鄒傳元 李鵬飛 張明輝 代紅濤 鄒書強(qiáng) 丁玲玲

1.中國石化石油工程技術(shù)研究院德州大陸架石油工程技術(shù)有限公司； 2.中國石油塔里木油田分公司天然氣事業(yè)部；3.中國石化西北油田分公司工程技術(shù)管理部

固井是鉆井工程里最后一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是一項(xiàng)不可逆的施工［1-3］。對于氣藏深井全管柱固井，考慮到地層承壓能力及對封固質(zhì)量的要求，固井設(shè)計(jì)通常采用雙級固井工藝。塔河油田順南氣井項(xiàng)目鉆井設(shè)計(jì)全部采用五開次井身結(jié)構(gòu)，考慮到鉆具抗拉能力及套管偏磨問題，四開?177.8 mm尾管固井后繼續(xù)五開鉆進(jìn)，鉆至目的層壓穩(wěn)后在?177.8 mm尾管內(nèi)下橋塞并在其上部打水泥塞封堵氣層，然后進(jìn)行?177.8 mm回接固井［4］。為確保井筒完整性，鑒于該井地溫跨度較大且一次性封固井段較長，且需解決芯軸式套管頭的坐掛問題，為提高回接固井質(zhì)量，設(shè)計(jì)采用新型回接雙級固井工藝［5-6］。但由于固井工藝上考慮欠妥，于是在回接雙級固井中出現(xiàn)了一級固井結(jié)束后未能建立二級循環(huán)通道，導(dǎo)致無法進(jìn)行二級固井作業(yè)的復(fù)雜情況。

1 固井分析

1.1 基本情況

塔河油田順南區(qū)塊是中石化西北油田天然氣勘探開發(fā)的重點(diǎn)區(qū)域，而順南5-1井是繼順南5井發(fā)現(xiàn)有工業(yè)價(jià)值氣藏后部署的一口評價(jià)井［7］。

順南5-1井設(shè)計(jì)井深7 304 m，?177.8 mm尾管懸掛器回接筒頂深5 743.69 m，五開鉆進(jìn)至7 218.29 m遇氣層后提前完鉆，提高鉆井液密度至1.90 g/cm3壓穩(wěn)氣層后在?177.8 mm尾管內(nèi)下橋塞坐封，然后在橋塞上部打水泥塞封堵下部氣層以防止發(fā)生氣竄，打完水泥塞后將鉆具提至?177.8 mm尾管懸掛器回接筒位置循環(huán)洗井2個(gè)循環(huán)周以保證回接筒以上無水泥石，候凝48 h后下?149.2 mm三牙輪鉆頭探得水泥塞面5 744 m，繼續(xù)鉆進(jìn)30 m后起鉆，然后準(zhǔn)備回接雙級固井作業(yè)。其井身結(jié)構(gòu)見圖1。

順南5-1井采用HXX型 ?177.8 mm專用磨銑工具對回接筒磨銑后，下入回接雙級管柱組合為：HC-A型?177.8 mm回接插頭×0.31 m+套管串×56.04 m+JFG型?177.8 mm節(jié)流浮箍×0.27 m+套管×11.29 m+PDJ型?177.8 mm碰壓短節(jié)×0.27 m+套管串×1 866.54 m +YFZ-AS型?177.8 mm雙級箍×1.02 m+套管串×3 798.80 m+雙公短套管×0.83 m+芯軸式懸掛器×0.59 m+聯(lián)頂節(jié)×9.96 m，其中雙級箍下深3 808.97 m處井斜0.69°。套管扶正器安放方案是在回接插頭以上2根套管和芯軸式懸掛器以下2根套管各安放1只彈性扶正器。

圖1 井身結(jié)構(gòu)Fig. 1 Casing proram

1.2 復(fù)雜情況

固井施工中，一級固井作業(yè)順利完成，替漿到量碰壓，壓力15 MPa升至17 MPa，將回接插頭插入回接筒內(nèi)后，放回水?dāng)嗔?，此時(shí)回接筒受壓190 kN，芯軸式懸掛器坐掛1 650 kN實(shí)現(xiàn)?177.8 mm套管與環(huán)空之間密封。此時(shí)?177.8 mm套管頭兩側(cè)旁通閥連接?50.8 mm固井高壓管線至返漿槽后仍可建立循環(huán)，待投入重力型打開塞等待其到自由下落至雙級箍打開塞座后進(jìn)行憋壓開孔時(shí)出現(xiàn)異常復(fù)雜情況，累計(jì)進(jìn)行憋壓開孔操作23次仍沒有開孔顯示和建立循環(huán)現(xiàn)象，其中最高一次憋壓值達(dá)24 MPa，其余22次憋壓值全部控制在20 MPa以內(nèi)，一級固井結(jié)束后無法建立循環(huán)，無法進(jìn)行二級固井作業(yè)。

