川東北超深水平井壓井工藝技術(shù)

劉 偉,李 麗,木合塔爾,張曉東

(1.中石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院,四川德陽(yáng)618000;2.中國(guó)石油大學(xué)(北京),北京102249;3.西部鉆探工程有限公司,新疆克拉瑪依834009;4.中國(guó)石油勘探與生產(chǎn)分公司裝備處,北京100007)

川東北超深水平井壓井工藝技術(shù)

劉 偉1,2,李 麗1,木合塔爾3,張曉東4

(1.中石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院,四川德陽(yáng)618000;2.中國(guó)石油大學(xué)(北京),北京102249;3.西部鉆探工程有限公司,新疆克拉瑪依834009;4.中國(guó)石油勘探與生產(chǎn)分公司裝備處,北京100007)

川東北水平井具有井深、壓力高、產(chǎn)量大、含硫化氫等特點(diǎn),在鉆井和測(cè)試過(guò)程中經(jīng)常因氣量大或措施不當(dāng)需要進(jìn)行壓井施工。前期的壓井方式和施工工藝是針對(duì)不同工況下的直井,應(yīng)用于超深水平井的成功率不高。分析了川東北水平井在鉆井和測(cè)試過(guò)程中的壓井難點(diǎn),優(yōu)選出4種適合的壓井方式,并提出了適用工況和應(yīng)注意的問(wèn)題,為超深水平井安全、快速壓井提供了借鑒。通過(guò)在川東北HJ203H水平井的成功應(yīng)用表明,初步形成的水平井壓井工藝技術(shù)能夠滿足川東北超深水平井壓井需要。

水平井;壓井;工藝

Abstract:The characteristics of deep horizontal well in northeastern Sichuan include deep well depth,high pressure,high production and hydrogen sulfide content.Because of high gas quantity and improper measure in drilling and testing,well killing construction was needed.Erenow,well killing method and technology of horizontal well in different conditions was chosen on the basis of vertical well generally,so well killing success ratio was low.The analysis to the well killing difficulty in drilling and testing was carried on in four selected suitable well killing method with clear applicable condition and precautions.This work can provide reference for quick and safe horizontal well killing.The successful application in HJ203H of northeastern Sichuan showed that preliminary horizontal well killing technology can meet the well killing needs of ultra-deep horizontal well.

Key words:horizontal well;well killing;technology

川東北地區(qū)是中國(guó)石化重點(diǎn)勘探開(kāi)發(fā)區(qū)域,以海相地層為主要目的層,存在井深(＞5 000 m)、壓力高(＞110 MPa)、產(chǎn)量大(多口井無(wú)阻流量＞50×104m3/d)、含 H2S(嘉陵江組 H2S含量 1%)等特點(diǎn)[1],在鉆井和測(cè)試過(guò)程中經(jīng)常因氣量大或措施不當(dāng)而需要進(jìn)行壓井施工,河壩1、清溪1等井均進(jìn)行過(guò)壓井搶險(xiǎn)作業(yè)。

隨著定向井、水平井鉆井?dāng)?shù)量的日益增多以及儲(chǔ)層保護(hù)要求的逐步提高,出現(xiàn)井涌的幾率也越來(lái)越大,相應(yīng)的水平井壓井工藝還未完全配套,前期的壓井方式和施工工藝主要是針對(duì)不同工況下的直井,應(yīng)用于超深水平井壓井成功率不高。本文對(duì)川東北水平井在鉆井和測(cè)試過(guò)程中的壓井難點(diǎn)進(jìn)行了分析,優(yōu)選出4種適合于水平井的壓井方式。

1 水平井壓井難點(diǎn)分析

川東北深井主要目的層較深,與常規(guī)直井相比,水平井壓井難度大。

a) 水平井儲(chǔ)層泄流面積大,高壓力情況下壓井難度大。由于川東北多口井鉆遇高產(chǎn)天然氣流,HB區(qū)塊天然氣產(chǎn)量普遍＞100×104m3/d,完井油管尺寸 ＞?88.9 mm,完井套管或襯管尺寸＞?139.7 mm,相應(yīng)的完鉆井眼尺寸為?241.3 mm或 ?215.9 mm,地層壓力梯度 ＞2.0 MPa/100 m,最高為2.38 MPa/100 m。因此在高壓、高產(chǎn)情況下,水平井氣層泄流面積比常規(guī)直井大得多,壓井難度更大。

