苗典遠(yuǎn)

（中海石油能源發(fā)展股份有限公司監(jiān)督監(jiān)理技術(shù)分公司，天津塘沽300452）

深水鉆井與陸地和淺水鉆井相比，存在諸多技術(shù)難題［1-8］，如深水環(huán)境惡劣、表層地層疏松不穩(wěn)定、淺層氣、淺水流［9-10］以及鉆井液密度窗口窄等，給深水表層套管的固井帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，在里海、挪威海以及北海都曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)淺水流問(wèn)題［11］，造成了嚴(yán)重的后果，因此，保證表層套管的固井質(zhì)量是后續(xù)作業(yè)的基礎(chǔ)。內(nèi)管法固井是深水表層套管固井時(shí)普遍采用的一種固井方式，但在內(nèi)管柱的下深和套管柱設(shè)計(jì)以及頂替量設(shè)計(jì)方面還缺乏一定的理論依據(jù)和統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這也是深水表層套管固井時(shí)所出現(xiàn)系列問(wèn)題的根源。

1 深水表層套管固井原理及設(shè)計(jì)方法

1.1 井口密封式內(nèi)管法固井技術(shù)原理

內(nèi)管法固井工藝在普通淺水和陸地油田被普遍采用，但都是插入方式，即內(nèi)管柱下部聯(lián)接插入頭，插入到表層套管的浮鞋中，為保證密封良好還要進(jìn)行試壓。水泥漿和鉆井液可直接通過(guò)鉆桿循環(huán)至套管與井眼的環(huán)空之間，完成固井作業(yè)。但在深水鉆井過(guò)程中，由于水比較深（500 m 以上），如果水下井口還采用插入方式，會(huì)存在諸如檢驗(yàn)密封、無(wú)法準(zhǔn)確插入等問(wèn)題。因此，在深水固井中采用了井口密封式內(nèi)管法固井技術(shù)方法，即在水下高壓井口上部使用套管送入工具M(jìn)RLD（mechanical rigid locked down），工具上附帶一個(gè)排氣閥（fill up valve），當(dāng)環(huán)空灌滿海水后，關(guān)閉排氣閥，而從內(nèi)管柱進(jìn)入的液體只能從浮鞋、浮箍的循環(huán)至環(huán)空了，這樣內(nèi)管柱的底部就可不插入到浮箍（或浮鞋）內(nèi)，但距浮箍頂部要留有一定的距離，如圖1中的h。

圖1 深水內(nèi)管柱固井工藝示意圖（固井前）

固井結(jié)束后，要求水泥面位于內(nèi)管柱底部以下和浮箍以上的某個(gè)位置，即不會(huì)將內(nèi)管柱封固在套管里，也不會(huì)將水泥漿頂替至浮箍以下。在某些深水油氣田，方法成熟后，在浮鞋的單流閥質(zhì)量比較可靠的情況下，也可以不下浮箍，直接將水泥漿頂替至浮鞋以上8～10 m 處，同樣可以保證套管鞋處的固井質(zhì)量，其理想狀態(tài)如圖2所示。

圖2 深水內(nèi)管柱固井要求示意圖（固井后）

1.2 內(nèi)管柱下入深度設(shè)計(jì)

深水表層套管固井時(shí)，內(nèi)管柱底部和浮箍之間留有一段距離（圖1），對(duì)于這個(gè)距離，如果留的過(guò)長(zhǎng)，頂替時(shí)間就會(huì)增加，另外，在套管內(nèi)留下一個(gè)很長(zhǎng)的水泥塞，將來(lái)鉆水泥塞的時(shí)間也會(huì)增加；相反，如果留的過(guò)少，固井時(shí)可能會(huì)將套管鞋處替空，影響固井質(zhì)量，為下一井段的作業(yè)留下隱患。還有一種情況，一旦浮箍（或浮鞋）上面的單流閥失效，憋壓侯凝時(shí)，可能會(huì)把內(nèi)管柱固定在20″套管內(nèi)（俗稱插旗桿）。因此，需要科學(xué)設(shè)計(jì)一個(gè)合理的距離，在保證固井質(zhì)量的同時(shí)，還要保證20″套管內(nèi)有足夠長(zhǎng)的水泥塞，為下一井段的繼續(xù)鉆進(jìn)打好基礎(chǔ)［9］。因此，該距離的設(shè)計(jì)對(duì)于深水表層套管內(nèi)管柱固井來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)實(shí)際，對(duì)于深水表層套管內(nèi)管柱的下深設(shè)計(jì)，需要從以下幾個(gè)方面考慮：①充分考慮泥漿泵的泵效，必要時(shí)，固井之前根據(jù)實(shí)際泵效準(zhǔn)確計(jì)算水泥漿的頂替量。②準(zhǔn)確計(jì)算內(nèi)管柱和套管柱的長(zhǎng)度、容積，為精確的固井計(jì)算奠定基礎(chǔ)，盡可能的降低或者避免人為誤差。③為保證套管鞋處的固井質(zhì)量，套管內(nèi)要留有合理高度的水泥塞，通常在浮箍以上留3～5 m。如果留的過(guò)少，無(wú)法保證套管浮鞋處的固井質(zhì)量，影響下一井眼的繼續(xù)鉆進(jìn)。如果水泥塞留的過(guò)長(zhǎng)，鉆水泥塞的時(shí)間會(huì)增加，影響作業(yè)效率。④實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，考慮一定的安全余量，一旦出現(xiàn)泵效計(jì)算不準(zhǔn)，也可保證內(nèi)管柱不被水泥漿固定在套管內(nèi)。

