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        許X36A 下?lián)P子中深探井鉆井施工技術(shù)

        2021-05-27 08:27:52陳小元
        復(fù)雜油氣藏 2021年1期

        陳小元,嚴(yán) 忠

        (中國石化華東石油工程有限公司江蘇鉆井公司,江蘇揚(yáng)州225261)

        許X36A 是在原裸眼完成井許X36 的基礎(chǔ)上側(cè)鉆施工的一口下?lián)P子中古生界中深評價井,構(gòu)造位置位于蘇北盆地高郵凹陷許36 古生界逆斷塊高部位,鉆遇新生界的三垛組與阜寧組、中生界的泰州組與浦口組、古生界的志留系、奧陶系地層。該井井深大、裸眼段長、軌道復(fù)雜且井斜位移大、地層跨度大且硬脆、可鉆性差、研磨性高,施工時存在諸多問題:摩阻扭矩控制難度大、井壁易失穩(wěn)、井眼清潔困難、機(jī)械鉆速低、易出現(xiàn)鉆具故障、對鉆具質(zhì)量要求高等。針對難點(diǎn),采取精心控制井身軌跡、優(yōu)選鉆頭、應(yīng)用旋沖螺桿、優(yōu)選鉆井液體系等技術(shù),強(qiáng)化復(fù)雜故障預(yù)防與處理,完成了高難度井的施工。該井設(shè)計(jì)井深3 985.26 m,實(shí)際完鉆井深4 419 m,最大井斜角43.50°,井底水平位移1 277 m,鉆井周期為69 d 14 h,建井周期為99 d9 h,平均機(jī)械鉆速為4.42 m/h,裸眼完井。

        1 工程設(shè)計(jì)

        1.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        老井許X36 井?244.5 mm 技術(shù)套管封固鹽城組及三垛組地層中部等上部不穩(wěn)定地層,下深為1 049.79 m。許X36A 井在原井眼的基礎(chǔ)上,使用? 215.9 mm鉆頭出技術(shù)套管鞋30 m開始側(cè)鉆至井底。視油氣顯示情況,下入?139.7 mm 生產(chǎn)套管。井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖1。

        圖1 許X36A設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)

        1.2 井身軌道設(shè)計(jì)

        因該井一靶位移大且垂身淺,為避免在?244.5 mm 套管開窗側(cè)鉆而采用復(fù)雜的五段制軌道:直-增-穩(wěn)-降-穩(wěn)。設(shè)計(jì)斜深3 985.26 m,垂深3 600 m;一靶垂深:1 960.00 m,閉合距: 634.60 m,閉合方位:313.06°,靶半徑:65.00 m;二靶垂深:3 600.00 m,閉合距: 1 239.57 m,閉合方位: 312.99°,靶半徑:140.00 m。造斜點(diǎn)1 080 m,造斜率8°/100m,第一穩(wěn)斜角47.50°,降斜率4°/100m,第二穩(wěn)斜角11°,井底閉合位移1 239.57 m,井底閉合方位312.99°(見圖2)。

        圖2 許X36A設(shè)計(jì)井身軌道剖面

        2 施工難點(diǎn)

        (1)摩阻扭矩控制難度大。該井設(shè)計(jì)為復(fù)雜的“直-增-穩(wěn)-降-穩(wěn)”五段制軌道,易產(chǎn)生鍵槽,摩阻扭矩大,甚至超過轉(zhuǎn)盤的額定扭矩。實(shí)際施工起鉆摩阻最大740 kN,大鉤載荷最高1 900 kN,下部穩(wěn)斜段鉆進(jìn)時,扭矩接近36.5 kN?m,多次出現(xiàn)轉(zhuǎn)盤憋停的情況,施工時摩阻扭矩控制難度大。

        (2)井壁易失穩(wěn),井眼清潔困難。該井井深、軌道復(fù)雜、井斜位移大、裸眼段長、鉆遇地層跨度大,中古生界地層為砂礫巖、硬脆性砂泥巖、輝綠巖、碳酸鹽巖等,易發(fā)生井壁失穩(wěn),井眼清潔困難,易發(fā)生復(fù)雜故障,對鉆井液性能提出了更高的要求。