b) 水平段氣量和壓井液密度難以準(zhǔn)確確定。水平井段通常是螺旋形,甚至B靶點(diǎn)低于A靶點(diǎn),易使氣體圈閉在“頂部口袋中”[2]。對(duì)于襯管完井和裸眼完井的水平井,水平段氣量尤其是“頂部口袋中”積聚的高壓氣體很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè),起鉆過(guò)程中鉆具的抽吸作用容易造成溢流,必須要逐漸加重壓井液。

c) 套管強(qiáng)度低,地層漏失壓力低,井口壓力控制難度大。由于水平井完井尺寸大,相應(yīng)的套管尺寸較大,套管強(qiáng)度特別是抗內(nèi)壓強(qiáng)度低,施工時(shí)水平段承受的液柱壓力不相等,存在激動(dòng)壓力,井底更易漏失。因此需要綜合考慮套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度、地層漏失壓力、地面壓井設(shè)備能力等因素,以壓力最低值進(jìn)行壓井施工。

d) 海相地層含 H2S,壓井液密度大,易壓漏地層。由于 H2S的存在,壓井液密度均取高限,按0.15 g/cm3計(jì)算,5 000 m垂深壓力增加7.5 MPa,在密度窗口較窄地層易壓漏地層。

e) 壓井時(shí)需要管串下至水平段底部循環(huán)。常規(guī)直井壓井只需在儲(chǔ)層段循環(huán),而水平井進(jìn)入水平段循環(huán)也只能將管串底部以上井段的氣體循環(huán)出井,很難將管串底部至井底的氣體循環(huán)出來(lái)。在完成1個(gè)起下鉆周期后,水平段氣體將大量聚集,通過(guò)循環(huán)罐的體積難以監(jiān)測(cè),井涌風(fēng)險(xiǎn)大。

f) 水平位移增大,壓井過(guò)程中的漏失幾率越大。根據(jù)國(guó)內(nèi)高德利等人的研究成果[3]可知,進(jìn)入水平段后的地層破裂壓力不變,隨著水平位移的延伸,環(huán)空壓耗越來(lái)越大,井底漏失壓力也越大,越易壓漏地層。因此壓井液密度不能只按地層壓力附加1個(gè)系數(shù)進(jìn)行配制,還應(yīng)考慮水平段長(zhǎng)度和管串結(jié)構(gòu)等,防止井底發(fā)生漏失。

2 壓井方式優(yōu)選

壓井方法是關(guān)系到壓井成敗的關(guān)鍵。目前,國(guó)內(nèi)外的壓井方法分為常規(guī)壓井法與非常規(guī)壓井法。常規(guī)壓井法主要有司鉆法、工程師法、循環(huán)加重法等[4],在特殊情況下還使用立管壓力法、體積控制法、硬頂法等,普遍采用U形管壓力平衡理論進(jìn)行壓井施工。水平井具有儲(chǔ)層泄氣面積大、氣量大等特點(diǎn),壓井施工時(shí),需要對(duì)壓井方式進(jìn)行優(yōu)選,筆者通過(guò)調(diào)研川東北大斜度定向井、超深井壓井施工經(jīng)驗(yàn),提出了適合于水平井完井施工的壓井方式。

2.1 正常情況下

由于在水平井壓井過(guò)程中需要循環(huán)多次才能排出水平段中的氣體,在壓井過(guò)程中很難控制立壓的下降值。因此在正常情況下,建議用循環(huán)法對(duì)水平井壓井,循環(huán)時(shí)間較直井長(zhǎng)。循環(huán)壓井時(shí)不能將壓井液密度一次配制到位,應(yīng)逐步提高,防止壓井過(guò)程發(fā)生井底漏失。

2.2 特殊情況下[5]

在常規(guī)循環(huán)壓井難以湊效的特殊情況下,可選擇3種壓井方式。

a) 當(dāng)管柱下部刺漏、斷裂或測(cè)試時(shí)封隔器失封時(shí),首選建立循環(huán),采用循環(huán)法壓井。

b) 遇到管柱從中、上部斷裂時(shí),首選循環(huán)法壓井;若不能建立循環(huán),則通過(guò)放噴泄壓至35 MPa以?xún)?nèi),采用直推法壓井或套管內(nèi)置換法壓井。

c) 流體中含 H2S、嚴(yán)重井涌或無(wú)法開(kāi)采時(shí),應(yīng)考慮套管抗壓能力和地面泵注設(shè)備壓力情況,采用直推法壓井或循環(huán)壓井,進(jìn)入暫時(shí)封井步驟。

3 水平井壓井工藝技術(shù)

常用的水平井壓井方法主要有管串內(nèi)循環(huán)法壓井、管串內(nèi)直推法壓井、套管內(nèi)直推法壓井和套管內(nèi)置換法壓井4種方法。若在鉆井過(guò)程中壓井,井內(nèi)管串為鉆具;若在完井測(cè)試過(guò)程中壓井,井內(nèi)管串為油管串。

