陶林 (中石化勝利石油局鉆井工藝研究院設(shè)計所)

套管鉆井技術(shù)在鹽丘井鉆井中的應(yīng)用

陶林 (中石化勝利石油局鉆井工藝研究院設(shè)計所)

在路易斯安那州南部Chachaloula鹽丘油田附近鉆常規(guī)井,由于地處濕地,需要從中央平臺定向鉆井。這些井經(jīng)常會發(fā)生井壁失穩(wěn)和漏失等井下故障,有些井采取多層側(cè)鉆鉆達目的層,另一些井則未鉆達目的層即棄井。對此,用套管鉆井 (CwD)技術(shù)鉆了兩口井,井深與采用常規(guī)技術(shù)所鉆的鄰井相似。兩口井成功地鉆達目的層,與鄰井的平均成本相比,第二口井節(jié)省了25%的費用。兩口CwD井均采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)進行定向控制,鉆過嚴重傾斜的巖層。套管鉆井作業(yè)包括注水泥回填、側(cè)鉆,以及兩次打撈作業(yè)回收發(fā)生故障的井下工具。上述作業(yè)期間均未起出套管,體現(xiàn)出套管鉆井技術(shù)的多功能性。

套管鉆井 鹽丘井 工藝技術(shù)井下故障

1 前言

鹽丘附近的構(gòu)造圈閉是墨西哥海岸一帶的最原始儲層,鹽丘附近的嚴重傾斜層和斷層形成了良好的油氣圈閉,不過構(gòu)造應(yīng)力的變化以及復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造使得這一地區(qū)的鉆井作業(yè)難度增大[1]。

路易斯安那州Lafourche教區(qū)的 Chachaloula穹窿就存在這樣一個鹽丘構(gòu)造。該鹽丘處于地下,約有20.7 km2,鹽層頂部距地面不到305 m。該地區(qū)自1930年以來一直在開采石油和天然氣,直到今天還在持續(xù)進行零星的鉆井作業(yè)。井深約4 877 m的井可鉆至鹽層附近,但大多數(shù)井的井深不到2 743 m。目前在鹽丘附近約有40口生產(chǎn)井。

鹽丘位于濕地中,由于環(huán)境因素影響,井位受到限制。目前所鉆的井大多是在現(xiàn)有公路附近的平臺上完成的,以減少對環(huán)境的影響。

最近在鹽丘南側(cè)所鉆的井出現(xiàn)了許多井下故障,例如由于井壁失穩(wěn)及漏失而造成卡鉆和側(cè)鉆,有幾口井未鉆達目的層即棄井。這些井的目的層是嚴重傾斜地層所形成的圈閉,圈閉與傾斜鹽層面的截面夾角達80°,儲層一般為鹽體內(nèi)局部異常的小斷塊,現(xiàn)在用較先進的地球物理學技術(shù)即可鑒別。圖1為鹽丘構(gòu)造、兩口CwD井的井位及最近完成的鄰井。

圖1 CwD井的井位及鄰井的大致位置

2 套管鉆井的鉆機配置及技術(shù)優(yōu)勢

套管鉆井技術(shù)主要具有兩種優(yōu)勢,因此有助于鉆鹽丘井。首先,在其他地區(qū)已證實該技術(shù)可減少井下故障,對鹽丘井似乎也具有同樣的優(yōu)勢[2-3];其次,該技術(shù)可使用小型鉆機進行施工,小型鉆機所需的鉆井平臺較小,因此減少了對環(huán)境的影響[4]。作業(yè)公司應(yīng)用套管鉆井技術(shù)的主要目標并非為了減少成本,而是確保以預(yù)計成本鉆達預(yù)定井深。

2.1 井下優(yōu)勢

套管鉆井技術(shù)可用常規(guī)套管作鉆柱,像正常鉆井一樣鉆進。最初引入該技術(shù)是為了減少供應(yīng)、維修和使用常規(guī)鉆柱 (鉆桿和鉆鋌)方面的時間和費用。不過,隨著套管鉆井技術(shù)的商業(yè)化,人們發(fā)現(xiàn)該技術(shù)可減少漏失和卡鉆事故,這正是在鉆鹽丘井時遇到的主要問題。這一優(yōu)勢促進了套管鉆井技術(shù)的應(yīng)用。

套管鉆井技術(shù)一般分為兩種截然不同的類型——可回收井下工具組合和不可回收井下工具組合。由于用一個鉆頭不大可能鉆完鹽丘井的產(chǎn)層段(177.8 mm套管),因此只能使用可回收鉆具組合。如果采用滿眼井下鉆具組合時井眼偏差不能控制在要求范圍內(nèi),可回收系統(tǒng)還可使用導(dǎo)向工具。