        (3)機(jī)械鉆速低。該井鉆遇蘇北盆地中生界的泰州組與浦口組、古生界的志留系、奧陶系地層,近2 700 m,鉆遇地層研磨性高、可鉆性差,嚴(yán)重影響鉆頭的選型及機(jī)械鉆速的提高[1]。

        (4)易出現(xiàn)鉆具故障,對鉆具質(zhì)量要求高。該井井深,載荷大,軌道復(fù)雜,增斜段及降斜段易形成狗腿,側(cè)向力大、鉆具磨損嚴(yán)重,易造成鉆具刺漏等問題。

        3 鉆井施工技術(shù)

        3.1 井身軌跡控制

        為控制好井身軌跡,確保軌跡圓滑、中靶優(yōu)質(zhì),采取以下措施:

        (1)進(jìn)一步優(yōu)化剖面。充分利用該井靶區(qū)半徑為標(biāo)準(zhǔn)靶的特點(diǎn),優(yōu)化剖面,適當(dāng)降低最大井斜角,進(jìn)一步降低摩阻。許36A 井實(shí)際側(cè)鉆點(diǎn)1 083.31 m,鉆至1 877.52 m 井斜最大達(dá)到43.50°后穩(wěn)斜,穩(wěn)斜至2 049.42 m 后降斜,至3 742.61 mm 井斜降至12.40°,之后穩(wěn)斜至完鉆井深4 419 m。最大井斜角比設(shè)計(jì)值減小4°。

        (2)優(yōu)選小角度單彎。控制好狗腿度,是該井控制好軌跡的關(guān)鍵。采用1.25°小角度單彎螺桿+PDC 鉆頭定向作業(yè),既保證有一定的造斜率,又控制好狗腿不超標(biāo),為后期完井作業(yè)打好基礎(chǔ)。造斜時,采取每根滑動復(fù)合相結(jié)合的方式控制軌跡平滑,平均造斜率控制在3°/30m左右。

        (3)優(yōu)選鉆具組合。為保證后期取心筒及生產(chǎn)套管的順利下入,上部側(cè)鉆井段、造斜段、第一穩(wěn)斜段、部分降斜段,均采用單彎雙穩(wěn)組合,充分發(fā)揮復(fù)合鉆井穩(wěn)斜或微降的特點(diǎn),避免單彎單穩(wěn)組合增斜而造成滑動降斜。為降低深部井段摩阻、扭矩,簡化鉆具組合,精簡掉穩(wěn)定器,部分降斜段及第二穩(wěn)斜段采用直螺桿塔式組合。

        以上措施有效控制軌跡,一靶靶心距43.82 m,二靶靶心距27.09 m,設(shè)計(jì)軌跡與實(shí)鉆軌跡基本一致。

        3.2 提高機(jī)械鉆速

        該井古生界地層主要為輝綠色變質(zhì)泥巖,巖性致密、研磨性強(qiáng),常規(guī)五刀翼等PDC 鉆頭對古生界地層適應(yīng)性差。通過反復(fù)分析研究,優(yōu)選七刀翼進(jìn)口復(fù)合片鉆頭,同時在古生界地層試驗(yàn)旋沖螺桿提速工藝,取得較好效果。

        機(jī)械式旋沖螺桿利用螺桿作為動力驅(qū)動,通過沖擊發(fā)生機(jī)構(gòu)產(chǎn)生高頻軸向沖擊并傳遞給鉆頭,實(shí)現(xiàn)沖擊與旋轉(zhuǎn)聯(lián)合作用破巖[2-6]。同時,由于其產(chǎn)生的低振幅、高頻率的震動可吸收部分瞬時過大載荷,有效減少了硬脆性地層對鉆頭的破壞作用、延長鉆頭使用壽命。試驗(yàn)表明:在鉆進(jìn)參數(shù)、地層基本相同的情況下,使用旋沖螺桿可明顯提高機(jī)械鉆速,且滑動鉆進(jìn)加壓容易,工具面穩(wěn)定,一定程度上能減輕托壓現(xiàn)象。

