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高壓固井施工的水馬力設(shè)備配套技術(shù)
——以四川盆地威遠(yuǎn)區(qū)塊固井設(shè)備配套為例

王純?nèi)?/p>

（中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程公司井下作業(yè)公司）

隨著非常規(guī)油氣的勘探開發(fā)，高壓固井施工逐漸增多，而固井設(shè)備配套經(jīng)驗不多。以四川盆地威遠(yuǎn)區(qū)塊固井為例，引入固井施工水馬力計算，采用工作負(fù)荷超過60%或者壓力超過80%工作時間不超過5 min為原則，進(jìn)行固井施工設(shè)備配置，形成了在高壓小水馬力條件下水泥車泵注水泥漿與頂替完井液的設(shè)備配套；在高壓大水馬力條件下水泥車泵注水泥漿與壓裂車頂替完井液的設(shè)備配套，并成功運用于多個平臺井，為以后高壓固井施工設(shè)備配套方面提供技術(shù)基礎(chǔ)和參考。圖7表2參4

高壓固井水馬力設(shè)備配套頁巖氣威遠(yuǎn)區(qū)塊

常規(guī)固井施工壓力一般在25 MPa以下，隨著頁巖氣勘探與開發(fā)，對固井要求越來越高，固井工藝逐漸改進(jìn)；同時，對固井設(shè)備的高要求也日漸顯現(xiàn)，尤其是油層套管固井時高或超高壓頂替低密度完井液，更是需要設(shè)備的高性能與高穩(wěn)定性[1-2]。施工設(shè)備配套要有效利用固井施工設(shè)備，既保障安全又降低了運行成本，威遠(yuǎn)區(qū)塊固井均采用清水作為頂替液，對固井施工設(shè)備要求特別高，運用水馬力進(jìn)行設(shè)備配套，滿足高壓固井施工，形成了高壓固井施工設(shè)備配套技術(shù)。

1 基本情況

四川盆地威遠(yuǎn)構(gòu)造屬于四川盆地川中隆起區(qū)的川西低陡褶帶，鉆探目的層為威遠(yuǎn)中奧頂構(gòu)造東翼部的下志留統(tǒng)龍馬溪組，龍馬溪組為深水陸棚相碎屑巖，上部主要為綠灰色泥巖、頁巖夾泥質(zhì)粉砂巖，下部為灰色、灰黑色、黑色頁巖，由于受樂山—龍女寺古隆的影響，厚度往威遠(yuǎn)東南方向變厚。加之地層傾角大，造成該區(qū)塊龍馬溪組埋深相差大（表1）。

表1 威202和威204區(qū)塊基本情況

威遠(yuǎn)區(qū)塊龍馬溪組地層壓力和坍塌壓力高，鉆井液密度高，為了減少固井完成后工作液密度降低的不利影響[3]和減少產(chǎn)生污水量的產(chǎn)生，油層固井均采用清水頂替。

2 固井設(shè)備配套

2.1 固井設(shè)備基本性能

國內(nèi)常用固井設(shè)備主要有GJC44-21、GJC70-30、GJC100-26；壓裂設(shè)備主要有YLC1650、YLC2000、YLC2500，對典型固井設(shè)備進(jìn)行了篩選，其基本性能參數(shù)見表2。

表2 固井設(shè)備基本性能參數(shù)

2.2 柱塞泵的工作特性

根據(jù)SPM“ENGINERING BULLETIN1053”公報資料顯示：柱塞泵設(shè)計采用的間隙工作周期及使用模式，柱塞泵在90%~100%額定工作壓力下工作，工作時間不超過總工作時間的5%；柱塞泵在80%~90%額定工作壓力下工作，工作時間不超過總工作時間的25%。詳細(xì)推薦的工作時間見圖1。

圖1 柱塞泵推薦的工作時間

柱塞泵長時間工作，柱塞泵平均工作水馬力不超過泵最大工作水馬力的45%，柱塞泵最大工作壓力不超過最大連桿推力（Maximum Rod Load）下工作壓力的45%，柱塞泵排量不超過最大排量的80%，詳細(xì)推薦的工作負(fù)荷見圖2。

圖2 柱塞泵推薦的工作負(fù)荷

3 水馬力配套

3.1 固井施工設(shè)計

根據(jù)三種井身結(jié)構(gòu)的固井設(shè)計，計算施工各階段的預(yù)測壓力和需要的水馬力，水馬力（HHP）=排量（m3/min）×壓力（MPa）×22.34，主要有兩種典型方案要求。施工方案1（圖3）需要注水泥漿壓力20～35 MPa，水馬力600～1100 HHP；頂替完井液壓力35～55 MPa，水馬力1100～1800 HHP。施工方案2（圖4）需要注水泥漿壓力20～30 MPa，水馬力400～600 HHP；頂替完井液壓力20～52 MPa，水馬力500～900 HHP。

