王在明, 沈園園, 李云峰， 吳 艷

(中國(guó)石油冀東油田分公司鉆采工藝研究院)

老井利用側(cè)鉆是有效盤(pán)活油田資產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，挖潛剩余油，提高油田效益的重要技術(shù)[1]。G104-5區(qū)塊1991年投入開(kāi)發(fā)，已經(jīng)進(jìn)入調(diào)整開(kāi)發(fā)挖潛剩余油階段。前幾年該區(qū)塊側(cè)鉆水平井一直采用油層段下入防砂篩管，篩管上部套管安裝遇油遇水封隔器，以實(shí)現(xiàn)油層段防砂和封隔油層上部水層的目的，但投產(chǎn)后油井見(jiàn)水快，投產(chǎn)效果不理想。通過(guò)攻關(guān)研究，根據(jù)G104-5區(qū)塊油層防砂和油層上部井段封隔水層的需要，在開(kāi)窗段應(yīng)用小尺寸膨脹懸掛器，以便有效解決懸掛器部位的出水問(wèn)題，油層以上井段下入封隔器和分接箍配套頂部注水泥技術(shù)，實(shí)現(xiàn)油層以上井段水層的封隔。該工藝在G104-5P54CP1井順利實(shí)施，并在投產(chǎn)后取得了較好的效果。

一、G104-5區(qū)塊地質(zhì)特征和完井要求

G104-5區(qū)塊是被三條斷層所夾持的向東南抬升的斷鼻構(gòu)造，地層整體北傾，傾角約2°～3°，高點(diǎn)位于斷塊南部，高點(diǎn)埋深-1 708 m(海拔)，地層從上往下依次為第四系平原組(Qp)、上第三系明化鎮(zhèn)組(Nm)、館陶組(Ng)。根據(jù)鉆井工程設(shè)計(jì)，側(cè)鉆井大約在NgⅡ處開(kāi)窗側(cè)鉆，側(cè)鉆點(diǎn)以下地層巖性如下：館陶組(Ng)厚約137 m左右，上部為棕紅、棕黃色泥巖與淺灰、灰色砂巖不等厚互層，中下部以白色砂礫巖、砂巖為主，夾灰黑色玄武巖和灰色泥巖，底部為大套砂礫巖夾薄層灰色泥巖。館陶組是G104-5區(qū)塊的主力含油層系，期間間隔有多套水層，本次側(cè)鉆目的層位NgⅣ油組12號(hào)層，為防止油層上部水層對(duì)開(kāi)發(fā)的影響，地質(zhì)要求完井能夠封隔上部水層[2]。

館陶組砂巖碎屑顆粒中，石英含量為45.5%，長(zhǎng)石含量36%，巖屑含量18.5%。膠結(jié)類(lèi)型有基底式、孔隙式、接觸式和薄層狀四種，以孔隙式膠結(jié)為主。填隙物含量5%～11%，最高可達(dá)23%，泥質(zhì)含量5.6%～6.7%，由于埋藏淺且膠結(jié)物以泥質(zhì)為主，因而巖石疏松易散，生產(chǎn)中易出砂，地質(zhì)要求完井考慮防砂[3]。

二、井身結(jié)構(gòu)方案和頂部注水泥工藝技術(shù)難點(diǎn)

1. 井身結(jié)構(gòu)方案

前期該斷塊幾口側(cè)鉆井采用油層段下入?73 mm基管防砂篩管，篩管上部井段下入?88.9 mm尾管，配合尾管下部封隔器和懸掛點(diǎn)處卡瓦式封隔器對(duì)尾管進(jìn)行封隔，實(shí)現(xiàn)封隔油層上部水層的目的。但開(kāi)發(fā)實(shí)踐證明僅靠封隔器封隔水層效果不理想，地層水會(huì)從封隔器流出，基本是開(kāi)采不久就會(huì)見(jiàn)水，甚至剛開(kāi)采就見(jiàn)水；另外，篩管尺寸小，出砂后無(wú)法沖砂。根據(jù)G104-5區(qū)塊地質(zhì)特征和完井要求，結(jié)合前期完井工藝的缺陷，有針對(duì)性地研究了新的完井工藝，即在小尺寸完井管柱上引入頂部注水泥技術(shù)，同時(shí)配合封隔器和膨脹懸掛器實(shí)現(xiàn)尾管末端和懸掛點(diǎn)良好密封，這樣整個(gè)油層以上井段在水泥封固和膨脹懸掛器封隔下防水的效果會(huì)有較大提高[4]。圖1為G104-5P54CP1側(cè)鉆井管柱結(jié)構(gòu)圖。