        在2 927.10~3 310 m,使用常規(guī)的FL1653JH 五刀翼PDC 鉆頭,機(jī)械鉆速由上部中生界地層的7.01 m/h 降為3.09 m/h。在3310~3663.17m 井段,選用“7 刀翼進(jìn)口復(fù)合片PDC 鉆頭+旋沖螺桿”的提速工藝,機(jī)械鉆速達(dá)到7.24 m/h,起出后鉆頭切削齒僅斷兩顆。在3 663.17~3 850.03 m 井段,使用同型號PDC 鉆頭與常規(guī)螺桿,機(jī)械鉆速僅為2.51 m/h,且起出后外徑磨損嚴(yán)重,切削齒斷4 顆,保徑齒斷2 顆。在巖性基本相同的情況下,“7 刀翼PDC 鉆頭+旋沖螺桿”與前段“五刀翼PDC 鉆頭+常規(guī)螺桿”及后段“七刀翼PDC+常規(guī)螺桿”相比,機(jī)械鉆速分別提高134.30%、188.45%。在3 858.43~4 273.55 m,由于地層可鉆性變好,使用7刀翼進(jìn)口復(fù)合片PDC鉆頭,機(jī)械鉆速達(dá)到了5.05 m/h。但該鉆頭在4 282.45~4 415.01m井段鉆遇致密性、研磨性更強(qiáng)的灰質(zhì)白云巖,機(jī)械鉆速降低至1.77 m/h。

        3.3 鉆井液

        針對該井地層及井身特點(diǎn),在鉆井液體系優(yōu)選及性能維護(hù)方面采取了相應(yīng)措施:

        (1)在1 080~2 110 m 井段,采用復(fù)合金屬離子聚合物潤滑防塌鉆井液體系,在2 110~4 419 m 井段,采用復(fù)合金屬離子聚合物-抗高溫聚醚醇胺納米水基鉆井液體系。聚醚醇胺納米水基鉆井液體系具備抗高溫、潤滑性好、抑制性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[7-9],使用該鉆井液體系后上提摩阻控制在60~74 t,下放摩阻控制在35~50 t左右,潤滑效果較好。

        (2)側(cè)鉆成功后,加入2%潤滑劑增強(qiáng)防卡性能。根據(jù)井下摩阻情況,補(bǔ)充潤滑劑,用好四級固控設(shè)備,嚴(yán)格控制坂土含量和固相含量。

        (3)進(jìn)入泰州組前100 m 加入2%防塌劑和3%的超細(xì)碳酸鈣,抑制地層垮塌。維護(hù)時按0.5 kg/m補(bǔ)充聚合物PMHA-Ⅱ,配成0.5%~1%的膠液,按循環(huán)周均勻加入,抑制黏土的水化分化分散剝落垮塌。

        (4)鉆至2 700 m 左右轉(zhuǎn)化為抗高溫聚醚胺納米水基鉆井液體系。加入0.3%IND-30,PANS 保持鉆井液具有良好的抑制性能和抗溫性能。轉(zhuǎn)化后及時加入聚醚,并根據(jù)摩阻情況加入2%的極壓潤滑劑及優(yōu)質(zhì)機(jī)油。

        (5)鉆至后期,井下出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象,及時將密度由1.22 g/cm3提至1.28 g/cm3,保證了井壁穩(wěn)定。

        (6)在環(huán)空返速足夠的前提下,動塑比始終控制在0.5 左右,保持鉆井液低黏度、低切力、高動塑比的特點(diǎn),有利于攜砂又具有良好的流變性、潤滑性和防塌性。

        4 復(fù)雜故障的預(yù)防與處理

        4.1 粘掛及起鉆困難

        4.1.1 摩阻扭矩的分析預(yù)測

        應(yīng)用NAVIGATOR 定向井水平井設(shè)計(jì)與分析系統(tǒng)軟件,主要對第二穩(wěn)斜段應(yīng)用常規(guī)單彎雙穩(wěn)鉆具組合的受力進(jìn)行分析(見圖3),在1 100~1 500 m井段鉆具側(cè)向力偏大,扭矩最高達(dá)36.52 kN?m,而鉆機(jī)常用轉(zhuǎn)盤最大扭矩為32.36 kN?m。上提最大摩阻達(dá)到近600 kN。

