摘" " 要：隨著海上油氣田大規(guī)模開發(fā)調(diào)整，套損井?dāng)?shù)量劇增，受地質(zhì)和工程影響，渤海灣內(nèi)有多口井發(fā)生過套管剮蹭或碰撞事故。擠注水泥漿封堵套損井，鉆塞過程極易造成套管開窗或井眼丟失，且施工難度大，成為制約套損井修復(fù)的技術(shù)難題。結(jié)合保徑導(dǎo)向擴(kuò)孔技術(shù)和套損井導(dǎo)向打通道技術(shù)的特點(diǎn)，提出了套管內(nèi)保徑鉆塞技術(shù)，能有效解決上述難題。以X97井為例，通過理論計(jì)算，確定了鉆塞工藝管柱的組合形式、鉆頭/磨鞋的規(guī)格、鉆鋌/扶正器長度、施工參數(shù)等，并在現(xiàn)場得以應(yīng)用，避免了鉆塞開窗或?qū)μ坠芷茡p段二次損傷的風(fēng)險(xiǎn)，解決了套損井段鉆塞的難題，驗(yàn)證了套管內(nèi)保徑鉆塞技術(shù)的可行性，也為其他套損井的鉆塞施工提供了參考。

關(guān)鍵詞：套損井；擠注封堵；保徑鉆塞；工藝管柱；可行性

Research and application of gauge-protected drilling plug technology in casing"damage well treatment

TANG Jia

Tianjin Branch of CNPC Offshore Engineering Company Limited， Tianjin 300451， China

Abstract：The large-scale development and adjustment of offshore oil and gas fields has induced a dramatic increase in casing damage wells， and many wells in Bohai Bay have had casing scraping or collision due to geological and engineering influences. After casing damage wells are plugged by squeezing cement slurry， casing window opening or wellbore loss easily caused by drilling plug and a difficult construction both form technical problems restricting the repair of casing damage wells. Combined with the characteristics of gauge-protected and directional reaming technology and directional channeling in casing damage wells technology， the gauge-protected drilling plug technology in casing is proposed to effectively solve the problems above. This paper takes Well X97 as an example and determines the combination type， drill collar length and construction parameters of the drilling pipe string.The risk of window opening and the difficulty in casing damage well drilling are avoided and solved respectively after applying the calculation results in the field. It verifies the feasibility of the gauge-protected drilling plug technology and offers a reference to other conditions in casing damage wells.

Keywords：casing damage well; squeezing plugging; gauge-protected drilling plug; pipe string; viability

隨著海上油氣田大規(guī)模開發(fā)調(diào)整和勘探開發(fā)的不斷深入，油田開采中后期的地層流體和壓力系統(tǒng)發(fā)生了改變，加之地質(zhì)活動、地層滑移、層間壓差、泥巖吸水膨脹、井下措施作業(yè)、注水、注氣、腐蝕等因素影響，油水井套管狀況日益惡化，套損井?dāng)?shù)量逐年遞增，出現(xiàn)了變形、破裂、穿孔、錯(cuò)斷等套管損壞問題[1]。在一些叢式井的鉆井作業(yè)中，發(fā)生了套管剮蹭或碰撞事故。

套管損壞后，對注采井網(wǎng)造成了一定的破壞，給油田穩(wěn)產(chǎn)帶來了嚴(yán)重威脅，一般需要采取相關(guān)的工藝措施，對套管進(jìn)行修復(fù)、修整，以恢復(fù)井筒完整性。

在套損井治理過程中，根據(jù)套損類型、嚴(yán)重程度、井況等的不同，應(yīng)選擇最優(yōu)的治理修復(fù)方式，常用的修復(fù)工藝有：取換套、擠水泥漿封堵、下小套管固井、套管補(bǔ)貼等[2]。其中，擠水泥漿封堵是最常見的堵漏或套管修復(fù)工藝，該方法既不會改變井筒通徑，又有著施工方式簡單、易操作、成本低的優(yōu)點(diǎn)，在中深井的復(fù)雜井大修處理中應(yīng)用廣泛。

1" " 套損井鉆塞難點(diǎn)

擠水泥漿封堵套損井段后，一般使用磨鞋、鉆頭等恢復(fù)井筒完整性。部分套損井因套損程度或井況的復(fù)雜性，鉆塞施工難度大，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

