陶林 (中石化勝利石油局鉆井工藝研究院設計所)

套管鉆井技術在鹽丘井鉆井中的應用

陶林 (中石化勝利石油局鉆井工藝研究院設計所)

在路易斯安那州南部Chachaloula鹽丘油田附近鉆常規(guī)井,由于地處濕地,需要從中央平臺定向鉆井。這些井經(jīng)常會發(fā)生井壁失穩(wěn)和漏失等井下故障,有些井采取多層側鉆鉆達目的層,另一些井則未鉆達目的層即棄井。對此,用套管鉆井 (CwD)技術鉆了兩口井,井深與采用常規(guī)技術所鉆的鄰井相似。兩口井成功地鉆達目的層,與鄰井的平均成本相比,第二口井節(jié)省了25%的費用。兩口CwD井均采用旋轉導向技術進行定向控制,鉆過嚴重傾斜的巖層。套管鉆井作業(yè)包括注水泥回填、側鉆,以及兩次打撈作業(yè)回收發(fā)生故障的井下工具。上述作業(yè)期間均未起出套管,體現(xiàn)出套管鉆井技術的多功能性。

套管鉆井 鹽丘井 工藝技術井下故障

1 前言

鹽丘附近的構造圈閉是墨西哥海岸一帶的最原始儲層,鹽丘附近的嚴重傾斜層和斷層形成了良好的油氣圈閉,不過構造應力的變化以及復雜的地質構造使得這一地區(qū)的鉆井作業(yè)難度增大[1]。

路易斯安那州Lafourche教區(qū)的 Chachaloula穹窿就存在這樣一個鹽丘構造。該鹽丘處于地下,約有20.7 km2,鹽層頂部距地面不到305 m。該地區(qū)自1930年以來一直在開采石油和天然氣,直到今天還在持續(xù)進行零星的鉆井作業(yè)。井深約4 877 m的井可鉆至鹽層附近,但大多數(shù)井的井深不到2 743 m。目前在鹽丘附近約有40口生產(chǎn)井。

鹽丘位于濕地中,由于環(huán)境因素影響,井位受到限制。目前所鉆的井大多是在現(xiàn)有公路附近的平臺上完成的,以減少對環(huán)境的影響。

最近在鹽丘南側所鉆的井出現(xiàn)了許多井下故障,例如由于井壁失穩(wěn)及漏失而造成卡鉆和側鉆,有幾口井未鉆達目的層即棄井。這些井的目的層是嚴重傾斜地層所形成的圈閉,圈閉與傾斜鹽層面的截面夾角達80°,儲層一般為鹽體內(nèi)局部異常的小斷塊,現(xiàn)在用較先進的地球物理學技術即可鑒別。圖1為鹽丘構造、兩口CwD井的井位及最近完成的鄰井。

圖1 CwD井的井位及鄰井的大致位置

2 套管鉆井的鉆機配置及技術優(yōu)勢

套管鉆井技術主要具有兩種優(yōu)勢,因此有助于鉆鹽丘井。首先,在其他地區(qū)已證實該技術可減少井下故障,對鹽丘井似乎也具有同樣的優(yōu)勢[2-3];其次,該技術可使用小型鉆機進行施工,小型鉆機所需的鉆井平臺較小,因此減少了對環(huán)境的影響[4]。作業(yè)公司應用套管鉆井技術的主要目標并非為了減少成本,而是確保以預計成本鉆達預定井深。

2.1 井下優(yōu)勢

套管鉆井技術可用常規(guī)套管作鉆柱,像正常鉆井一樣鉆進。最初引入該技術是為了減少供應、維修和使用常規(guī)鉆柱 (鉆桿和鉆鋌)方面的時間和費用。不過,隨著套管鉆井技術的商業(yè)化,人們發(fā)現(xiàn)該技術可減少漏失和卡鉆事故,這正是在鉆鹽丘井時遇到的主要問題。這一優(yōu)勢促進了套管鉆井技術的應用。

套管鉆井技術一般分為兩種截然不同的類型——可回收井下工具組合和不可回收井下工具組合。由于用一個鉆頭不大可能鉆完鹽丘井的產(chǎn)層段(177.8 mm套管),因此只能使用可回收鉆具組合。如果采用滿眼井下鉆具組合時井眼偏差不能控制在要求范圍內(nèi),可回收系統(tǒng)還可使用導向工具。