圖3 施工方案1固井設(shè)計壓力與水馬力

圖4 施工方案2固井設(shè)計壓力與水馬力

3.2 設(shè)備水馬力計算

柱塞泵一般有5～8個工作擋位，通常情況下固井和壓裂設(shè)備所使用的發(fā)動機(jī)最高工作轉(zhuǎn)速為1 800～2 100 r/min,為保證設(shè)備正常運行,液力傳動箱在短時間的換擋操作后,必須在閉鎖工況下運行,所以發(fā)動機(jī)實際工作轉(zhuǎn)速為1 500～2 100 r/min[4]。在變速箱閉鎖工況下，柱塞泵在2~5檔時，可以適當(dāng)降低排量來提高額定工作壓力，略微提高設(shè)備在高壓力下的工作能力。根據(jù)各設(shè)備在各檔位工作最高壓力與排量，計算出在不同壓力下能輸出的最大水馬力（圖5）。

圖5 固井設(shè)備在不同壓力條件下輸出的最大水馬力

由圖5可知，GJC44-21額定壓力和水馬力均低，高壓32 MPa時輸出最大水馬力只有200 HHP左右，顯然不適合超高壓施工。GJC70-30與GJC100-26最大工作壓力與輸出最大水馬力基本相同，高壓下輸出最大水馬力670～720 HHP。YLC2000在高壓下輸出水馬力能達(dá)2000 HHP。

3.3 施工設(shè)備配套

固井施工中注水泥漿過程壓力高，而頂替低密度完井液時由于靜液柱壓力差大造成施工壓力很高，一般施工總時間不超過3 h，兼顧成本和場地限制，采用工作負(fù)荷超過60%或壓力超過80%的工作時間不超過5 min原則進(jìn)行固井施工設(shè)備配置[1]。

施工方案1配套：2臺×GJC7030（或GJC100-26）+ 1臺×YLC2000，采用2臺×GJC7030（或GJC100-26）注水泥漿，壓力42 MPa以內(nèi)最大輸出水馬力1300～1440 HHP；采用1臺YLC2000頂替完井液+2臺GJC7030（或GJC100-26）備用頂替完井液，頂替壓力35～55 MPa，最大輸出水馬力2000HHP。

施工方案2配套：3臺×GJC7030（或GJC100-26），采用1臺×GJC7030（或GJC100-26）注水泥漿，壓力30 MPa以內(nèi)最大輸出水馬力670～720 HHP；采用2臺GJC7030（或GJC100-26）頂替完井液+1臺GJC7030（或GJC100-26）備用頂替完井液，頂替壓力25～45MPa，最大輸出水馬力1080～1380 HHP。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

威遠(yuǎn)區(qū)塊進(jìn)入工廠化開發(fā)階段，成功運用水馬力配套技術(shù)在W204H1、W204H4、W204H5、W204H6、W202H1、W202H3等平臺上進(jìn)行30井次以上的固井，施工順利安全。以W204H5-4井油層固井為例，施工實時監(jiān)測情況（圖6），固井施工理論水馬力與實際水馬力對比，吻合度高（圖7），（由于工具原因，實際頂替完井液排量略低于設(shè)計頂替完井液排量）。

4 認(rèn)識及建議

（1）威運固井采用工作負(fù)荷超過60%或者壓力超過80%的工作時間不超過5 min為原則，進(jìn)行固井設(shè)備水馬力配套，并成功運用威遠(yuǎn)頁巖氣高壓固井施工，為以后高壓固井施工設(shè)備配套方面提供了參考。

（2）為適應(yīng)高壓固井施工要求，建議加大水泥車柱塞泵的輸出功率或者減少柱塞泵大尺寸柱塞尺寸，滿足水泥車柱塞泵獨立完成高壓固井施工需要，減少設(shè)備配置數(shù)量以節(jié)約成本。

圖6 W204H5-4井固井施工實時監(jiān)測

圖7 W204H5-4井固井施工理論與實際水馬力對比

[1]王純?nèi)?，陳曦，瞿云華，等.四川JF區(qū)塊非常規(guī)氣層固井技術(shù)[J].西部探礦工程，2014.26（6）：27-30

[2]陳曦，王純?nèi)S偉.基于水馬力計算的固井施工設(shè)備配套[J].天然氣工業(yè)，2014.34（S1）：179-181.

[3]楊燕，楊遠(yuǎn)光，盧家亭，等.工作液密度降低對水泥環(huán)膠結(jié)界面的影響[J].石油學(xué)報，2010.31（2）：333-337.

[4]吳漢川,李莉莉.固井和壓裂設(shè)備性能參數(shù)及曲線的自動生成[J].石油機(jī)械，2006.36（9）：85-88.

（修改回稿日期2015-08-10編輯文敏）

王純?nèi)?，男?974年出生，1997年西南石油大學(xué)鉆井專業(yè)本科畢業(yè)，高級工程師；在中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程公司井下作業(yè)公司從事固井技術(shù)及管理工作。地址：（610213）成都市雙流縣華陽鎮(zhèn)華府大道二段1405。電話:13550150115。E-mail:wcqwcq9829@vip.sina.com