有一定的抗拉强度。

(3)具有一定的抗硫化氢腐蚀性能,在硫化氢分压9.1～13.7 MPa环境中,射孔枪停留15 d以上不会被腐蚀断裂。

联合开发了 27CrMoXX材质的钢材,钢级TP110S,屈服强度890 MPa,抗拉强度936 MPa,延伸率22%,规格为Φ114.3 mm×11.00 mm。经过多方面检测和实验,符合ISO15156相关条款要求。硫化氢应力(拉伸)腐蚀试验报告见表1。

表1 硫化氢应力(拉伸)腐蚀试验报告检验编号:G080974 2008-05-27 QR16-10-16

用27CrMoXX材质的钢材制成射孔枪管,外径Φ114 mm,壁厚11 mm,抗外压达到120 MPa以上,综合机械性能满足射孔弹爆炸的要求。

地面模拟试验,1 m外径Φ114 mm枪装16发射孔弹,射孔后枪管上孔眼规则,孔眼直径平均12.3 mm,射孔枪外径膨胀不明显,最小Φ116.9 mm,最大Φ119 mm,毛刺高度最小1.5 mm,最大4.2 mm,符合GB/T20489-2006规定指标。

接头和其他工具的承力件也用27CrMoXX材质的圆钢加工。下井射孔器材用抗硫材质加工,增强了射孔器材在井下酸性环境下的安全性。

4 起爆及传爆技术

4.1 起爆技术

(1)分段延时双向起爆。整个射孔器串分为3个起爆单元,每个起爆单元的上下两端各安装1个压力延时起爆器,3个顶部起爆器设计的延时起爆时间由下至上依次是3 min、4 min、5 min;3个底部起爆器设计的延时起爆时间均为7 min。井口加压后整个射孔器串自下往上逐级起爆,起爆间隔1 min左右。底部起爆器的作用是避免一旦某个顶部起爆器瞎火,底部起爆器将发挥后续补充作用,从而确保所有起爆单元全部起爆。射孔器各个起爆单元由下往上起爆,首先打开下部套管和地层的通道,便于上部射孔器起爆时泄压。

(2)起爆压力设计。多级压力起爆技术要求射孔器串中所有起爆器尽量在同一时间起爆或起爆时间差尽量短,常用的压力起爆器单个剪切销钉的剪切强度为3.09 MPa,而分段射孔的长度一般在150 m左右。同一级射孔器的首位2个起爆器承受的静液柱压力差在1.5 MPa左右。为减小该偏差,在起爆器上设计了1个1.5 MPa的剪切销钉,靠安装或拆除这个小销钉使起爆压力尽量接近。

起爆器起爆是靠压力剪切内部销钉实现的,起爆压力由井内液柱压力和井口施加的压力组成,只有当二者之和大于剪切销钉的承压能力时,起爆器才会起爆。起爆压力的设计要求:①安全性,设定安全压力门槛,在安全压力以下,起爆器绝对不会起爆;②可靠性,设定起爆压力阀值,压力超过此阀值,起爆器绝对会起爆。

普光气田产层套管为7 in套管,内径 Ф152.5 mm,射孔油管选用 Ф88.9 mm复合油管,射孔器外径Ф114 mm,接头外径Ф118 mm,射孔管串最大外径Ф127 mm,射孔器串和套管的最小环空间隙为12.75 mm(射孔器居中情况下)。根据以往的施工经验和研究成果,只要油管下放速度适当控制,波动压力不会超过10 MPa。考虑到井下静液柱压力高并兼顾射孔器和井下工具的耐压能力,将起爆安全压力定为14 MPa。

起爆器剪切销钉是由金属材料制成的,由于材料固有的特性和加工精度的影响,剪切销钉的剪切值成正态分布,离散范围±4.5%;在井下经受高温以后,剪切值下降。在设计销钉个数时,以销钉的承压最小值计算起爆安全压力,以销钉的承压最大值计算可靠起爆压力,一般情况下二者的平均值就是起爆器起爆的实际压力值。

为确保所有起爆器起爆,考虑地面加压设备上压力表的误差和压力损耗,井口加压值应超过可靠起爆压力2～3 MPa。

4.2 传爆技术

在用油管向井下输送射孔器过程中,顿钻和溜钻是很难避免的,由此产生的震动容易导致固弹架轴向压缩,传爆接点距离拉长,从而造成传爆中断或爆燃。井下数百米长的射孔器串共有传爆接点100多个,任何一个接点出现传爆中断都标志着射孔施工的失败,所以传爆接点连接的可靠性是射孔枪设计的关键;另外导爆索技术性能和质量稳定性也是传爆成功的关键[2]。

(1)固弹架。通常情况下固弹架用直缝焊管的公称壁厚为:1.5 mm(1.4～1.6 mm),材料为Q195。在纵向冲击力的作用下,这种弹架容易发生弯曲或断裂,为了提高弹架的强度,增加弹架的抗破坏能力,Φ114 m射孔枪弹架采用公称壁厚为2 mm的直缝焊管,材料为Q235。2种材料的力学性能对比见表2。2 mm壁厚的弹架的抗拉能力比1.5 mm壁厚的弹架管提高了77.8%。