        圖3 摩阻、扭矩分析預(yù)測

        4.1.2 控制摩阻扭矩的措施

        該井在進(jìn)入2 100 m 后,井身軌跡總體呈現(xiàn)降斜趨勢,伴隨井深的不斷增加,摩阻與扭矩不斷升高。鉆至井深4 415 m,正常上提摩阻已經(jīng)達(dá)到740 kN,扭矩達(dá)25~26 kN ?m,有時瞬時值會直接憋停轉(zhuǎn)盤。井下鉆具粘附嚴(yán)重,起鉆上提鉆具時,鉤載比正常上提載荷高200~400 kN。從井深3 600 m開始,每趟起鉆前9柱由于粘附嚴(yán)重,鉆具無法上提只好搶接一單根,先下放后再上提。

        針對此問題,采取以下措施:

        (1)應(yīng)用優(yōu)質(zhì)機(jī)油作為潤滑劑。全井共加入15.3 t 優(yōu)質(zhì)機(jī)油,在摩阻突增以及取心、電測等多項(xiàng)工序施工前混入鉆井液。

        (2)鉆至井深3 663 m 后,起鉆倒換使用倒裝鉆具組合鉆進(jìn)。

        (3)自2 277 m 開始,應(yīng)用高效清除巖屑床的螺旋清砂鉆桿,有效清除巖屑床。安放位置為鉆頭以上每200 m 放置一根,本井使用3 根,確保每次鉆進(jìn)時該鉆桿處于大斜度井段。

        (4)采用抗高溫、潤滑性好、抑制性強(qiáng)的抗高溫聚醚醇胺納米水基鉆井液體系,有效降低了摩阻扭矩。

        (5)強(qiáng)化短起下,大排量循環(huán)。定深短起下、定期大排量循環(huán)、打完一根倒劃一根、使用140~200目的振動篩篩布等井眼凈化技術(shù),有效減少井下固相含量。

        通過以上措施的應(yīng)用,摩阻與扭矩得到了較好的控制,摩阻扭矩基本符合預(yù)測,振動篩返砂正常,顆粒分明,保證了全井鉆至完鉆井深。

        4.2 鍵槽現(xiàn)象及井壁失穩(wěn)

        由于起下鉆次數(shù)多、泥巖井段井壁失穩(wěn),形成“糖葫蘆”井眼,且軌跡復(fù)雜,存在造斜與降斜二個拐點(diǎn)處形成比較集中的拉磨現(xiàn)象,在降斜拐點(diǎn)處、井徑較小處被拉成了鍵槽,造成起下鉆具困難。

        通過謹(jǐn)慎起鉆,發(fā)現(xiàn)掛卡立即下壓,大排量循環(huán)、倒劃眼、隨鉆振擊的方式,起出鍵槽井段;通過大排量循環(huán)、稠漿清掃、劃眼或倒劃眼等措施,下入或起出井壁失穩(wěn)井段。鉆進(jìn)至3 310 m 起鉆,起至井深2 480 m 遇鍵槽卡鉆,接方鉆桿循環(huán)正常,大力下壓解卡,解卡后仍無法提出,進(jìn)行倒劃眼處理,倒劃7~8 m 后起出,后起鉆多處遇卡,進(jìn)行倒劃眼處理將鉆具起出,直到井深2 048 m 井下才正常;下鉆至井深2 088 m 開始遇阻,間斷劃眼至2 485 m 后正常。此后,每次在井段2 000~2 500 m(阜一段—泰州組)起下鉆均遇困難,需處理5~10 h。另外鉆進(jìn)至井深3 600 m 以后,在井深3 600 m 前后(古生界)多次出現(xiàn)了起鉆掛卡,下鉆遇阻劃眼的情況。

        4.3 鉆具刺漏

        本井使用G-105 新鉆桿,在鉆進(jìn)過程中共發(fā)生4次鉆具刺漏(見表1)。

        表1 鉆具刺漏情況

        應(yīng)用NAVIGATOR 定向井水平井設(shè)計(jì)與分析系統(tǒng)軟件,對鉆具的側(cè)向力及應(yīng)力進(jìn)行分析,造成鉆具刺漏主要原因?yàn)椋?/p>

