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        深部水平井隨鉆擴(kuò)眼鉆具震動控制在A4H井的應(yīng)用

        2021-10-14 03:43:34張子明袁則名和鵬飛王喜杰
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2021年28期
        關(guān)鍵詞:爬坡固井井眼

        雷 磊,張子明,孟 瑄,賈 雍,袁則名,和鵬飛,王喜杰

        (1.中海石油(中國)有限公司上海分公司,上海 200335;2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司,天津 300452)

        東海油氣資源豐富,隨著勘探開發(fā)的深入,發(fā)現(xiàn)該區(qū)儲層普遍具有埋藏深、地質(zhì)成因復(fù)雜、儲層物性差的特點(diǎn),屬于典型的低孔低滲儲層,自然條件下難以出現(xiàn)商業(yè)性油氣流,因此需通過對低孔滲儲層進(jìn)行壓裂改造擴(kuò)能。A4H井是東海某低滲氣田的一口多級壓裂水平井,三開8-3/8"井眼水平段設(shè)計長1200m,下7"尾管后,完井后再進(jìn)行多級壓裂作業(yè),因此7"尾管的順利到位和固井質(zhì)量是本井壓裂成功的關(guān)鍵。由于本井水平段裸眼段較長,且水平段的壓力窗口窄,7"尾管與8-3/8"井眼環(huán)間隙小,存在套管下不到位和固井漏失導(dǎo)致固井質(zhì)量不合格等風(fēng)險。東海區(qū)域相同鄰井扭矩波動大、數(shù)值高,鉆具失效風(fēng)險高。為了保證7"套管在水平段的居中度,降低7"尾管下入難度和固井循環(huán)及頂替過程中的環(huán)空壓耗,結(jié)合壓裂水泥環(huán)厚度評價優(yōu)選,首次在東海引進(jìn)了水平段隨鉆擴(kuò)眼技術(shù),整個水平段將8-3/8"井眼擴(kuò)展至了9.2"井眼。隨鉆擴(kuò)眼結(jié)束后,有效解決了后期作業(yè)過程中的復(fù)雜情況,下7"尾管安全順利,保證了后期壓裂作業(yè)的順利實(shí)施。

        1 A4 H井基本數(shù)據(jù)

        A4H井設(shè)計完鉆井深5367m,實(shí)際完鉆深度5281m,水平段長1053m,水平段最大垂深3961.93 m,溫度162℃,目的層地漏失壓力1.76 sg,作業(yè)窗口窄,實(shí)際井身結(jié)構(gòu)見表1。

        表1 A4H井井身結(jié)構(gòu)與套管程序

        2 水力分析

        兩個井眼完鉆與固井井底ECD對比,9.2"井眼能保證井底ECD不超過漏失壓力,保證作業(yè)安全(見表2)。

        表2 模擬ECD對比

        3 水平井鉆具震動分析

        鉆具正弦彎曲是鉆具受壓橫向位移達(dá)到極限的一種狀態(tài),A4H井鉆具達(dá)到正弦彎曲的有效應(yīng)力如圖1所示。

        圖1 鉆具正弦彎曲模擬

        3.1 起鉆具震動原因分析

        (1)大段鉆具在井內(nèi)時,我們將其視為有一定剛性的線性物體,因?yàn)槭谴蠖危淇箯潉傂蕴貏e小。

        (2)在井口鉆具是受懸吊系統(tǒng)控制的,在井口鉆具承受整個鉆具軸向總作用力,向下力逐漸減小,鉆壓作用于鉆頭,向下托舉鉆具,這就形成了一個軸向作用力為0的中和點(diǎn)位置,中和點(diǎn)以下,鉆具軸向作用力為受壓狀態(tài),即軸向作用力為負(fù)值;同時還受扭矩影響,鉆具在受壓、受扭時會變成“S”形曲線。

        (3)鉆具彎曲會讓鉆具有橫向活動空間(見圖2),在轉(zhuǎn)速帶動下“S”形鉆具呈現(xiàn)波浪狀“爬坡”效果,鉆具爬至高點(diǎn)向下運(yùn)動時,會向兩個低點(diǎn)位釋放軸向張力,鉆具彎曲角會形成橫向垂直井壁向上作用力,這個力夠大時就會使鉆具短暫脫離井壁。

        圖2 鉆具在井眼內(nèi)中和點(diǎn)下部呈現(xiàn)“S”形狀

        (4)鉆具因?yàn)閯傂杂绊?,其與下井壁接觸點(diǎn)都是鉆具直徑較大的位置,井眼間隙大,且當(dāng)兩點(diǎn)跨度較長時,就會極大降低鉆具剛性系數(shù),鉆具旋轉(zhuǎn)時發(fā)生甩動,特別底部鉆具存在固定位移時(就像螺桿造斜角),就產(chǎn)生了橫向彎曲振動。