2 處理過程

順南5-1井復(fù)雜情況處理方案為：（1）下開孔鉆具進(jìn)行機(jī)械下壓開孔作業(yè)，打壓嘗試建立循環(huán)；（2）下關(guān)孔鉆具進(jìn)行機(jī)械下壓關(guān)孔作業(yè)，鉆穿雙級箍內(nèi)套；（3）探水泥塞面，套管試壓，鉆除下塞后再次進(jìn)行套管試壓；（4）測固井聲幅值，評價(jià)固井質(zhì)量；（5）更換井口采氣四通，試壓合格后進(jìn)行完井測試。

2.1 雙級箍參數(shù)計(jì)算

初始狀態(tài)時(shí)YFZ-AS型?177.8 mm雙級箍內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，滑套與本體循環(huán)孔錯(cuò)開，與外環(huán)空隔離。雙級箍主要參數(shù)：打開剪釘壓力6.57 MPa，關(guān)閉剪釘壓力5.4 MPa，關(guān)閉塞座內(nèi)徑128 mm，滑套內(nèi)徑153 mm。

圖2 雙級箍初始狀態(tài)Fig. 2 Initial state of double-stage collar

雙級箍滑套受力面積S為

打開作用力W1為

關(guān)閉作用力W2為

式中，S為雙級箍滑套受力面積，m2；d為雙級箍滑套內(nèi)徑，mm；W1為打開作用力，N；p1為雙級箍打開壓力，MPa；W2為關(guān)閉作用力，N；p2為雙級箍關(guān)閉壓力，MPa。

將雙級箍參數(shù)代入式（1）～（3），得到：打開作用力121 kN，關(guān)閉作用力99 kN。因此，考慮井下環(huán)境影響，下鉆進(jìn)行機(jī)械下壓開孔作業(yè)所需有效鉆壓應(yīng)不小于121 kN，機(jī)械下壓關(guān)孔作業(yè)所需有效鉆壓應(yīng)不小于99 kN。

2.2 下鉆開孔作業(yè)

YFZ-AS型雙級箍打開原理是：當(dāng)重力型打開塞到達(dá)打開塞座后形成密封，憋壓至打開剪釘壓力值時(shí)打開剪釘剪斷，滑套下行，擋塊由上端面運(yùn)行至下端面限位，此時(shí)滑套與雙級箍本體循環(huán)孔對齊，與外環(huán)空連通，建立二級固井循環(huán)通道［2，8］（圖3）。而如果雙級箍在憋壓時(shí)未開孔，則開孔工具（圖4）下端面接觸打開塞上端面后遇阻，加鉆壓至設(shè)計(jì)打開作用力121 kN以上打開剪釘剪斷，滑套下行，此動(dòng)作會(huì)在指重表靈敏針上有明顯抖動(dòng)顯示或鉆臺(tái)有明顯振動(dòng)現(xiàn)象。

圖3 雙級箍打開狀態(tài)Fig. 3 Opening state of double-stage collar

圖4 開孔工具Fig. 4 Tapping tool

按照作業(yè)規(guī)程，進(jìn)行下壓開孔作業(yè)。待開孔工具下到預(yù)計(jì)位置前5 m，開泵循環(huán)，排量0.16 m3/min，壓力6 MPa，探底1次，起鉆壓20 kN后立即停止下放，指重表靈敏針無抖動(dòng)；停泵后緩慢勻速下放鉆具，下壓至250 kN，指重表靈敏針無抖動(dòng)、鉆臺(tái)無振動(dòng)現(xiàn)象；上提鉆具5 m，重復(fù)上述操作一次，指重表靈敏針仍無抖動(dòng)、鉆臺(tái)無振動(dòng)現(xiàn)象；上提鉆具5 m，開泵頂通驗(yàn)證鉆具內(nèi)暢通，關(guān)閉單閘板封井器，正向打壓2次，壓力分別為16.2 MPa和18.8 MPa，穩(wěn)壓5 min，無壓降；開單閘板封井器，用水泥車在套管頭旁通處連接管線反向打壓2次，壓力分別為11.0 MPa和15.2 MPa，穩(wěn)壓5 min，無壓降。

2.3 下鉆關(guān)孔及后續(xù)作業(yè)

起出開孔鉆具組合后，下入關(guān)孔鉆具組合：?149.2 mm PDC鉆頭+雙母接頭+?120.65 mm鉆鋌×142.5 m+?88.9 mm加重鉆桿×28.6 m+?101.6 mm鉆具。