在套管底部配備座底短節(jié),回收底部鉆具組合頂部的配套工具 (鎖緊總成-DLA)即可回收底部鉆具組合,鎖緊總成可以鎖定底部鉆具組合及套管[5]。鎖緊總成可提供鎖定裝置和與鋼絲繩的接口,鋼絲繩用于過套管傳送底部鉆具組合。鹽丘井上所用的鋼絲繩是12.7 mm辮狀鋼絲繩,作業(yè)張力上限約為6 804 kg。

鉆進構造干擾地區(qū) (例如鄰近鹽丘的地區(qū))時,起下鉆柱和下套管經(jīng)常會發(fā)生井下故障。用繩索回收套管鉆井系統(tǒng)可避免產(chǎn)生常規(guī)鉆柱起下鉆時所遇到的大多數(shù)井下故障。由于避免了抽汲,管柱對井壁的摩擦要輕得多。套管柱處于井下非常有利于井控,在坍塌地層可以更好地進行循環(huán)和管柱旋轉。

井底是鉆頭過套管所鉆的導眼段,導眼段之上是用擴眼器鉆的稍大井眼,其井徑足以下入套管,擴眼器通常位于套管鞋之下。導眼段的井深由底部鉆具組合類型來確定,對于直井,導眼段可能只有幾米,但對于用旋轉導向工具所鉆的定向井,導眼段很可能接近30 m。

2.2 使用小型鉆機

在鹽丘井應用套管鉆井技術的第二個主要優(yōu)勢在于可以使用配備小型鉆井液系統(tǒng)的小型鉆機,在一個平臺上就可以鉆完所有的井。小型鉆機的占地面積較小,套管鉆井技術對環(huán)境的影響小于常規(guī)鉆井技術。

圖2和圖3為鉆井現(xiàn)場的鉆機正面和背面圖。鉆井平臺是用表面覆蓋有復合板的砂礫建成的,所用鉆機是專門為套管鉆井而設計的模塊鉆機。

圖2 鉆井平臺上的鉆機正面

用水基鉆井液鉆井,最大密度1.32 g/cm3。鉆機配備了閉環(huán)鉆井液系統(tǒng),避免向當?shù)嘏欧湃魏我后w或固體。需要增加鉆井液時,可以從附近的鉆井液公司獲取小型鉆機用鉆井液罐及鉆井液。

從振動篩分離出的鉆屑排放到鋼制儲罐中,從罐中回收液相,并用錐形旋流器、另一臺振動篩和離心機進行處理,固相泵入密封集裝箱中,運到填埋地點。

圖3 鉆機背面顯示有固相儲罐

3 鉆井概況

用套管鉆井技術鉆了兩口井,井深約2 195 m。兩口井的表層均采用常規(guī)鉆井技術鉆至762 m,下入244.5 mm套管,然后用177.8 mm套管鉆產(chǎn)層段至完鉆。

在第一口井的鉆進過程中以及第二口井開鉆前,發(fā)現(xiàn)小型鉆機的設計存在一些問題,需要改進。鉆機存在的最大問題是閉環(huán)鉆井液系統(tǒng)處理鉆屑的能力不足,增加一套獨立的固相控制裝置可以解決這一問題。鉆機發(fā)生的另一問題是第二口井修絞車花費了45 h,在此期間套管旋轉和循環(huán)都正常進行。

兩口井均成功鉆達目的層。套管鉆井技術可以很好地解決漏失和卡鉆問題,用套管鉆產(chǎn)層段期間未發(fā)生嚴重漏失。避免漏失是套管鉆井技術的一個主要優(yōu)勢,這是因為套管邊旋轉邊勉強通過井壁,機械壓實了濾餅,并將鉆屑磨碎擠進井壁表面,從而提高了濾餅的韌性[2]。

卡鉆對作業(yè)的影響可忽略。底部鉆具組合正常運行后,有幾次套管發(fā)生暫時卡鉆,每次都能輕松解卡,不過很顯然,用常規(guī)鉆柱鉆井時卡鉆是主要問題。

鉆進期間,由于機械原因發(fā)生了幾次漏失,還需要繼續(xù)改進技術。如同任何新型作業(yè)一樣,這兩口井有一條經(jīng)驗曲線。第一口井花費的時間幾乎與最糟糕的鄰井一樣多,第二口井花費的時間與最佳鄰井大致相同。