在套管底部配備座底短節(jié),回收底部鉆具組合頂部的配套工具 (鎖緊總成-DLA)即可回收底部鉆具組合,鎖緊總成可以鎖定底部鉆具組合及套管[5]。鎖緊總成可提供鎖定裝置和與鋼絲繩的接口,鋼絲繩用于過套管傳送底部鉆具組合。鹽丘井上所用的鋼絲繩是12.7 mm辮狀鋼絲繩,作業(yè)張力上限約為6 804 kg。

鉆進構(gòu)造干擾地區(qū) (例如鄰近鹽丘的地區(qū))時,起下鉆柱和下套管經(jīng)常會發(fā)生井下故障。用繩索回收套管鉆井系統(tǒng)可避免產(chǎn)生常規(guī)鉆柱起下鉆時所遇到的大多數(shù)井下故障。由于避免了抽汲,管柱對井壁的摩擦要輕得多。套管柱處于井下非常有利于井控,在坍塌地層可以更好地進行循環(huán)和管柱旋轉(zhuǎn)。

井底是鉆頭過套管所鉆的導(dǎo)眼段,導(dǎo)眼段之上是用擴眼器鉆的稍大井眼,其井徑足以下入套管,擴眼器通常位于套管鞋之下。導(dǎo)眼段的井深由底部鉆具組合類型來確定,對于直井,導(dǎo)眼段可能只有幾米,但對于用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具所鉆的定向井,導(dǎo)眼段很可能接近30 m。

2.2 使用小型鉆機

在鹽丘井應(yīng)用套管鉆井技術(shù)的第二個主要優(yōu)勢在于可以使用配備小型鉆井液系統(tǒng)的小型鉆機,在一個平臺上就可以鉆完所有的井。小型鉆機的占地面積較小,套管鉆井技術(shù)對環(huán)境的影響小于常規(guī)鉆井技術(shù)。

圖2和圖3為鉆井現(xiàn)場的鉆機正面和背面圖。鉆井平臺是用表面覆蓋有復(fù)合板的砂礫建成的,所用鉆機是專門為套管鉆井而設(shè)計的模塊鉆機。

圖2 鉆井平臺上的鉆機正面

用水基鉆井液鉆井,最大密度1.32 g/cm3。鉆機配備了閉環(huán)鉆井液系統(tǒng),避免向當?shù)嘏欧湃魏我后w或固體。需要增加鉆井液時,可以從附近的鉆井液公司獲取小型鉆機用鉆井液罐及鉆井液。

從振動篩分離出的鉆屑排放到鋼制儲罐中,從罐中回收液相,并用錐形旋流器、另一臺振動篩和離心機進行處理,固相泵入密封集裝箱中,運到填埋地點。

圖3 鉆機背面顯示有固相儲罐

3 鉆井概況

用套管鉆井技術(shù)鉆了兩口井,井深約2 195 m。兩口井的表層均采用常規(guī)鉆井技術(shù)鉆至762 m,下入244.5 mm套管,然后用177.8 mm套管鉆產(chǎn)層段至完鉆。

在第一口井的鉆進過程中以及第二口井開鉆前,發(fā)現(xiàn)小型鉆機的設(shè)計存在一些問題,需要改進。鉆機存在的最大問題是閉環(huán)鉆井液系統(tǒng)處理鉆屑的能力不足,增加一套獨立的固相控制裝置可以解決這一問題。鉆機發(fā)生的另一問題是第二口井修絞車花費了45 h,在此期間套管旋轉(zhuǎn)和循環(huán)都正常進行。

兩口井均成功鉆達目的層。套管鉆井技術(shù)可以很好地解決漏失和卡鉆問題,用套管鉆產(chǎn)層段期間未發(fā)生嚴重漏失。避免漏失是套管鉆井技術(shù)的一個主要優(yōu)勢,這是因為套管邊旋轉(zhuǎn)邊勉強通過井壁,機械壓實了濾餅,并將鉆屑磨碎擠進井壁表面,從而提高了濾餅的韌性[2]。

卡鉆對作業(yè)的影響可忽略。底部鉆具組合正常運行后,有幾次套管發(fā)生暫時卡鉆,每次都能輕松解卡,不過很顯然,用常規(guī)鉆柱鉆井時卡鉆是主要問題。

鉆進期間,由于機械原因發(fā)生了幾次漏失,還需要繼續(xù)改進技術(shù)。如同任何新型作業(yè)一樣,這兩口井有一條經(jīng)驗曲線。第一口井花費的時間幾乎與最糟糕的鄰井一樣多,第二口井花費的時間與最佳鄰井大致相同。

