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        臨興區(qū)塊第一口二開水平井設(shè)計和現(xiàn)場應(yīng)用

        2021-02-01 07:33:28賈佳夏忠躍馮雷范志坤解健程
        關(guān)鍵詞:作業(yè)設(shè)計

        賈佳,夏忠躍,馮雷,范志坤,解健程

        中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司(天津300457)

        目前,致密氣開發(fā)多采用定向井和水平井的方式,其中,水平井由于其獨特的開發(fā)效果,逐漸得到推廣應(yīng)用[1]。山西臨興區(qū)塊水平井常用的是三開井身結(jié)構(gòu):一開采用Φ311.15 mm 井眼,下Φ244.5 mm套管;二開采用Φ222.25 mm 井眼,下Φ177.8 mm 套管;三開采用Φ152.4 mm 井眼,裸眼完井。在三開水平井實施初期,為了精細認(rèn)識儲層,在實施三開井眼之前,先打領(lǐng)眼,以保證儲層鉆遇率,已鉆三開水平井存在機械鉆速慢、鉆井周期長、鉆井費用高的難點,平均單井鉆井周期達到66 d。為了提高鉆速、縮短工期、減少費用,有必要對目前三開井身結(jié)構(gòu)進行改進設(shè)計,開展二開水平井井身結(jié)構(gòu)試驗,以提高開發(fā)效益。以臨興區(qū)塊第一口二開井身結(jié)構(gòu)水平井1H 井為例,對1H 井進行了重點設(shè)計,對現(xiàn)場應(yīng)用效果進行了闡述,對存在的摩阻高問題進行了針對性的分析,提出了具體的改進措施。

        1 工程設(shè)計

        1.1 設(shè)計難點

        1H井位于山西省興縣,構(gòu)造位于臨興中區(qū)塊蔡家會區(qū)沈家里構(gòu)造西部,主要目的層為太原組太2段,完鉆層位為太原組,水平段長850 m,采用套管固井完井。該區(qū)塊的壓力系數(shù)為0.83~0.98,溫度梯度約3.0 ℃∕100 m,屬于常溫常壓儲層。該區(qū)塊的表層為新生界第四系沉積,土質(zhì)疏松,鉆井過程中容易漏失;二開鉆遇古生界地層井段長、層位多,部分井段存在膠結(jié)疏松及層間漏失,同時井壁剝落掉塊易造成卡鉆事故。

        1.2 軌跡設(shè)計

        在進行軌跡設(shè)計時,需盡量減少鉆井進尺,降低作業(yè)難度。考慮與其他井的防碰問題,造斜點一般錯開20 m 以上;考慮現(xiàn)場實施難度,造斜率盡量控制在4.0°∕30 m 以內(nèi);靶前距盡量控制350~450 m以降低作業(yè)難度;井口間距按照5 m進行設(shè)計,設(shè)計參數(shù)見表1。

        表1 軌跡設(shè)計參數(shù)表

        1.3 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

        根據(jù)地層壓力數(shù)據(jù)、地質(zhì)設(shè)計、鄰井鉆井井史資料、結(jié)合完井要求,對井身結(jié)構(gòu)進行設(shè)計,一開套管下入基巖不少于20 m,設(shè)計本井一開鉆311.15 mm 井眼至502 m,下入244.5 mm 套管至500 m;二開鉆215.9 mm 井眼至3 294 m,下入139.7 mm 套管至3 292 m,如圖1所示。

        1.4 鉆頭設(shè)計

        根據(jù)地層可鉆性分析,劉家溝組以下的地層可鉆性較差,可鉆性級別均大于4;第四系黃土層可鉆性較好,可選擇PDC鉆頭或者牙輪鉆頭,石千峰組、石盒子組地層較硬,可選擇PDC鉆頭[2-3]。結(jié)合已鉆井的實鉆結(jié)果,該井設(shè)計采用雙排齒PDC 鉆頭,二開井段推薦石千峰以上地層使用5 刀翼、19 mm 齒鉆頭;石千峰及以下地層使用5刀翼、16 mm齒鉆頭。

        1.5 鉆具組合設(shè)計

        一開井段使用塔式鉆具組合:Φ311.15 mm 鉆頭+變扣+Φ203.2 mm 鉆鋌×3+變扣+Φ165.1 mm 鉆鋌×(3+9)+Φ127 mm鉆桿,二開進入造斜段后使用倒裝鉆具組合,加重鉆桿建議倒裝在井斜30°以上位置,另加放不少于30 根,以防止發(fā)生鉆具托壓現(xiàn)象。設(shè)計鉆具組合為:Φ215.9 mm鉆頭+Φ171.5 mm馬達+浮閥+扶正器+Φ165.1 mm 無磁鉆鋌+隨鉆測井工具+隨鉆測量工具+Φ165.1 mm 無磁鉆鋌+Φ165.1 mm鉆鋌×(3~9)+Φ127 mm鉆桿+Φ127 mm加重鉆桿×30+Φ127 mm鉆桿。