一方面，對于錯(cuò)斷、長井段套損變形、落魚與套損點(diǎn)重合、井斜角變化率較大的套損井，由于打通道手段單一，極易造成套管開窗或井眼丟失，施工難度大，這也是制約套損井修復(fù)的主要技術(shù)難題[3]。套損井封堵后，傳統(tǒng)的鉆塞工藝主要依靠磨銑打通道、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)引式銑錐找打通道等技術(shù)，采用找眼、擴(kuò)徑和取直等工藝管柱形式，在嚴(yán)重變形井段或斜井段施工容易形成套管外開窗，造成施工復(fù)雜化。如W7-24井，最大井斜46.88?，在處理780 m處套管縮徑問題時(shí)采用磨鞋磨銑，穿出套管、脫離原磨銑軌跡，致使此處套管破損愈加嚴(yán)重，造成修復(fù)失敗。

另一方面，對于套損點(diǎn)出砂嚴(yán)重的井，治理難度大，施工風(fēng)險(xiǎn)高。出砂套管彎曲井應(yīng)選用合適的封堵體系，水泥漿擠注地層后，為避免地層砂再次侵入井筒，在進(jìn)行打通道施工時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)的固砂措施，選取合適的修井液體系和施工參數(shù)。對于漏失量較大、擠入壓力低、管外虧空較大的可以采用先填砂后擠水泥漿或者添加觸變水泥漿堵劑、高水膨脹劑等化學(xué)藥劑，可以獲得比較明顯的效果。

2" " 套損井案例

X97井是渤海灣的一口定向井，造斜井段：904～1 303.38 m，使用?177.8 mm套管完井，油層套管外水泥返深至1 025 m，掛濾防砂，下入電泵生產(chǎn)管柱投產(chǎn)，該井井身結(jié)構(gòu)見表1。

鄰井（X98井）在鉆進(jìn)過程中，與正在生產(chǎn)的X97井在1 160 m附近發(fā)生碰撞。

起出X97井內(nèi)生產(chǎn)管柱，發(fā)現(xiàn)油管在1 159 m處串?dāng)啵瑪嗝娉市卞F形狀，有明顯的鉆頭切痕，如圖1所示。下入油管實(shí)施沖洗，至1 160 m處無法通過，分析此處為套管被開窗的窗底位置，且此處為造斜井段，油管在下放時(shí)不能順著套管的彎曲軌跡下行，從套管開窗口直插入地層中。更換?89 mm鉆桿，探得下部套管段內(nèi)填滿地層砂石，注水泥漿封堵，臨時(shí)棄置，如圖2所示。

根據(jù)碰撞井情況，分析該井施工主要有以下幾個(gè)難點(diǎn)。

1）套管破損情況未知，根據(jù)鉆井?dāng)?shù)據(jù)分析，預(yù)測套管出現(xiàn)刮擦/破損段為1 150.77～1 160.12 m，長達(dá)9.35 m，而且可能出現(xiàn)套管錯(cuò)斷的情況。

2）破損的套管留井時(shí)間長，可能出現(xiàn)銹蝕或變形，造斜井段受地質(zhì)構(gòu)造影響，地層砂石、固結(jié)的水泥塊再次進(jìn)入井筒，造成井眼的丟失。

3）套管被鉆穿后，套管碎片、地層的水泥、砂石、施工用的水泥漿等固相物質(zhì)侵入井筒，極有可能多點(diǎn)遇卡或卡死，增加打撈難度。

4）套管破損井段為造斜段，該處井段鉆井井徑極大。受套管破損影響，鉆塞過程中亦存在井眼丟失風(fēng)險(xiǎn)。

5）井眼暢通后，需對套損處進(jìn)行有效封堵。留井有諸多大直徑工具，如電泵機(jī)組、防砂封隔器等，若封堵后導(dǎo)致井筒縮頸，會嚴(yán)重影響大修打撈效果。

為了保證井筒通徑成功，為大修打撈創(chuàng)造有利條件，保障井筒整體承壓效果，該井計(jì)劃鉆穿水泥塞后，使用觸變水泥漿堵劑和超細(xì)水泥，采用擠水泥漿工藝封堵套損井段，多次擠注、超壓封堵，之后再次進(jìn)行鉆塞作業(yè)暢通井眼。該方案既保障了井筒整體承壓效果，確保井控安全，又不會造成井筒的縮頸，給后期大修打撈作業(yè)提供了一定的作業(yè)空間。