表2 不同壁厚固弹架力学性能对比

固弹架在射孔枪内上端悬挂,并采取纵向减震和径向扶正措施,防止射孔器在井下剧烈震动使固弹系统遭受损害。固弹架2端设计导爆索螺口锁紧机构,对导爆索密度影响小,方便调整,防止人为操作失误造成导爆索损伤。

(2)导爆索选取。常规导爆索由于制造工艺缺陷,在高温环境下自然收缩,收缩率在3%～6%之间。普光气田井下温度130℃左右,射孔器在井下滞留时间长,导爆索的收缩容易引起传爆接点的移位;耐高温射孔弹较高的炸药压制密度,要求必须有高爆速爆轰波才能将其起爆。因此,选择耐高温、低收缩、高爆速导爆索,耐温达到140℃/100 h,130℃下收缩率低于1%,爆速大于7 500 m/s。

(3)射孔枪串地面墩枪及传爆试验。3 m、1 m射孔枪各1支联成枪串进行地面墩枪实验,墩枪高度1 m,次数5次,墩枪后直接点火起爆。试验表明:射孔枪串传爆可靠,导爆索锁紧组件及传爆管扶正组件设计合理;但弹架的抗冲击性不理想,为了提高弹架的抗冲击性,设计了弹架与中间接头的缓冲组件,由此提高了弹架与定位盘的连接强度,后续实验表明改进有效,射孔枪串的抗冲击性良好。

5 现场应用效果

2008年7～12月,对普光气田主体普光301-2井等9口井进行了射孔施工,使用外径114 mm射孔枪,相位角60°,孔密6～16孔/m,单井射孔器最大长度611 m,平均长度474.9 m,射孔一次成功率100%,射孔弹发射率100%。有关数据及结果统计见表3。

表3 普光主体1期9口井射孔施工数据表

上述9口井射孔后,下酸压生产一体化管柱,封隔器坐封效果良好,说明射孔没有使套管产生明显变形。试气结果达到或超过了预期产量,地质效果令人满意。

根据射孔后提射孔枪时井口监测结果显示,虽然是正压射孔,但射孔枪内储存有一定量的含硫化氢气体,随着射孔枪的上提逐渐释放。射孔后射孔枪在井下停留5～6 d,没有发生射孔枪被硫化氢腐蚀断裂现象,射孔枪上没有明显的腐蚀痕迹。

6 结 论

(1)普光气田碳酸盐岩地层,采用114射孔枪装配1 m弹射孔,不同储层类型采用不同射孔密度,能满足酸压改造要求,地质效果好。

(2)深井长井段油管输送射孔,采用不同壁厚油管的复合射孔管柱,分段延时引爆射孔器,纵向和井下减震器联合使用,有利于保护油管。

(3)27CrMoXX材质的射孔枪可以满足普光气田高含硫化氢环境下油管输送式射孔的要求。

(4)厚壁固弹架及与之匹配的传爆系统可有效防止顿钻或溜钻造成的传爆接点移动,传爆可靠。

[1] 魏晓龙,董庆生,刘学广.射孔施工遇卡原因分析及防止井下落物 [J].测井与射孔,2004(3):59.

[2] 周 瞾,宋留群,童士斌,等.油气井射孔火工品失败原因分析 [J].测井与射孔,2004(2):71.

Long Interval TCP Technique Applied in Deep G as Reservoir with High H2S

ZHAO Kailiang1,WU Yongqing1,YAO Huizhi2,WANG Peiyu1,WEI Yonggang1
(1.Zhongyuan Oilfield Geophysical Logging Company,Puyang,Henan 457001,China; 2.Resereh Institute of Petroleum Engineering and Technology,Zhongyuan Oifield Company,SINOPEC,Puyang,Henan 457001,China)

Puguang gasfield is characterized by deep well,long perforating interval,high H2S content,etc.Introduced are the researches on selection of perforating guns,perforating parameters and sulfur resisting materials,protection of tubing,design of reliable detonating and explosion propagation and so on.By analyzing the results of long interval TCP operations in 9 deep wells of Puguang gasfield,it has been proved that the application of 114 type sulfur resisting perforator,variable shot density technology and other technical designs can satisfy the requirements of acidizing and fracturing operations after perforating.Composite perforator string,interval time delay perforating,combination of radial and vertical shock absorbers and other technical measures can protect the tubing effectively and fulfill the requirements of reliable explosion propagation in long interval TCP operation.

perforation,H2S,long interval,perforator string,Puguang gasfield

TE257.1

A

2010-01-25 本文编辑 王小宁)

1004-1338(2010)04-0398-05

赵开良,男,1965年生,高级工程师,从事射孔工艺技术研究。