圖1 G104-5P54CP1側(cè)鉆井管柱結(jié)構(gòu)圖

2. 工藝技術(shù)難點(diǎn)

頂部注水泥工藝在大尺寸井眼中有較多的應(yīng)用，但在?139.7 mm小井眼側(cè)鉆井中該工藝存在一些技術(shù)難點(diǎn)。難點(diǎn)之一是井眼尺寸小，頂部注水泥工藝實(shí)施困難。在頂部注水泥工藝中，為防止水泥下行進(jìn)入篩管，在套管串的下端外部使用封隔器，內(nèi)部裝有盲板，待注水泥完成后，需用小鉆具清除管串內(nèi)部浮箍和盲板，使套管串與篩管暢通。目前用于小井眼管內(nèi)作業(yè)最小鉆具尺寸為?60 mm地質(zhì)鉆桿，其接箍外徑73 mm，如果將其應(yīng)用于?88.9 mm尾管下端盲板清除，?88.9 mm尾管本體內(nèi)徑76 mm，間隙僅3 mm，將會(huì)出現(xiàn)開(kāi)泵困難，卡鉆等風(fēng)險(xiǎn)。

難點(diǎn)二是有多道壓力打開(kāi)工序，包括打開(kāi)膨脹封隔器，打開(kāi)分接箍，膨脹坐掛膨脹懸掛器，打開(kāi)壓力依次增加，一道工序差錯(cuò)就會(huì)導(dǎo)致工藝失敗。

難點(diǎn)三是篩管及尾管管柱下入難度大。G104-5區(qū)塊油層出砂嚴(yán)重，在后續(xù)采油過(guò)程中需要考慮沖砂作業(yè)，選擇?88.9 mm基管的篩管，其外徑為112 mm，內(nèi)徑76 mm(?73 mm基管篩管內(nèi)徑62 mm)，側(cè)鉆裸眼段井眼尺寸為?118 mm，下入難度很大，如遇阻可能會(huì)出現(xiàn)起尾管等復(fù)雜情況。

三、小井眼側(cè)鉆井頂部注水泥工藝關(guān)鍵技術(shù)

1. 膨脹懸掛器懸掛?95.25 mm尾管

膨脹懸掛器是一種新型膨脹管膨脹坐掛、多種密封相結(jié)合的尾管固井工具，通過(guò)機(jī)械力或液壓力使膨脹套管產(chǎn)生徑向膨脹，采用高強(qiáng)度橡膠材料懸掛密封，從而提供高強(qiáng)的尾管頭密封效果和更大的膨脹內(nèi)徑，防止水竄。與常規(guī)卡瓦懸掛器相比，膨脹懸掛器密封效果好，基本可以杜絕開(kāi)窗窗口處出水；另外套管懸掛重疊段由卡瓦懸掛器重疊150～200 m減少為20～30 m。圖2為常規(guī)卡瓦懸掛器和膨脹懸掛器結(jié)構(gòu)對(duì)比，表1為膨脹懸掛器參數(shù)數(shù)據(jù)。

圖2 兩種懸掛器結(jié)構(gòu)對(duì)比

表1 膨脹懸掛器參數(shù)

從表1看到，膨脹懸掛器膨脹后內(nèi)徑達(dá)到103 mm，懸掛力達(dá)到500 kN，密封壓差50 MPa，可以實(shí)現(xiàn)窗口位置良好密封，解決窗口位置出水的難題。

為防止在固井時(shí)水泥流入篩管造成堵塞，還需要在尾管末端使用盲板[5]，但這樣帶來(lái)另一個(gè)技術(shù)難題，即完成固井后如何鉆穿盲板。針對(duì)這一問(wèn)題，確定了應(yīng)用?95.25 mm尾管，該尾管壁厚6.5 mm，內(nèi)徑82.25 mm，這樣就可以應(yīng)用?60 mm地質(zhì)鉆具入井，鉆除浮箍、盲板等附件。