        (1)造斜段處側(cè)向力大,交變應(yīng)力大,鉆具易磨損疲勞。該井在1 100~1 600 m 為增斜井段,3°/30m 左右的全角變化率主要集中在1 100~1 400 m之間。經(jīng)分析,鉆具在1 300 m 左右所受側(cè)向力達(dá)到峰值,發(fā)生刺漏的鉆具深度集中在1 200~1 500 m,與側(cè)向力大小、狗腿角大相對應(yīng)(見圖4)。

        圖4 鉆具側(cè)向力

        圖5 顯示鉆具在1 200 m 左右鉆具應(yīng)力值異常偏高,鉆具在1 200~1 500 m 處易因疲勞磨損而導(dǎo)致鉆具刺漏。

        圖5 鉆具應(yīng)力

        (2)大井深、高摩阻、大扭矩、重載荷,上部鉆具受拉受扭嚴(yán)重。本井使用G-105新鉆桿(100%新度下最大抗拉強(qiáng)度2 465.8 kN),該鉆具按照3 985.26 m 的原設(shè)計(jì)井深配置,井深達(dá)到4 250 m后,摩阻、扭矩、上提載荷相應(yīng)增大,致上部鉆具受拉受扭嚴(yán)重,易發(fā)生疲勞破壞。實(shí)際鉆進(jìn)至4 273.55 m時,鉆具懸重1 250 kN,在正常情況下,上提鉆具的載荷達(dá)到1 900 kN,已達(dá)鉆桿抗拉強(qiáng)度的80%,稍有掛卡就增至2 000~2 100 kN,隨著井深增加,上提載荷和扭矩繼續(xù)增加,所用鉆桿強(qiáng)度難以滿足需求,導(dǎo)致鉆具發(fā)生刺漏。

        4.4 防止電測卡電纜

        為在電測時避免卡電纜,該井完鉆后,應(yīng)用優(yōu)化的鉆具組合進(jìn)行通井,該組合在近鉆頭處連接了除巖屑刮砂鉆桿,對井壁進(jìn)行修整。重點(diǎn)對2 000~2 300 m、3 500~3 600 m 井段起下鉆阻卡點(diǎn)進(jìn)行了充分的處理。第一趟儀器順利到底,第二趟儀器由于外徑較大入井遇阻,起出后,進(jìn)行了濕接頭測井,在測至3 975 m 左右遇阻,儀器電纜張力達(dá)到限值,停止測井,起鉆后下入通井組合,上下拉一遍起出后,測井作業(yè)成功實(shí)施。

        5 認(rèn)識與體會

        (1)對復(fù)雜井眼軌跡中深井,摩阻和扭矩是影響施工成功的關(guān)鍵因素??刂栖壽E、優(yōu)選鉆井液體系、強(qiáng)化短起下、大排量循環(huán)、打完一根倒劃一根、使用螺旋清砂鉆桿及高目數(shù)振動篩等措施,可有效降低井下摩阻扭矩。

        (2)在高研磨性、高致密性的地層,“旋沖螺桿+七刀翼高密度小齒PDC 鉆頭”的鉆具組合,可顯著提高機(jī)械鉆速。

        (3)抗高溫聚醚醇胺納米水基鉆井液體系抗高溫,潤滑性好,抑制性強(qiáng),可有效控制井下摩阻與扭矩。

        (4)針對鉆遇中古生界的井身軌跡復(fù)雜的中深井,造斜率或降斜率應(yīng)控制在較小值;為避免鉆具因長時間彎曲受力導(dǎo)致疲勞傷害,在每趟起下鉆時,應(yīng)倒換位于側(cè)向力和扭矩異常井段的鉆具;在鉆具組合中串接隨鉆振擊器,有助于鍵槽卡鉆等故障的及時解除。

        (5)對于大斜度復(fù)雜軌跡井,采用常規(guī)電測與鉆桿傳輸電測相結(jié)合的方式,有利于快速完成電測任務(wù),避免或減少通井。

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