        (5)底部鉆具鉆進(jìn)過程,巖屑會無規(guī)律參與鉆具與井壁之間接觸,會破壞鉆具的“S”形彎曲旋轉(zhuǎn)平衡,引起震動擾動,這個擾動更多表現(xiàn)為軸向震動。

        鉆具與井眼尺寸差距較大時(見圖3),鉆具有較大空間運(yùn)動,相同鉆具轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的爬坡力的力矩較短,爬坡速度更慢,所以產(chǎn)生震動頻率較低,鉆具中心點(diǎn)在井眼內(nèi)右側(cè)擺動,鉆具產(chǎn)生較小的橫向與軸向力。

        圖3 鉆具與井眼尺寸差距較大時鉆具重心運(yùn)動軌跡

        鉆具與井眼尺寸差距較小時(見圖4),鉆具有較小空間運(yùn)動,相同鉆具轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的爬坡力力矩較長,爬坡速度更快,所以產(chǎn)生震動頻率較高,鉆具中心點(diǎn)運(yùn)動軌跡接近圓形,鉆具產(chǎn)生較大的橫向與軸向力,這也是BHA部分與小尺寸井眼更容易發(fā)生鉆具震動的原因。

        圖4 鉆具與井眼尺寸差距較小時鉆具重心運(yùn)動軌跡

        3.2 減小鉆具震動方法

        (1)保證軌跡平滑,避免“S”彎加劇。

        (2)加強(qiáng)鉆井液潤滑,減少鉆具側(cè)向爬坡力的力矩與鉆具承受扭矩。

        (3)使用大尺寸井眼,保證鉆具側(cè)向活動空間。

        (4)控制鉆壓、轉(zhuǎn)速,以減少“爬坡”現(xiàn)象。

        (5)使用剛性較強(qiáng)的鉆具,減少鉆具橫向位移。

        4 Rhino-XS8000 系列擴(kuò)眼器

        常規(guī)的擴(kuò)眼技術(shù)是先鉆至常規(guī)尺寸井眼,再單獨(dú)下一趟擴(kuò)眼鉆具擴(kuò)眼至設(shè)計尺寸,而斯倫貝謝推薦使用的Rhino-XS8000系列擴(kuò)眼器為全機(jī)械設(shè)計,抗拉抗扭能力強(qiáng),壽命滿足常溫井井下循環(huán)200小時,高溫井(202℃)160小時的循環(huán)時間,適應(yīng)多情況的復(fù)雜井,能一趟鉆完成擴(kuò)眼作業(yè),提高作業(yè)時效。

        5 隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)措施

        (1)在設(shè)計之初,鉆具結(jié)構(gòu)上鉆頭與擴(kuò)眼器之間增加扶正器,減少鉆具跨度上避免鉆具彎曲應(yīng)力,擴(kuò)眼器上使用剛性較強(qiáng)的三根鉆鋌銜接上部鉆具,減少彎曲應(yīng)力峰值。

        (2)擴(kuò)眼器刀翼為120°圓周對稱而非左右對稱,經(jīng)鉆井動態(tài)模擬分析進(jìn)行的刀翼設(shè)計和鉆具組合的選定,兼顧了力學(xué)穩(wěn)定,降低擴(kuò)眼過程中的震動。

        (3)根據(jù)每趟鉆的實(shí)際情況,合理調(diào)整鉆頭及擴(kuò)眼器水眼。

        (4)鉆進(jìn)關(guān)注扭矩,加強(qiáng)摩擦系數(shù)反演,扭矩過大時增加鉆井液潤滑效果。

        (5)控制鉆壓,保證鉆具不發(fā)生過大彎曲。

        (6)勤測斜,保證井眼軌跡平滑。

        同深度扭矩對比見圖5。

        圖5 本井與同區(qū)塊相同井型相同深度的另一口震動較大的鄰井扭矩對比

        6 結(jié)論

        通過一系列優(yōu)化措施順利完成本井施工,作業(yè)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)如下:

        (1)Rhino-XS8000擴(kuò)眼器首次在東海應(yīng)用成功,在該區(qū)塊與定向和隨鉆測量工具配合使用效果很好,擴(kuò)眼過程中扭矩波動非常小,鉆具震動控制較好。

        (2)鉆具震動主要發(fā)生在BHA部位,通過鉆具優(yōu)化、鉆進(jìn)參數(shù)控制、軌跡控制和摩阻控制等方面能減少鉆具震動的發(fā)生。

        (3)本區(qū)塊擴(kuò)眼速度較該區(qū)塊正常機(jī)械鉆速慢,平均擴(kuò)眼速度為該區(qū)塊正常不擴(kuò)眼機(jī)械鉆速的30%-50%。

        (4)本井作業(yè)中監(jiān)測與模擬水力摩阻扭矩變化,及時發(fā)現(xiàn)并應(yīng)對鉆井風(fēng)險,實(shí)現(xiàn)7"尾管帶9.2"扶正器順利到位、順利固井。

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