第一口井使用旋轉導向工具進行側鉆并控制井斜。定向性能準確無誤,但費用較高,且發(fā)生機械故障,導致額外起下底部鉆具組合。第二口井計劃使用可轉向電動機控制井斜,但沒有可與套管鉆井高效作業(yè)相配套的電動機,導致電動機動力不足,不能高效鉆井[6]。鉆入中等強度巖層385 m時,進行了四次起下鉆更換井下電動機,一次起下鉆更換發(fā)生故障的MWD,然后再次下入旋轉導向工具完成鉆井作業(yè)。

兩口CwD井附近的6口已完成的鄰井平均井深2 235 m,鉆這6口井時進行了7次側鉆。第二口CwD井的費用低于最近所鉆的5口常規(guī)井。

4 套管鉆井發(fā)生意外故障的處理

常規(guī)鉆井期間經(jīng)常會遇到一些意外故障,如井下部件故障、鉆具組合黏卡、定向工具不按規(guī)定導向、由于各種原因必須側鉆等等。采用套管鉆井可減少某些故障,例如,已證實在許多情況下可以減少漏失,而且套管黏卡的風險非常小。不過,可能會遇到一些類似于常規(guī)鉆柱鉆井時所遇到的問題。

據(jù)估計,套管鉆井時對于意外故障的處理方式可能少于常規(guī)鉆柱鉆井,處理井下故障的唯一方式或許就是終止套管鉆井,恢復鉆柱鉆井。有些情況下這是最佳選擇,不過,通過套管處理意外故障的可能性比預計的要好。

鉆兩口鹽丘井時遇到了幾次意外故障,大大影響了總鉆時。盡管如此,這些井仍鉆達砂巖目的層,未恢復鉆柱鉆進,對套管進行固井。下面將對這些故障進行介紹,總結在套管鉆井期間正常情況下哪些意外故障無須使用鉆柱即可處理。

4.1 過套管打入阻流段塞

第一口井鉆177.8 mm套管段所用的底部鉆具組合為“滿眼導眼”組合,具體是 158.8mm PDC鉆頭+串聯(lián)鉆柱穩(wěn)定器+第三個穩(wěn)定器直接連接在225.4 mm(井眼直徑)擴眼器下。擴眼器恰好位于套管鞋之下,用可回收鎖緊總成連接到套管上,鎖緊總成距套管鞋之上約6 m。在其他傾角較小的地區(qū)已證實這種組合可減少偏差。

該井鉆至 1 067 m時井斜小于 2°,但鉆至1 372 m時井斜增至4.5°。下入陀螺測斜儀,顯示在高傾角地層該井開始降斜。繼續(xù)鉆進至1 981 m,另一次陀螺測斜顯示,該井仍在繼續(xù)降斜,可能在預計的水位以下井眼與砂巖目的層相交。決定提鉆至1 615 m,擠注水泥漿塞,用垂直旋轉導向工具側鉆。

決定側鉆后,起出底部鉆具組合,調整鉆井液性能,在井底擠注高黏段塞,將套管上提至1 615 m,泵入平衡水泥漿塞,然后將套管上提至水泥塞頂部 (1 372 m),循環(huán)排出受污染的鉆井液,泵入加有堅果殼的高黏清洗液,將水泥漿頂替出座底短節(jié),短節(jié)用于下一鉆具組合。

水泥漿充分凝固后,用鋼絲繩下入銑齒鉆頭組合,使之坐入座底短節(jié),鉆穿水泥塞頂部,準備側鉆。找到水泥塞頂部,鉆過膠結良好的水泥塞至造斜點。這與以前磨銑套管的作業(yè)相一致。然后下入旋轉導向組合,側鉆,以井斜控制方式鉆進。

從決定注段塞回填到準備下入繼續(xù)鉆進的工具組合共耗時47 h,比用鉆柱完成同樣的作業(yè)稍快。

作業(yè)中使用的旋轉導向鉆具組合見圖4,底部鉆具組合和MWD裝置的所有定向控制部件均位于225.4 mm擴眼器之下的158.8 mm導眼段[7],用PDC鉆頭側鉆。這套系統(tǒng)在水泥塞中側鉆毫無問題,井身垂直,井斜角小于1°。