該井套損位置處于造斜井段，修復(fù)套損井段過程中，如何避免鉆塞開窗或?qū)μ坠芷茡p段的二次損傷，成為該井施工的一個(gè)重要技術(shù)難題。

3" " 保徑鉆塞技術(shù)研究

修復(fù)套損井段過程中，為了防止套管開窗和卡鉆現(xiàn)象的發(fā)生，一般可采用以下兩種方式：其一，在擠水泥漿封堵套損井段之前，套損井段預(yù)留示蹤管柱至下部完好套管段，注水泥漿封堵后，邊鉆塞邊收魚，該施工方法的工序較為繁瑣，入井工具的規(guī)格、尺寸需要特制；其二，鉆塞過程中使用強(qiáng)制扶正鉆具組合，應(yīng)用保徑鉆塞技術(shù)，避免鉆塞開窗[4]。

保徑鉆塞技術(shù)結(jié)合了鉆井保徑導(dǎo)向擴(kuò)孔技術(shù)和套損井導(dǎo)向打通道技術(shù)特點(diǎn)，主要適用于套管局部破損并且已擠注水泥漿封堵的套損井，該技術(shù)能有效避免鉆塞開窗或?qū)μ坠芷茡p段的二次損傷，保徑鉆塞效果如圖3所示。

保徑鉆塞技術(shù)使用大直徑剛性扶正器和導(dǎo)向型打通道工具組合，先使用磨鞋領(lǐng)眼，后使用銑錐擴(kuò)眼。在現(xiàn)場施工中，保徑鉆塞技術(shù)主要考慮鉆具組合形式、鉆頭/磨鞋選取、鉆鋌/扶正器長度確定、鉆壓控制等內(nèi)容。

4" " 現(xiàn)場應(yīng)用

結(jié)合該井鉆井井史情況，主要在鉆鋌長度、鉆壓控制、排量選取等方面進(jìn)行分析計(jì)算[5]，確定最終的施工工藝參數(shù)。

4.1" " 鉆具組合確定

鉆壓的作用使下部鉆柱受壓縮，當(dāng)壓力達(dá)到鉆柱的臨界壓力，鉆柱將失去直線穩(wěn)定狀態(tài)而發(fā)生彎曲并與井壁接觸，壓力較大時(shí)可能發(fā)生多次彎曲。因此，在下部鉆具組合中使用大直徑鉆鋌，一是滿足所需鉆壓的要求；二是能提高磨鞋附近鉆柱的剛度；三是鉆鋌和井壁的間隙較小，可減少連接部分的疲勞破壞；四是有利于防斜。

分析該井情況，為避免鉆塞過程中造成套管開窗，鉆具底部應(yīng)選用剛性較強(qiáng)、直徑較小的鉆鋌，上部應(yīng)選用大直徑剛性扶正器的鉆具組合，能夠有效保障鉆具與井筒的同心。

最終選用的鉆具組合自上而下為：?89 mm鉆桿+?121 mm鉆鋌+?154 mm螺旋扶正器+?105 mm鉆鋌+?116 mm磨鞋。

4.2" " 磨鞋選擇

對比平底磨鞋、五刃磨鞋、六棱磨鞋、錐形磨鞋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，套管井段的鉆塞宜選取底部呈錐形且具有導(dǎo)向功能的磨鞋，該井鉆塞施工選用六棱磨鞋或錐形磨鞋。

4.3" " 鉆鋌長度選取

X97井套管內(nèi)徑為159.42 mm，鉆具規(guī)格參數(shù)見表2，套損井段附近的定向數(shù)據(jù)見表3。

使用上述組合形式鉆具，鉆塞工況下，底部鉆鋌越長，磨鞋越容易剮蹭到套管井壁。使用 ?154 mm螺旋扶正器作為剛性強(qiáng)制扶正工具，考慮螺旋扶正器在井筒內(nèi)極限貼邊的情況下，磨鞋剮蹭到井壁時(shí)計(jì)算出的底部鉆鋌長度即為可選取的最大值[6]。