雙級箍關(guān)孔原理是：關(guān)閉塞到達(dá)關(guān)閉塞座位置形成密封，憋壓至關(guān)閉剪釘壓力值時(shí)關(guān)閉剪釘剪斷，滑套固定擋塊進(jìn)入凹槽后限位功能失效，滑套下行至雙級箍本體限位臺(tái)階處，滑套與本體循環(huán)孔再次錯(cuò)開，與外環(huán)空隔離，雙級箍完成關(guān)孔［2，8］（圖5）。在下壓關(guān)孔作業(yè)時(shí)，當(dāng)?149.2 mm PDC鉆頭下至?128 mm雙級箍關(guān)閉塞座時(shí)遇阻，加壓至設(shè)計(jì)關(guān)閉作用力99 kN以上時(shí)，同樣可以實(shí)現(xiàn)關(guān)閉剪釘剪斷，最終實(shí)現(xiàn)雙級箍關(guān)孔。

圖5 雙級箍關(guān)孔狀態(tài)Fig. 5 Closing state of double-stage collar

下壓關(guān)孔作業(yè)時(shí)，當(dāng)?149.2 mm PDC鉆頭下至關(guān)閉塞座位置遇阻，勻速加壓至100 kN時(shí)靈敏針抖動(dòng)明顯，且鉆臺(tái)面能明顯感覺到振動(dòng)，繼續(xù)加壓至350 kN無反應(yīng)，上提鉆具5 m后再次勻速下放鉆具加壓至350 kN全程無顯示。后進(jìn)行鉆掃雙級箍內(nèi)套作業(yè)，鉆塞參數(shù)：鉆壓10～20 kN，轉(zhuǎn)速45 r/min，扭矩 2.5～3.5 kN·m，排量 0.8 m3/min，泵壓 17 MPa，其中鉆除關(guān)閉塞座用時(shí)約32 min，鉆除放空后至打開塞頂端面遇阻，后用時(shí)40 min鉆除打開塞及打開塞座，掃穿雙級箍內(nèi)套后在雙級箍位置反復(fù)滑眼3次循環(huán)一個(gè)循環(huán)周后繼續(xù)下鉆探得水泥塞面位于一級固井碰壓塞座位置，關(guān)閘板防噴器試壓30 MPa，穩(wěn)壓30 min，壓降0.1 MPa，試壓合格。

測固井聲幅值結(jié)果顯示：回接插頭至雙級箍位置聲幅值10%，雙級箍以上水泥返高1 000 m，聲幅值30%。更換井口采氣四通后，試壓35 MPa合格，進(jìn)行下一步試氣作業(yè)。

3 原因分析

（1）若地面管線、水泥頭及聯(lián)頂節(jié)凍堵，壓力無法傳遞到雙級箍位置。本井在反復(fù)憋壓開孔期間，對地面管線、閘門、水泥頭、擋銷、套管頭兩側(cè)管線進(jìn)行檢查無凍堵現(xiàn)象，卸開水泥頭觀察內(nèi)部干凈暢通，并下入1柱?101.6 mm鉆具進(jìn)入聯(lián)頂節(jié)內(nèi)，通至芯軸式懸掛器以下18 m位置，無凍堵現(xiàn)象。因此，此原因可排除。

（2）如果重力型打開塞傾斜，無法與打開塞座形成有效密封，將導(dǎo)致無法開孔。該井多點(diǎn)測斜數(shù)據(jù)顯示雙級箍下深位置井斜為0.69°，全井井斜小于2°，按照重力型打開塞的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析其到位后不會(huì)發(fā)生傾斜；一級替漿后期碰壓時(shí)排量0.6 m3/min，1 min內(nèi)管內(nèi)壓力上升2 MPa，開孔憋壓時(shí)近似排量下（0.67 m3/min），同樣時(shí)間（1 min）內(nèi)立壓驟升至14 MPa，從升壓時(shí)間及幅度對比可以判斷打開塞已經(jīng)到位且形成密封。因此，此原因可排除。