圖4 旋轉導向工具底部鉆具組合

過套管運行旋轉導向工具或接收MWD測量信號都沒有問題。旋轉導向工具的導向塊上有兩處刺漏,鉆該井段時需要用鋼絲繩起下鉆。

4.2 打撈鉆頭牙輪

第一口井用旋轉導向工具鉆至1 835 m(30.5 h鉆260 m)后,壓力降低了2.1 MPa,起出底部鉆具組合,發(fā)現(xiàn)壓力降低的原因是旋轉導向工具的導向塊,因為MWD檢測發(fā)現(xiàn)振動較大。

更換旋轉導向工具,下入底部鉆具組合,與牙輪鉆頭相配合,以減少振動。41 h鉆173 m后,鉆井扭矩增大,再次發(fā)生壓力降低?；厥盏撞裤@具組合,由于旋轉導向工具上再次發(fā)生密封故障,鉆頭上的三個牙輪都掉落了。

這種情況下,落魚一般都掉落在導眼底部,打撈作業(yè)的目標是清理導眼內(nèi)的落魚。擴眼器切削掉的巖層壁厚僅有33 mm,不大可能支撐落魚。除了所有工具都用繩索起下井眼以外,沖洗鉆頭牙輪的程序與常規(guī)鉆井相同。

三次起下 (磨銑、下噴射式打撈籃、下磁鐵)后,顯示井眼已凈化,但磨銑牙輪鉆頭過程中扭矩較大,推測井眼中可能仍有落魚。再次打撈,并用銑齒鉆頭鉆進8.8 m,直至確定可以恢復PDC鉆頭安全鉆井。

從這次故障中恢復正常鉆進所需時間較長,但無須起下套管,用繩索回收裝置即可順利恢復作業(yè)。用常規(guī)組合鉆進時如鉆頭牙輪掉落也會采用非常相似的方法來處理,至少要花費同樣多的時間。

4.3 底部鉆具組合脫扣

在第二口井的鉆進中,用旋轉導向工具和PDC鉆頭鉆至2 175 m時壓力降低了5.5 MPa。用鋼絲繩將底部鉆具組合起出,由于運轉50 h后發(fā)生疲勞,擴眼器之下穩(wěn)定器的頂部連接失效 (目前用一個串聯(lián)穩(wěn)定器代替這一連接)。

在繩索裝置上配備打撈筒,下入并鎖定在座底短節(jié)上。然后將套管鉆井打撈裝置下到落魚的頂部,就會抓住落魚。一旦確定抓住落魚,即進行環(huán)空循環(huán),上提套管確認導眼中的落魚活動自如,然后用繩索從套管中回收打撈裝置和落魚。

以上所討論的三個實例證實套管鉆井系統(tǒng)具有多功能性,并介紹了如何處理常規(guī)故障而無須從井眼中起出鉆柱 (套管)。不過有時也不能完全如此,例如底部鉆具組合可能會卡在套管柱上,這時就不能用繩索回收。

底部鉆具組合不能回收的故障較為少見。2001年以來的890次回收數(shù)據(jù)表明,商業(yè)井的回收成功率為96%[8]。設計了回收工具,能夠多次起下并能從黏卡的底部鉆具組合上慢慢松卡。可以在繩索上安裝震擊器,有助于解卡。如果這樣還不行,必須起出套管時,從CwD井中起下套管要比從常規(guī)鉆井的井眼中起下套管容易。

5 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

套管鉆井技術在世界逐步推廣的同時,國內(nèi)油田也開始了相關技術的研究與實踐。

2002年[9],中國海洋石油有限公司首次將套管鉆井技術應用到我國海域鉆井作業(yè)中,在南海(文昌11-3-1井)和渤海領域 (遼東9-3-1井)2口探井中分別使用了508 mm和340 mm表層套管進行鉆井,簡化了井身結構,省略了繁雜的海上表層開鉆的套管程序,而且用套管代替了海上的隔水導管,簡化了作業(yè)程序。

吉林油田于2003年和2004年[10]分別進行了217.8 mm和139.7 mm套管鉆井工藝技術試驗,最終分別實現(xiàn)了1只244.5 mm P2鉆頭和1只215.9 mm PDC鉆頭打至完鉆的目的,形成了適合吉林油田淺層開發(fā)井的套管鉆井系統(tǒng)。