為此，建立平面模型，按照剛性鉆鋌不發(fā)生彎曲的情況，考慮螺旋扶正器貼近井壁的兩種情況，計(jì)算該井所允許使用的底部鉆鋌長度。

1）螺旋扶正器上端貼近井筒高邊，下端貼近井筒低邊的情況。設(shè)定套管內(nèi)徑為d，鉆鋌長度為L（m）、直徑為D，螺旋扶正器長度為L1、直徑為D1（mm），磨鞋長度為L2（m）、直徑為D2（mm），螺旋扶正器底端井斜角為α（?），磨鞋處井斜角為β（?），見圖4（a），得到以下計(jì)算公式：

[tanβ-α2=tan12×α+L28.89-α=tanL57.78=D1-D2L+L2]" （ 1 ）

取α=13.1°，帶入該井?dāng)?shù)據(jù)，可以得出Lmax=5.42 m。

2）螺旋扶正器上端貼近井筒低邊，下端貼近井筒高邊的情況。隨著井深增加井斜角逐漸變大，螺旋扶正器的彎曲角度與井斜角變化基調(diào)一致，鉆鋌的長度應(yīng)更大，見圖4（b），此處不再進(jìn)行計(jì)算。

綜上，鉆鋌長度小于5.42 m時(shí)，磨鞋不會與套管發(fā)生刮擦，因此，施工選取?105 mm鉆鋌的長度為4.90 m，分兩次鉆塞，逐步通過套損井段。

4.4" " 鉆壓控制

在鉆柱設(shè)計(jì)中，若中性點(diǎn)始終落在剛度大、抗彎能力強(qiáng)的鉆鋌上，便可使得鉆桿一直處于受拉伸的直線穩(wěn)定狀態(tài)，以免鉆桿受壓彎曲和受交變應(yīng)力的作用[7]。

該井的鉆塞管柱設(shè)計(jì)，將中性點(diǎn)落在剛性較強(qiáng)的螺旋扶正器和鉆鋌中，管柱的線比重見表4。

中性點(diǎn)計(jì)算公式：

[W=ρ鋼-ρ液ρ鋼×cosβ×λH] （ 2 ）

式中：W為鉆壓，kN；ρ鋼為管柱鋼材密度，g/cm3；ρ液為工作液密度，g/cm3；β為磨鞋處井斜角，（?）；λ為鉆具的線比重，kN/m；H為鉆具的長度，m。

鉆具設(shè)計(jì)使用?121 mm鉆鋌3根，計(jì)算得到允許鉆壓W=31kN。鉆塞施工選取鉆壓20～30 kN，可以滿足中性點(diǎn)落在剛性鉆鋌上的要求。

4.5" " 鉆塞排量選取

固相顆粒的大小對鉆塞排量的選取起著決定性作用。水泥石在水中的自由沉降速度見表5，在鉆水泥塞過程中，若排量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，常常會發(fā)生卡鉆的情況，導(dǎo)致井下鉆具被卡、被埋，使得井況更加復(fù)雜，因此需要對鉆塞排量進(jìn)行水力學(xué)計(jì)算，才能有效預(yù)防卡鉆事故，提高鉆塞施工成功率。

試驗(yàn)證明，保證將水泥顆粒帶出地面的條件為：

Vmin= 2 × Vd" （ 3 ）

式中：Vmin為工作液上返速度，m/s；Vd為水泥顆粒在靜止工作液中的自由下沉速度，m/s。

鉆塞施工時(shí)所需的最低排量Qmin（m3/h）：

Qmin=3 600×S環(huán)空×Vmin （ 4 ）

式中：S環(huán)空為環(huán)空截面積，m2。

在控制鉆壓情況下，使用六棱磨鞋或錐形磨鞋鉆水泥塞，形成的固相顆粒粒徑約為0.8～1.2 mm。以1.04 mm的水泥顆粒為例，使用?350 mm泥漿傘、F35-70防噴器，通過水力學(xué)計(jì)算得出，鉆塞施工最低排量為60.63 m3/h，見表6。鉆塞作業(yè)中，應(yīng)保證施工排量不低于此數(shù)值。