（3）雙級箍自身質(zhì)量原因?qū)е聼o法開孔。①用機(jī)械方式下壓打開塞開孔時(shí)，2次下壓250 kN，指重表靈敏針無抖動(dòng)、鉆臺(tái)面無振動(dòng)現(xiàn)象，無開孔顯示；下壓關(guān)閉塞座機(jī)械關(guān)孔時(shí)，2次下壓350 kN，第1次下壓至100 kN時(shí)，指重表靈敏針抖動(dòng)明顯、鉆臺(tái)面也有明顯振動(dòng)，此現(xiàn)象表明下壓關(guān)孔時(shí)關(guān)閉剪釘剪斷，雙級箍關(guān)孔正常；因此，通過下鉆機(jī)械下壓開孔與關(guān)孔現(xiàn)象可以證明雙級箍處于打開狀態(tài)。②剪釘剪切值偏差造成無法開孔可排除。雙級箍剪釘裝配前都要做剪切試驗(yàn)，且剪釘剪切值誤差都控制在2 MPa范圍內(nèi)，不會(huì)出現(xiàn)超過20 MPa的情況，在23次憋壓開孔時(shí)也會(huì)對剪釘造成疲勞破壞。③機(jī)械式雙級箍采用單滑套設(shè)計(jì)，重力型打開塞到位后形成密封，管內(nèi)憋壓值達(dá)到剪釘設(shè)計(jì)值后剪斷剪釘，滑套下行，滑套上的循環(huán)孔與本體上的循環(huán)孔對齊后即可建立循環(huán)，結(jié)構(gòu)簡單有效。同時(shí)，鑒于塔河工區(qū)目前已經(jīng)使用數(shù)百套此類型雙級箍，且已完成多口井雙級箍下深超過3 808 m的應(yīng)用案列，而且在順南區(qū)塊前期也已經(jīng)順利完成3口同類型井，其應(yīng)用的鉆井液密度也均在1.80 g/cm3以上，雙級箍開關(guān)全部應(yīng)用正常。因此，此原因也可排除。

（4）水泥漿竄槽，水泥漿與鉆井液接觸后發(fā)生污染，水泥漿頂替到位后，水泥漿靜止時(shí)間長，水泥漿稠化失去流動(dòng)性，雙級箍開孔后無法頂通建立循環(huán)。①該井套管扶正器安放方案不合理，套管居中度不夠、貼邊，造成固井頂替效率差。同時(shí)，在該井替漿過程中排量一直維持在1.8 m3/min左右，而壓力則在 7 MPa、12 MPa、5 MPa、16 MPa 反復(fù)波動(dòng)，固井頂替效率低。②該井水泥漿停機(jī)試驗(yàn)及污染試驗(yàn)不合格。一級固井水泥漿領(lǐng)漿停機(jī)100 min后再次開機(jī)稠度超過30 Bc，從開始注水泥漿至投打開塞歷時(shí)260 min，距離第1次憋壓開孔時(shí)間332 min，一級固井替漿結(jié)束至第1次打壓開孔歷時(shí)146 min，一級固井水泥漿領(lǐng)漿稠化時(shí)間為372 min；污染試驗(yàn)中70%水泥漿+30%鉆井液混合后23 min稠化。③測固井聲幅值顯示水泥漿返高超過雙級箍以上1 000 m，雙級箍以上1 000 m聲幅值為30%。因此，此原因可能性較大。

4 結(jié)論與建議

（1）順南5-1井雙級箍開孔后憋高壓無法建立二級固井循環(huán)通道的原因是一級水泥漿領(lǐng)漿頂替到位后，因水泥漿領(lǐng)漿竄槽后在長時(shí)間靜止的情況下水泥漿與鉆井液直接接觸形成污染導(dǎo)致水泥漿稠化后失去流動(dòng)性。

（2）通過分析順南5-1井回接雙級固井復(fù)雜問題，找到了發(fā)生問題的根源，即套管居中度不夠、水泥漿頂替效率低、水泥漿性能不合格等。

（3）建議順南區(qū)塊?177.8 mm回接雙級固井一級固井結(jié)束后，回接插頭插入回接筒形成密封后立即投打開塞進(jìn)行雙級箍開孔作業(yè)，然后進(jìn)行井口芯軸式懸掛器坐掛，以節(jié)約時(shí)間防止問題發(fā)生。

（4）為確保高壓氣井的井筒完整性，建議在進(jìn)行長封固段回接雙級固井工藝作業(yè)時(shí)，應(yīng)安放旋流剛性套管扶正器并按照固井流變學(xué)設(shè)計(jì)優(yōu)化扶正器安放以確保套管居中度和提高固井頂替效率，從而確保固井質(zhì)量。同時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制好一級水泥漿領(lǐng)漿稠化時(shí)間，做好水泥漿的停機(jī)試驗(yàn)、水泥漿和鉆井液的相容性試驗(yàn)，確保合格后方可施工。

（5）氣藏固井的井筒完整性是固井作業(yè)者應(yīng)當(dāng)首先考慮的問題，針對回接雙級固井這一固井新工藝，應(yīng)加強(qiáng)各個(gè)環(huán)節(jié)的綜合管控，確保施工安全。