2003年[11],大港油田在灘海地區(qū)的預探直井莊5井,在使用隔水管的前提下,第一次開鉆運用了339.7 mm套管鉆井,鉆進深度為550 m,縮短了整個鉆井周期,降低了鉆井成本。

勝利油田在淺海鉆井中使用了套管鉆井技術[12],墾東341井表層套管鉆井的成功,表明該項技術能減少作業(yè)時間和降低鉆井成本,特別適合于海上鉆井中使用,可以簡化作業(yè)程序,縮短鉆井周期。研究認為,套管鉆井的核心技術是專門設計的套管鉆鞋,鉆至設計井深后,可立刻進行固井作業(yè)。

大慶油田在分析套管鉆井技術難點的基礎上[13],設計了177.8 mm油層套管鉆井、固井及測井工藝,同時研制配套了油層套管鉆井專用工具,在葡淺32-1井和葡淺32-3井進行了現(xiàn)場試驗。試驗結果表明油層套管鉆井技術能滿足現(xiàn)場施工要求,而且與常規(guī)鉆井技術相比,減少了井下事故,縮短了鉆井周期,提高了機械鉆速。在鉆遇大段流沙層的情況下,沒有發(fā)生下套管遇卡事故。

大港油田將339.7 mm套管鉆井技術應用于批鉆井中[14]。埕海一號平臺13口井表層套管批鉆井的應用結果表明,采用套管鉆井技術可以縮短鉆井周期,提高機械鉆速,降低鉆井成本,而且國產(chǎn)套管鉆鞋的鉆井指標已接近國外公司同類產(chǎn)品的技術水平,雖然成本相對較高,但批量生產(chǎn)后成本會顯著降低。認為套管鉆井技術特別適合于海上鉆井及叢式批鉆井,可簡化作業(yè)程序,縮短鉆井周期,有廣闊的發(fā)展空間。

總之,套管鉆井技術在國內(nèi)許多油田已得到不同程度的應用,且已逐步研究出了適合國內(nèi)地質構造的套管鉆井系統(tǒng)。不過,該技術目前在國內(nèi)還僅限于應用在表層套管和淺井,尚未應用于復雜地層如鹽膏層鉆井,還有待于深入探索。

6 結論與認識

在兩口鹽丘井的產(chǎn)層段應用了套管鉆井技術,在這些地區(qū)用常規(guī)鉆井技術會遇到很多問題。在這兩口井中,常規(guī)鉆井時井下所遇到的問題基本都能解決。由于解決了許多常見問題,其他諸如在該地區(qū)缺少實鉆經(jīng)驗以及使用新型工具等方面的問題,大多都由于高效鉆井而得以彌補。第二口井要比第一口井鉆得快,與最近完成的常規(guī)井的平均成本相比節(jié)省了成本。如果解決了鉆機停工和導向電動機方面的問題,第三口井的成本應該比最佳鄰井還要低。

在兩口井的套管鉆井過程中,遇到了很多井下機械故障,用“過套管”技術進行處理,無須起下套管,也不會發(fā)生黏卡。實踐表明,使用可回收套管鉆井系統(tǒng),鉆柱鉆井中經(jīng)常出現(xiàn)的裝置故障和意外故障大多都得以解決。

套管鉆井成功地應用于鹽丘井鉆井,很可能是鹽丘井鉆井技術上的一次重大突破,在提高鉆井時效、解決技術難題、降低成本方面進行了有益的探索,取得了很好的效果。

套管鉆井是石油工業(yè)的一項新技術,為鉆井設備和鉆井工藝帶來了新理念,預示著今后特殊鉆井的發(fā)展方向。用鋼絲繩起下井底鉆具不用進行起下鉆,井眼間隙縮小,井斜問題減少,不用下套管和起下鉆柱,作業(yè)效率大大提高,回收式套管鉆井技術仍然是今后套管鉆井技術發(fā)展的目標。國內(nèi)還應不斷拓展套管鉆井技術的應用領域,如鹽膏層段、易漏區(qū)等復雜地層的鉆井施工中,利用其固有的技術優(yōu)勢,致力于解決井下常見復雜情況,使我國的套管鉆井技術上一個新臺階。

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2009-11-12)