第一口井使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具進行側(cè)鉆并控制井斜。定向性能準確無誤,但費用較高,且發(fā)生機械故障,導(dǎo)致額外起下底部鉆具組合。第二口井計劃使用可轉(zhuǎn)向電動機控制井斜,但沒有可與套管鉆井高效作業(yè)相配套的電動機,導(dǎo)致電動機動力不足,不能高效鉆井[6]。鉆入中等強度巖層385 m時,進行了四次起下鉆更換井下電動機,一次起下鉆更換發(fā)生故障的MWD,然后再次下入旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具完成鉆井作業(yè)。

兩口CwD井附近的6口已完成的鄰井平均井深2 235 m,鉆這6口井時進行了7次側(cè)鉆。第二口CwD井的費用低于最近所鉆的5口常規(guī)井。

4 套管鉆井發(fā)生意外故障的處理

常規(guī)鉆井期間經(jīng)常會遇到一些意外故障,如井下部件故障、鉆具組合黏卡、定向工具不按規(guī)定導(dǎo)向、由于各種原因必須側(cè)鉆等等。采用套管鉆井可減少某些故障,例如,已證實在許多情況下可以減少漏失,而且套管黏卡的風險非常小。不過,可能會遇到一些類似于常規(guī)鉆柱鉆井時所遇到的問題。

據(jù)估計,套管鉆井時對于意外故障的處理方式可能少于常規(guī)鉆柱鉆井,處理井下故障的唯一方式或許就是終止套管鉆井,恢復(fù)鉆柱鉆井。有些情況下這是最佳選擇,不過,通過套管處理意外故障的可能性比預(yù)計的要好。

鉆兩口鹽丘井時遇到了幾次意外故障,大大影響了總鉆時。盡管如此,這些井仍鉆達砂巖目的層,未恢復(fù)鉆柱鉆進,對套管進行固井。下面將對這些故障進行介紹,總結(jié)在套管鉆井期間正常情況下哪些意外故障無須使用鉆柱即可處理。

4.1 過套管打入阻流段塞

第一口井鉆177.8 mm套管段所用的底部鉆具組合為“滿眼導(dǎo)眼”組合,具體是 158.8mm PDC鉆頭+串聯(lián)鉆柱穩(wěn)定器+第三個穩(wěn)定器直接連接在225.4 mm(井眼直徑)擴眼器下。擴眼器恰好位于套管鞋之下,用可回收鎖緊總成連接到套管上,鎖緊總成距套管鞋之上約6 m。在其他傾角較小的地區(qū)已證實這種組合可減少偏差。

該井鉆至 1 067 m時井斜小于 2°,但鉆至1 372 m時井斜增至4.5°。下入陀螺測斜儀,顯示在高傾角地層該井開始降斜。繼續(xù)鉆進至1 981 m,另一次陀螺測斜顯示,該井仍在繼續(xù)降斜,可能在預(yù)計的水位以下井眼與砂巖目的層相交。決定提鉆至1 615 m,擠注水泥漿塞,用垂直旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具側(cè)鉆。

決定側(cè)鉆后,起出底部鉆具組合,調(diào)整鉆井液性能,在井底擠注高黏段塞,將套管上提至1 615 m,泵入平衡水泥漿塞,然后將套管上提至水泥塞頂部 (1 372 m),循環(huán)排出受污染的鉆井液,泵入加有堅果殼的高黏清洗液,將水泥漿頂替出座底短節(jié),短節(jié)用于下一鉆具組合。

水泥漿充分凝固后,用鋼絲繩下入銑齒鉆頭組合,使之坐入座底短節(jié),鉆穿水泥塞頂部,準備側(cè)鉆。找到水泥塞頂部,鉆過膠結(jié)良好的水泥塞至造斜點。這與以前磨銑套管的作業(yè)相一致。然后下入旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向組合,側(cè)鉆,以井斜控制方式鉆進。

從決定注段塞回填到準備下入繼續(xù)鉆進的工具組合共耗時47 h,比用鉆柱完成同樣的作業(yè)稍快。

作業(yè)中使用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具組合見圖4,底部鉆具組合和MWD裝置的所有定向控制部件均位于225.4 mm擴眼器之下的158.8 mm導(dǎo)眼段[7],用PDC鉆頭側(cè)鉆。這套系統(tǒng)在水泥塞中側(cè)鉆毫無問題,井身垂直,井斜角小于1°。