2. 小尺寸完井工具

為實(shí)現(xiàn)?139.7 mm小井眼側(cè)鉆井頂部注水泥工藝，研制了系列小尺寸完井工具：小尺寸管外封隔器、小尺寸分接箍、小尺寸盲板。小尺寸管外封隔器采用擴(kuò)展式充填結(jié)構(gòu)，進(jìn)液孔可正常關(guān)閉，以提高膠筒承壓能力。其本體外徑為95.25 mm，內(nèi)徑82.25 mm，尺寸和主體材質(zhì)與尾管一致，膠筒長(zhǎng)度1.2 m，脹封壓力10～12 MPa可調(diào)。小尺寸分接箍采用三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，含關(guān)閉套，具備液壓開(kāi)啟和機(jī)械關(guān)閉的功能，其本體外徑95.25 mm，內(nèi)徑82.25 mm，長(zhǎng)度0.85 mm，打開(kāi)壓力13～15 MPa，主體材質(zhì)采用35CrMo。小尺寸盲板采用易鉆水泥結(jié)構(gòu)，避免金屬盲板鉆塞難題，其本體尺寸95.25 mm，內(nèi)徑82.25 mm，長(zhǎng)度0.2 m，耐壓達(dá)到50 MPa以上，主體材質(zhì)采用35CrMo。

3. 頂部注水泥工藝

頂部注水泥工藝過(guò)程:①施工前準(zhǔn)備,對(duì)原井套管試壓15 MPa，確保井筒完整性，用高于完井管柱剛性的通井管柱通井，達(dá)到井眼穩(wěn)定，無(wú)井塌和井漏等現(xiàn)象，并在起鉆前及起至坐掛點(diǎn)時(shí)稱(chēng)重并記錄;②按管柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)下入管串。要求封隔器上下安放扶正器保護(hù)膠筒，分級(jí)箍至盲板位置上下絲扣涂抹密封膠，防止鉆塞倒扣，尾管柱下至窗口位置時(shí)，灌滿鉆井液，稱(chēng)重;③脹封，打開(kāi)分級(jí)箍循環(huán)。憋壓至8 MPa、10 MPa，分別穩(wěn)壓5 min，脹封管外封隔器，繼續(xù)升壓至13～15 MPa，打開(kāi)分級(jí)箍建立循環(huán);④倒扣,循環(huán)正常后，停泵，找到中和點(diǎn)位置，正轉(zhuǎn)25～30圈，觀察扭矩及懸重變化，試提管柱1 m，若指重表無(wú)明顯變化，證明已倒開(kāi);⑤固井、膨脹懸掛器。上提管柱50～80 kN，注水泥固井作業(yè)，投膠塞頂替，碰壓至25 MPa，觀察鉆具懸重變化，打壓至22～30 MPa，上提3～4 m坐掛懸掛器；循環(huán)洗井，洗出喇叭口以上多余水泥漿;⑥鉆塞,按照鉆井設(shè)計(jì)要求進(jìn)行候凝電測(cè)后，進(jìn)行通井鉆塞作業(yè)，鉆具組合?76 mm磨鞋+?60.3 mm地質(zhì)鉆桿+?73 mm鉆桿，鉆塞參數(shù)為鉆壓20～30 kN，轉(zhuǎn)速40～50 r/min，鉆穿盲板后，充分循環(huán)起鉆，更換鉆具通井到底，通井鉆具組合為?70 mm鉆頭+?50.4 mm地質(zhì)鉆桿+ ?60.3 mm地質(zhì)鉆桿+ ?73 mm鉆桿。

四、小井眼頂部注水泥工藝在G104-5P54CP1井應(yīng)用

G104-5P54CP1井利用G104-5P54井進(jìn)行側(cè)鉆，G104-5P54井為一口兩開(kāi)結(jié)構(gòu)井，井深2 410 m，井斜角90.5°，套管層次為?273.1 mm×350 m+?139.7 mm×?2 403.55 m，油層套管水泥返高626 m。開(kāi)窗點(diǎn)設(shè)計(jì)在2 050 m。

起出井內(nèi)采油管柱后，下管柱探砂面并沖砂至2 150 m，在清水中加入清洗劑，循環(huán)洗井[6]。在側(cè)鉆點(diǎn)以下100 m處打水泥塞，試壓合格后，下入一體式開(kāi)窗工具，一趟鉆完成工具的定向、坐掛、開(kāi)窗、修窗及領(lǐng)眼鉆進(jìn)工作。鉆進(jìn)過(guò)程用單牙輪鉆頭定向，PDC鉆頭穩(wěn)斜鉆進(jìn)。采用聚合物鉆井液體系，全井保持鉆井液動(dòng)塑比在0.5 Pa/mPa·s以上[7]，潤(rùn)滑劑加量保持在5%以上，以利于井眼清潔和減少摩阻。全井最大狗腿度10.1°/30 m，與設(shè)計(jì)較為接近。