4.6" " 實(shí)際鉆塞過程

1）下鉆塞管柱，管柱結(jié)構(gòu)自下而上為：0.28 m MX-116六棱磨鞋+?105 mm × 4.90 m鉆鋌+0.16 m變扣+?154 mm × 9.39 m螺旋扶正器（見圖5）+?121 mm × 28.50 m鉆鋌+?89 mm × 1 108.95 m正扣鉆桿116根，緩慢下放管柱，加壓至20 kN復(fù)探3次，核實(shí)水泥塞面深度：1 155 m。

2）鉆塞施工，鉆壓：10～15 kN，轉(zhuǎn)速（5.5～6.1 kN·m）：60 r/min，排量：62 m3/h，泵壓：6.3～7.0 MPa，鉆磨井段：1 155～1 160 m，進(jìn)尺：5 m，出口過振動篩返出細(xì)碎水泥顆粒、巖屑（見圖6），每進(jìn)尺1 m反復(fù)劃眼2次，直至不阻不掛。

3）起出鉆塞管柱，下擴(kuò)眼管柱，管柱結(jié)構(gòu)自下而上為：1.00 m XZ-154銑錐+?121 mm × 9.50 m鉆鋌1根+?154 mm × 9.39 m螺旋扶正器+?89 mm × 1 147.00 m正扣鉆桿120根，加壓至20 kN復(fù)探3次，核實(shí)塞面深度：1 156.86 m，擴(kuò)眼井段：1 156.86～1 160 m，出口返出細(xì)碎水泥顆粒及少量細(xì)鐵屑過振動篩。

4）重復(fù)步驟2和步驟3，完成1 160～1 165 m井段鉆塞施工。

至此，順利完成了該井套損井段的鉆塞處理，保徑鉆塞技術(shù)在該井得以成功應(yīng)用，沒有出現(xiàn)鉆塞開窗的情況，驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性。

5" " 結(jié)論

1）保徑鉆塞技術(shù)在套損井的鉆塞施工中有著良好的應(yīng)用效果，使用大直徑扶正工具和導(dǎo)向型打通道鉆具組合，先領(lǐng)眼后擴(kuò)眼，能夠有效避免對套管破損段的損傷或鉆塞造成開窗。

2）錐形磨鞋、六棱磨鞋在保徑鉆塞、領(lǐng)眼打通道等方面有著良好的應(yīng)用效果。

3）針對套損段井長、井斜角變化率大的套損井，選用的底部鉆鋌組合不宜過長，應(yīng)準(zhǔn)確計(jì)算，避免剮蹭套管。

4）井斜方位角變化大、井眼彎曲不規(guī)則的套損井，還應(yīng)考慮鉆鋌在井筒內(nèi)的屈曲形變和鉆塞過程中扭矩對其產(chǎn)生的影響。

參考文獻(xiàn)

[1]" 孫鵬. 遼河油田注蒸汽井套管損壞機(jī)理分析[D].北京：中國石油大學(xué)（ 北京 ），2018.

[2]" 楊麗秋. 套損成因及防治技術(shù)[J].化學(xué)工程與裝備，2023（4）：104-105.

[3]" 劉士軍，熊英，孔翠龍，等.大慶油田套損原因及治理對策探討[J].內(nèi)蒙古石油化工，2015，41（3）：103-104，117.

[4]" 何玉云，王發(fā)民.保徑導(dǎo)向擴(kuò)孔鉆頭的設(shè)計(jì)及其工程應(yīng)用[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2019，46（11）：50-53.

[5]" 張?jiān)婪?，王根柱，臧孝宇，?SH-1x井完井鉆塞技術(shù)難點(diǎn)與對策[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2019，39（13）：243-244.

[6]" 向幸運(yùn).鉆柱屈曲特性模擬及影響因素分析[D].成都：西南石油大學(xué)，2016.

[7]" 龐東曉，盧齊，鄧虎，等.考慮扭矩影響的彎曲井眼內(nèi)鉆柱屈曲特性分析[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，43（4）：71-80.

基金項(xiàng)目：

中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司科技項(xiàng)目“海上隱患井治理提速提效工具研究”（202402-0201）。

作者簡介：

唐" " 佳（1978—），男，河北固安人，高級工程師，2000年畢業(yè)于天津科技大學(xué)化工工藝專業(yè)，現(xiàn)主要從事海上井筒完整性改造作業(yè)。Email：tangjia.cpoe@cnpc.com.cn

收稿日期：2024-02-27