1.3 內(nèi)管柱下深計(jì)算方法

如果實(shí)際泵效與理論泵效之間存在誤差，必須保證套管內(nèi)不會(huì)被替空，同時(shí)還要保證頂替結(jié)束時(shí)，內(nèi)管柱不會(huì)被水泥漿封固，這樣頂替量的設(shè)計(jì)必須滿足如下要求：

式中：H——浮箍以上表層套管的長(zhǎng)度，m；h——內(nèi)管柱底部距離浮箍之間的距離，m；Δ——系統(tǒng)誤差，通常取1%～3%；R——套管容積，m3；r——內(nèi)管柱容積，m3。

在深水表層固井作業(yè)中，內(nèi)管柱需下入到表層套管里，通常內(nèi)管柱長(zhǎng)度在1 000 m 以上，根據(jù)實(shí)際計(jì)算結(jié)果，內(nèi)管柱的底部與浮箍之間的距離通常不會(huì)超過(guò)10 m，因此，在計(jì)算初期，這一誤差可以忽略不計(jì)。以149.225 mm 套管（壁厚10.541 mm），容積為11.537 m3，其內(nèi)管柱長(zhǎng)度從1000～3000 m，泵效誤差分別為1%、2%、3%的誤差為例，將計(jì)算結(jié)果繪制成圖版，如圖3所示。

圖3 內(nèi)管柱底部距浮箍之間的距離與套管下深的關(guān)系

從中可看出，在內(nèi)管柱長(zhǎng)度為2 000 m 時(shí)，考慮2%的泵效誤差，要想保證水泥漿不會(huì)被替空，同時(shí)還要保證內(nèi)管柱不會(huì)被水泥漿封固，內(nèi)管柱底部距離浮箍之間的距離應(yīng)為5.30 m。在該條件下，將內(nèi)管柱下到浮箍以上5.30 m 處，頂替水泥漿時(shí)，按照理論泵效，頂替至內(nèi)管柱底部以下2.65 m 即可。如果實(shí)際頂替量比理論值高出2%，也只能頂替至浮箍位置，這樣可保證浮鞋和浮箍之間具有水泥漿封固；另外一種情況，實(shí)際頂替量比理論頂替值低2%，也可以保證頂替結(jié)束后水泥面在內(nèi)管柱底部以下2.65 m，從而為作業(yè)提供了一定的余量，達(dá)到了安全作業(yè)要求。現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)，也可以根據(jù)內(nèi)管柱和套管串的實(shí)際配長(zhǎng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，只要不少于該計(jì)算值，均可保證作業(yè)的安全。現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)查閱此圖版，可為現(xiàn)場(chǎng)固井工藝設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效益

根據(jù)以上計(jì)算，即便在固井過(guò)程中，浮鞋、浮箍全部失效，按照設(shè)計(jì)頂替量頂替到位，便可憋壓侯凝，完全可以保證內(nèi)管柱中的水泥漿被完全頂替出去，同時(shí)也可以保證套管內(nèi)的水泥漿不會(huì)被替空［11］。此方法在海上多個(gè)油田進(jìn)行了試驗(yàn)，均取得了良好的效果，有效避免了插旗桿、留高塞和將套管鞋處替空的事故發(fā)生。另外根據(jù)統(tǒng)計(jì)，在504 mm表層套管內(nèi)鉆水泥塞的機(jī)械鉆速平均為5～10 m／h，如表1所示。

表1 20"套管鉆水泥塞速度

根據(jù)近幾年的深水鉆井作業(yè)的成本分析，目前深水鉆井每小時(shí)的作業(yè)費(fèi)用大約為30～40萬(wàn)人民幣，折合每秒鐘為100元人民幣左右，因此，對(duì)于深水鉆井作業(yè)高昂的費(fèi)用來(lái)說(shuō)，每節(jié)約1分鐘，就可以節(jié)約數(shù)千元人民幣，經(jīng)濟(jì)效益可觀。如果出現(xiàn)事故，處理事故的成本則會(huì)更高。由表1也可以看出，鉆井筒直徑相同的水泥塞，所用時(shí)間最大相差5小時(shí)（最短2.5小時(shí)，最大7.5小時(shí)），按照目前作業(yè)日費(fèi)率，折合費(fèi)用20多萬(wàn)美元，經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）要想保證深水表層套管固井的成功，除了優(yōu)質(zhì)的水泥漿體系設(shè)計(jì)外，還要有良好的固井工藝和作業(yè)程序，從而為后續(xù)作業(yè)的成功奠定基礎(chǔ)。

（2）探索和研究深水作業(yè)過(guò)程中的技術(shù)工藝，可以完善和優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)程序，提高作業(yè)的安全性和時(shí)效性，并可以節(jié)約大量的成本支出。

（3）為了保證作業(yè)的安全，可以在內(nèi)管柱底部接兩根可鉆的玻璃纖維管（20～30 m 長(zhǎng)），如果在固井過(guò)程中出現(xiàn)意外，可以將其拔斷，后續(xù)作業(yè)時(shí)可以直接鉆掉。

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