1. 管柱下入可行性評(píng)價(jià)

管柱下入是G104-5P54CP1井關(guān)鍵，在井眼鉆井完成后，對(duì)入井管柱安全下入進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)依據(jù)鉆井手冊(cè)(甲方)推薦的公式：

套管最小曲率半徑

(1)

井眼最小屈服半徑

R0=5730/K

(2)

式中：R—套管最小曲率半徑，m;E—鋼材彈性模量，206×106kPa;D—套管外徑，cm;K1—鋼材抗彎安全系數(shù)，取1.8;K2—螺紋連接處的安全系數(shù)，取3.0;Yp—鋼材倔服強(qiáng)度，5.52×105kPa;R0—井眼最小曲率半徑，m;K—最大全角變化率，°/100 m。

根據(jù)G104-5P54CP1鉆井?dāng)?shù)據(jù)，造斜率10.1°/30 m；R0=172 m，R=89.57 m，R0≥R，可以下入?88.9 mm篩管。

2. 管柱下入前準(zhǔn)備

在管柱下入前，要進(jìn)行剛度相似性通井，即當(dāng)通井管柱剛性與下入管柱相當(dāng)或更高，則管柱可安全下入。根據(jù)鉆井手冊(cè)(甲方)推薦，應(yīng)用剛度對(duì)比法進(jìn)行下入管柱剛性對(duì)比:

(3)

式中：D挺—通井螺旋鉆鋌或螺旋扶正器外徑，mm;d挺—通井螺旋鉆鋌或螺旋扶正器內(nèi)徑，mm;D管—下入管柱外徑，mm;d管—下入管柱內(nèi)徑，mm。

根據(jù)剛度對(duì)比公式，本次通井采用?116 mm螺旋扶正器，與下入管柱剛性對(duì)比數(shù)值為1.3，管柱理論上可以下入。在實(shí)際操作中，G104-5P54CP1井采用外徑116 mm螺旋扶正器進(jìn)行三次通井，第一次采用一只?116 mm螺旋扶正器通井，第二次采用兩只?116 mm螺旋扶正器通井，第三次采用三只?116 mm螺旋扶正器通井。通井過(guò)程在阻力較大的井段反復(fù)上提下放，確保井眼暢通，第三次通井鉆具組合為：?118 mm牙輪+?116 mm扶正器+?105 mm鉆鋌1根+?116 mm扶正器+?105 mm鉆鋌1根+?116 mm扶正器+?105 mm鉆鋌1根+?73 mm加重鉆桿+?73 mm鉆具。

3. 小尺寸井眼固井

在下完管串后，按照施工程序，對(duì)地面固井管匯進(jìn)行35 MPa試壓，合格后連接施工管柱，用固井水泥車(chē)將壓力提升至10 MPa，以打開(kāi)膨脹封隔器，靜止3 min后，再次提升壓力至13 MPa，發(fā)現(xiàn)壓力下降，證明分接箍已經(jīng)打開(kāi)，開(kāi)泵，以鉆井正常排量的1/3進(jìn)行循環(huán)，等循環(huán)泵壓下降后，逐漸提高排量至正常排量2/3循環(huán),清洗井眼，準(zhǔn)備固井。

固井水泥漿采用雙凝水泥漿體系，并使兩者之間的稠化時(shí)間相差120 min以上，稠化時(shí)間化驗(yàn)溫度取接近地層靜止溫度值，漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)裸眼段高度的先導(dǎo)漿，水泥漿附加量按照理論計(jì)算量的100% 附加。整個(gè)固井施工過(guò)程順利，聲幅測(cè)井表明固井質(zhì)量為優(yōu)質(zhì)。

五、結(jié)論

(1)?139.7 mm小井眼側(cè)鉆井能夠通過(guò)頂部注水泥工藝實(shí)現(xiàn)油層段防砂和上部井段防水的工藝要求。

(2)小尺寸膨脹懸掛器、膨脹封隔器、分接箍工藝成熟，打開(kāi)壓力與設(shè)計(jì)一致。

(3)通過(guò)篩管下入可行性分析和下入篩管前進(jìn)行等剛度管柱通井，可以實(shí)現(xiàn)?88.9 mm防砂篩管的安全下入。

(4) G104-5P54CP1井成功應(yīng)用頂部注水泥工藝，施工過(guò)程順利，固井質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)，為油田?139.7 mm老井利用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。