圖4 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具底部鉆具組合

過套管運行旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具或接收MWD測量信號都沒有問題。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的導(dǎo)向塊上有兩處刺漏,鉆該井段時需要用鋼絲繩起下鉆。

4.2 打撈鉆頭牙輪

第一口井用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具鉆至1 835 m(30.5 h鉆260 m)后,壓力降低了2.1 MPa,起出底部鉆具組合,發(fā)現(xiàn)壓力降低的原因是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的導(dǎo)向塊,因為MWD檢測發(fā)現(xiàn)振動較大。

更換旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具,下入底部鉆具組合,與牙輪鉆頭相配合,以減少振動。41 h鉆173 m后,鉆井扭矩增大,再次發(fā)生壓力降低。回收底部鉆具組合,由于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具上再次發(fā)生密封故障,鉆頭上的三個牙輪都掉落了。

這種情況下,落魚一般都掉落在導(dǎo)眼底部,打撈作業(yè)的目標是清理導(dǎo)眼內(nèi)的落魚。擴眼器切削掉的巖層壁厚僅有33 mm,不大可能支撐落魚。除了所有工具都用繩索起下井眼以外,沖洗鉆頭牙輪的程序與常規(guī)鉆井相同。

三次起下 (磨銑、下噴射式打撈籃、下磁鐵)后,顯示井眼已凈化,但磨銑牙輪鉆頭過程中扭矩較大,推測井眼中可能仍有落魚。再次打撈,并用銑齒鉆頭鉆進8.8 m,直至確定可以恢復(fù)PDC鉆頭安全鉆井。

從這次故障中恢復(fù)正常鉆進所需時間較長,但無須起下套管,用繩索回收裝置即可順利恢復(fù)作業(yè)。用常規(guī)組合鉆進時如鉆頭牙輪掉落也會采用非常相似的方法來處理,至少要花費同樣多的時間。

4.3 底部鉆具組合脫扣

在第二口井的鉆進中,用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具和PDC鉆頭鉆至2 175 m時壓力降低了5.5 MPa。用鋼絲繩將底部鉆具組合起出,由于運轉(zhuǎn)50 h后發(fā)生疲勞,擴眼器之下穩(wěn)定器的頂部連接失效 (目前用一個串聯(lián)穩(wěn)定器代替這一連接)。

在繩索裝置上配備打撈筒,下入并鎖定在座底短節(jié)上。然后將套管鉆井打撈裝置下到落魚的頂部,就會抓住落魚。一旦確定抓住落魚,即進行環(huán)空循環(huán),上提套管確認導(dǎo)眼中的落魚活動自如,然后用繩索從套管中回收打撈裝置和落魚。

以上所討論的三個實例證實套管鉆井系統(tǒng)具有多功能性,并介紹了如何處理常規(guī)故障而無須從井眼中起出鉆柱 (套管)。不過有時也不能完全如此,例如底部鉆具組合可能會卡在套管柱上,這時就不能用繩索回收。

底部鉆具組合不能回收的故障較為少見。2001年以來的890次回收數(shù)據(jù)表明,商業(yè)井的回收成功率為96%[8]。設(shè)計了回收工具,能夠多次起下并能從黏卡的底部鉆具組合上慢慢松卡?？梢栽诶K索上安裝震擊器,有助于解卡。如果這樣還不行,必須起出套管時,從CwD井中起下套管要比從常規(guī)鉆井的井眼中起下套管容易。

5 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

套管鉆井技術(shù)在世界逐步推廣的同時,國內(nèi)油田也開始了相關(guān)技術(shù)的研究與實踐。

2002年[9],中國海洋石油有限公司首次將套管鉆井技術(shù)應(yīng)用到我國海域鉆井作業(yè)中,在南海(文昌11-3-1井)和渤海領(lǐng)域 (遼東9-3-1井)2口探井中分別使用了508 mm和340 mm表層套管進行鉆井,簡化了井身結(jié)構(gòu),省略了繁雜的海上表層開鉆的套管程序,而且用套管代替了海上的隔水導(dǎo)管,簡化了作業(yè)程序。

吉林油田于2003年和2004年[10]分別進行了217.8 mm和139.7 mm套管鉆井工藝技術(shù)試驗,最終分別實現(xiàn)了1只244.5 mm P2鉆頭和1只215.9 mm PDC鉆頭打至完鉆的目的,形成了適合吉林油田淺層開發(fā)井的套管鉆井系統(tǒng)。