        圖1 井身結(jié)構(gòu)示意圖

        1.6 鉆井液設(shè)計

        一開使用膨潤土漿,其密度范圍為1.03~1.07 g∕cm3,二開使用低固相強封堵鉆井液,劉家溝以上地層密度范圍為1.05~1.15 g∕cm3,劉家溝以下地層密度范圍為1.15~1.25 g∕cm3。儲層段在滿足安全作業(yè)的前提下,鉆井液密度盡量執(zhí)行設(shè)計下限[4-5],設(shè)計參數(shù)見表2。

        1.7 固井設(shè)計

        一開固井設(shè)計采用密度為1.85 g∕cm3的水泥漿,水泥返至地面;二開領(lǐng)漿密度為1.40~1.45 g∕cm3,尾漿密度為1.80~1.85 g∕cm3,領(lǐng)漿返至地面,尾漿返至最上部氣層以上200 m。如果生產(chǎn)套管水泥未返至地面,要求進行井口回擠水泥作業(yè);考慮到二開造斜和水平段在同一井段,建議使用微膨脹水泥或韌性水泥以確保固井質(zhì)量。

        2 應(yīng)用效果

        1H 井設(shè)計井深3 294 m,完鉆井深3 163 m,一開鉆至504 m,二開采用一只215.9 mm 鉆頭和馬達鉆至3 163 m,實際鉆井周期為42.63 d,比設(shè)計周期37.5 d 晚了5.13 d。 一開井段采用311.15 mmPDC鉆頭鉆進,使用膨潤土漿鉆進至504 m,鉆井參數(shù):鉆壓4~8 t,轉(zhuǎn)速72 r∕min,排量3 000 L∕min,泵壓7 MPa。二開采用PDC 鉆頭,平均機械鉆速8.61 m∕h;單只鉆頭最高進尺870 m,最高日進尺246 m。

        表2 鉆井液設(shè)計參數(shù)表

        3 經(jīng)驗教訓(xùn)

        3.1 摩阻高

        設(shè)計水平段長729 m,實際鉆成水平段長598 m,未完成水平段長131 m?,F(xiàn)場實際鉆至3 163 m,下鉆困難,申請?zhí)崆巴赉@。

        根據(jù)現(xiàn)場實際作業(yè)參數(shù),對1H 井的摩阻系數(shù)進行軟件反演,鉆進過程中裸眼段摩阻系數(shù)為0.35~0.45(圖2),下套管過程中裸眼段摩阻系數(shù)為0.40~0.50(圖3),與一作業(yè)鄰井摩阻系數(shù)0.30 相比,摩阻系數(shù)偏大。后續(xù)作業(yè)時,需進一步加強水平井鉆井液的性能要求,尤其注意潤滑性能的控制,確保摩阻系數(shù)控制在0.30~0.35,最高不能超過0.40。

        圖2 鉆進時裸眼摩阻系數(shù)反演圖

        3.2 發(fā)生螺旋屈曲

        施工設(shè)計中,要求加重鉆桿倒裝不少于30 根,倒裝位置在30°左右,而現(xiàn)場實際作業(yè)時,加重鉆桿的倒裝13根、倒裝位置在20°左右位置,導(dǎo)致鉆進至3 163 m時,鉆具下發(fā)異常困難,加壓困難,摩阻非常大,無法繼續(xù)進行鉆進,所以提前完鉆。后續(xù)通過軟件對實際鉆進過程中的工況進行模擬計算,發(fā)現(xiàn)倒裝13根加重鉆桿時,無論倒裝至什么位置均會發(fā)生螺旋屈曲的情況,見表3。

        圖3 下套管時裸眼摩阻系數(shù)反演圖

        表3 不同數(shù)量倒裝鉆具對鉆進和下套管的影響

        同時對倒裝鉆具位置進行敏感性分析,伴隨作業(yè)井深逐漸加深,未進行短起倒換加重位置,將直接影響倒裝鉆具效果,以倒裝30根加重鉆桿為例進行敏感性分析,當(dāng)加重鉆桿倒裝至30°以外的位置時,會發(fā)生螺旋彎曲[6],見表4。

        表4 不同倒裝位置時鉆具對鉆進和下套管的影響

        4 結(jié)論

        臨興致密氣進入了大開發(fā)階段,降本增效尤為重要。通過技術(shù)創(chuàng)新,對臨興第一口二開井身結(jié)構(gòu)水平井1H井進行了設(shè)計,現(xiàn)場作業(yè)表明,提速降本效果明顯,可以在臨興區(qū)塊進行推廣應(yīng)用,該二開水平井設(shè)計方法可以為后續(xù)水平井作業(yè)提供經(jīng)驗參考。

        1)軌跡設(shè)計時,全角變化率盡量控制在4°∕30m以內(nèi),井深控制在3 000 m以內(nèi)。

        2)進一步加強水平井鉆井液的性能要求,注意潤滑性能的控制,確保摩阻系數(shù)控制在0.3~0.35,最高不能超過0.40。

        3)為滿足長水平段的鉆進需求,現(xiàn)場作業(yè)時至少配備30根加重鉆桿以滿足倒裝鉆具的使用要求。

        4)加重鉆桿倒裝位置建議執(zhí)行設(shè)計推薦值,在水平段鉆進,短起下過程中按計劃倒鉆桿來滿足作業(yè)需求。

        5)為了防止托壓現(xiàn)象,可考慮使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具和水力振蕩器。

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