3.1 管串內(nèi)循環(huán)法壓井

管串內(nèi)循環(huán)法壓井是經(jīng)常采用的壓井方式,在能夠建立循環(huán)的情況下,首選管串內(nèi)循環(huán)法壓井。

a) 從鉆桿或油管內(nèi)注入壓井液,邊循環(huán)邊脫氣,直到油壓和套壓相等。

b) 調(diào)整壓井液密度,從管串內(nèi)注入,完成1～2個(gè)循環(huán)周期,直到油壓和套壓為零。

3.2 管串內(nèi)直推法壓井

管串內(nèi)直推法壓井的目的是將流體壓回地層。

a) 根據(jù)井內(nèi)體積計(jì)算壓井液用量。

b) 采用清水+CMC隔離液+壓井液+堵漏漿+壓井液的漿柱結(jié)構(gòu)。

c) 降低井口壓力至地面泵注設(shè)備許用壓力以下(川東北以35 MPa為限)。

d) 從管串內(nèi)正注清水→CMC→壓井液等,計(jì)算好施工用量,在壓井液剛進(jìn)入地層時(shí)結(jié)束泵注。

e) 若管串位于上部井段,壓井后將管串下至井底循環(huán)觀察,根據(jù)觀察結(jié)果確定下一步施工方案。

3.3 套管內(nèi)直推法壓井

3.3.1 施工條件和方案

a) 若管串從上部斷裂,井口壓力不高,環(huán)空壓井液自動(dòng)進(jìn)入斷裂部位以下,即井內(nèi)尚有較高液柱時(shí),按照管串內(nèi)直推法方案進(jìn)行壓井。施工中應(yīng)確保井口壓力小于套管承壓能力的80%,同時(shí)盡量保證井底回壓不超過(guò)地層破裂壓力。

b) 當(dāng)管串?dāng)嗔盐恢幂^深、斷裂處以上壓井液被噴空、井口壓力較高時(shí),調(diào)整壓井液密度,采用壓井液重漿+堵漏漿+壓井液漿柱結(jié)構(gòu)套管內(nèi)直推法壓井。

3.3.2 施工程序

a) 采取連續(xù)放噴降壓措施將井口壓力降至35MPa以下。

b) 向井內(nèi)連續(xù)注入設(shè)計(jì)壓井液。

c) 壓裂車(chē)操作人員連續(xù)觀察和報(bào)告施工壓力,并控制套壓小于套管抗內(nèi)壓的80%。

d) 若判斷地層漏失,則灌注堵漏漿。當(dāng)堵漏漿進(jìn)入氣層時(shí),降低注入排量至0.5 m3/min,并觀察壓力變化;當(dāng)堵漏漿被全部擠進(jìn)地層后,停泵觀察壓力變化并連續(xù)記錄壓力值。

e) 根據(jù)施工情況及時(shí)分析資料數(shù)據(jù),判斷井內(nèi)是否噴漏。

3.4 套管內(nèi)置換法壓井[6]

在管柱斷裂且斷裂位置較高、無(wú)法進(jìn)行有效循環(huán)、采用強(qiáng)制壓回法壓井井口操作壓力超過(guò)套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度時(shí),采用套管內(nèi)置換法壓井。

a) 控制套壓小于套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度的80%,向井內(nèi)灌注壓井液。

b) 當(dāng)井口壓力不能滿足要求時(shí),停泵關(guān)井,置換井內(nèi)壓井液。

c) 當(dāng)套壓達(dá)到規(guī)定值時(shí),開(kāi)井泄壓至35 MPa或噴口返漿后關(guān)井;當(dāng)套壓上升緩慢時(shí),開(kāi)井泄壓至零或噴口返漿后關(guān)套壓。施工中應(yīng)根據(jù)井內(nèi)情況添加堵漏漿和調(diào)整壓井液密度。