2003年[11],大港油田在灘海地區(qū)的預(yù)探直井莊5井,在使用隔水管的前提下,第一次開鉆運用了339.7 mm套管鉆井,鉆進深度為550 m,縮短了整個鉆井周期,降低了鉆井成本。

勝利油田在淺海鉆井中使用了套管鉆井技術(shù)[12],墾東341井表層套管鉆井的成功,表明該項技術(shù)能減少作業(yè)時間和降低鉆井成本,特別適合于海上鉆井中使用,可以簡化作業(yè)程序,縮短鉆井周期。研究認為,套管鉆井的核心技術(shù)是專門設(shè)計的套管鉆鞋,鉆至設(shè)計井深后,可立刻進行固井作業(yè)。

大慶油田在分析套管鉆井技術(shù)難點的基礎(chǔ)上[13],設(shè)計了177.8 mm油層套管鉆井、固井及測井工藝,同時研制配套了油層套管鉆井專用工具,在葡淺32-1井和葡淺32-3井進行了現(xiàn)場試驗。試驗結(jié)果表明油層套管鉆井技術(shù)能滿足現(xiàn)場施工要求,而且與常規(guī)鉆井技術(shù)相比,減少了井下事故,縮短了鉆井周期,提高了機械鉆速。在鉆遇大段流沙層的情況下,沒有發(fā)生下套管遇卡事故。

大港油田將339.7 mm套管鉆井技術(shù)應(yīng)用于批鉆井中[14]。埕海一號平臺13口井表層套管批鉆井的應(yīng)用結(jié)果表明,采用套管鉆井技術(shù)可以縮短鉆井周期,提高機械鉆速,降低鉆井成本,而且國產(chǎn)套管鉆鞋的鉆井指標已接近國外公司同類產(chǎn)品的技術(shù)水平,雖然成本相對較高,但批量生產(chǎn)后成本會顯著降低。認為套管鉆井技術(shù)特別適合于海上鉆井及叢式批鉆井,可簡化作業(yè)程序,縮短鉆井周期,有廣闊的發(fā)展空間。

總之,套管鉆井技術(shù)在國內(nèi)許多油田已得到不同程度的應(yīng)用,且已逐步研究出了適合國內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造的套管鉆井系統(tǒng)。不過,該技術(shù)目前在國內(nèi)還僅限于應(yīng)用在表層套管和淺井,尚未應(yīng)用于復(fù)雜地層如鹽膏層鉆井,還有待于深入探索。

6 結(jié)論與認識

在兩口鹽丘井的產(chǎn)層段應(yīng)用了套管鉆井技術(shù),在這些地區(qū)用常規(guī)鉆井技術(shù)會遇到很多問題。在這兩口井中,常規(guī)鉆井時井下所遇到的問題基本都能解決。由于解決了許多常見問題,其他諸如在該地區(qū)缺少實鉆經(jīng)驗以及使用新型工具等方面的問題,大多都由于高效鉆井而得以彌補。第二口井要比第一口井鉆得快,與最近完成的常規(guī)井的平均成本相比節(jié)省了成本。如果解決了鉆機停工和導(dǎo)向電動機方面的問題,第三口井的成本應(yīng)該比最佳鄰井還要低。

在兩口井的套管鉆井過程中,遇到了很多井下機械故障,用“過套管”技術(shù)進行處理,無須起下套管,也不會發(fā)生黏卡。實踐表明,使用可回收套管鉆井系統(tǒng),鉆柱鉆井中經(jīng)常出現(xiàn)的裝置故障和意外故障大多都得以解決。

套管鉆井成功地應(yīng)用于鹽丘井鉆井,很可能是鹽丘井鉆井技術(shù)上的一次重大突破,在提高鉆井時效、解決技術(shù)難題、降低成本方面進行了有益的探索,取得了很好的效果。

套管鉆井是石油工業(yè)的一項新技術(shù),為鉆井設(shè)備和鉆井工藝帶來了新理念,預(yù)示著今后特殊鉆井的發(fā)展方向。用鋼絲繩起下井底鉆具不用進行起下鉆,井眼間隙縮小,井斜問題減少,不用下套管和起下鉆柱,作業(yè)效率大大提高,回收式套管鉆井技術(shù)仍然是今后套管鉆井技術(shù)發(fā)展的目標。國內(nèi)還應(yīng)不斷拓展套管鉆井技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域,如鹽膏層段、易漏區(qū)等復(fù)雜地層的鉆井施工中,利用其固有的技術(shù)優(yōu)勢,致力于解決井下常見復(fù)雜情況,使我國的套管鉆井技術(shù)上一個新臺階。

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2009-11-12)