d) 重復(fù)上述步驟,施工中密切注意套壓情況,當(dāng)井口油、套壓均為零時(shí),表明壓井成功。

4 應(yīng)用實(shí)例分析

川東北 HJ203H井是針對(duì)嘉陵江組的一口超深水平井,完鉆井深5 767 m,水平段長(zhǎng)500 m,預(yù)測(cè)地層壓力1.94 MPa/100 m,鉆井液密度2.13～2.15 g/cm3,采用貫眼完井方式,水平段以上為?177.8 mm油層套管,水平段為?139.7 mm襯管。在鉆掃水泥塞及盲板后起鉆作業(yè)時(shí)發(fā)現(xiàn)溢流0.6 m3,井內(nèi)為700 m的?73 mm鉆桿,立即下鉆具,當(dāng)下入第3根鉆桿柱時(shí)返漿量增大涌出鉆臺(tái)及防噴器,關(guān)閉防噴器上半封閘板實(shí)施關(guān)井。管串底井深786.52 m,返出壓井液密度為2.15 g/cm3,總量7.38 m3(含下入3根鉆桿柱應(yīng)返壓井液0.41 m3)。關(guān)井后,套壓在10 min從零迅速上升至5.5 MPa,在7 min從5.5 MPa緩慢上升至6.5 MPa,到6.5 MPa時(shí)未繼續(xù)上升。根據(jù)井內(nèi)情況和水平井壓井特點(diǎn),采用2.4～2.5 g/cm3重漿+堵漏材料實(shí)施正循環(huán)壓井 ,排量0.25～0.4 m3/min,泵壓15～21 MPa,出口壓井液密度2.14～2.31 g/cm3,循環(huán)11 min后主放噴口點(diǎn)火成功,火焰高8～10 m,循環(huán)2 h后逐漸降至3～5 m,共泵入壓井液49 m3,返出39.38 m3,漏失9.62 m3。停泵后發(fā)現(xiàn)環(huán)空流體涌勢(shì)明顯,不具備下鉆具的條件。分析井內(nèi)情況發(fā)現(xiàn),在鉆具底部只能循環(huán)上部氣體,很難將鉆具以下井段進(jìn)行循環(huán)脫氣。改用壓回法進(jìn)行壓井,邊循環(huán)邊加大控制回壓造成井下微漏,讓重壓井液下行到目前鉆具以下2 000 m后再下鉆具,壓井液密度2.37～2.41 g/cm3,最高立壓16 MPa,套壓7.5 MPa,排量0.4 m3/min,循環(huán)2 h后井內(nèi)穩(wěn)定,立即下鉆具至水平段。采用循環(huán)法壓井解除了溢流情況。

5 結(jié)論

1) 建立在直井、定向井壓井工藝基礎(chǔ)上的川東北水平井壓井工藝技術(shù)雖然在多口井應(yīng)用成功,但需要足夠的重漿和清水儲(chǔ)備作保證。

2) 選擇合理的壓井方式有助于安全、快速壓井,將安全風(fēng)險(xiǎn)降至最低。

3) 水平井壓井應(yīng)以循環(huán)法壓井為首選,采取逐級(jí)加重方式,防止井底漏失后井噴。

4) 通井時(shí)應(yīng)下至水平段底部循環(huán),這一點(diǎn)與直井截然不同。

[1] 劉 偉,李 麗.通南巴深井優(yōu)快鉆井技術(shù)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2008,37(9):78-82.

[2] 王瑞娥,汪海閣.水平井壓井方法[J].鉆采工藝,2005,28(2):11-13.

[3] 覃成錦,高德利.南海流花大位移井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法[J].石油鉆采工藝,2006,28(1):13-14,28.

[4] 井控培訓(xùn)教材編寫(xiě)組.鉆井井控工藝技術(shù)[M].東營(yíng):中國(guó)石油大學(xué)出版社,2008.

[5] 雷宗明,李 強(qiáng).直推法壓井技術(shù)[J].天然氣工業(yè),2000,20(3):54-56.

[6] 李運(yùn)輝,黃 船,崔 進(jìn),等.置換法壓井技術(shù)在川東北河壩1井的成功應(yīng)用[J].油氣井測(cè)試,2008,17(4):45-46.

Well Killing Technology of Ultra-deep Horizontal Well in Northeastern Sichuan

LIU Wei1,2,LI Li1,MU HETAER3,ZHANG Xiao-dong4
(1.Engineering Technology Reserch Institute,Southwest Oil and Gas Branch Company of Sinopec,Deyang618000,China;2.China Univercity ofPetroleum(Beijing).Beijing102249,China;3.Western Drilling Engineering Company,Karamay834009,China;4.Petrochina Exploration and Production Company,Beijing100007,China)

TE355.6

B

1001-3482(2010)10-0089-04

2010-04-11

西南油氣分公司重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目“河壩區(qū)塊定向井鉆井工藝技術(shù)應(yīng)用研究”(GJ-109-0821)

劉 偉(1981-),男,四川成都人,工程師,在職碩士研究生,2003年畢業(yè)于成都理工大學(xué),現(xiàn)從事鉆、完井工程設(shè)計(jì)與科研工作,E-mail:liuw1999@163.com。