大位移井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

竇玉玲

(中石化勝利石油工程有限公司，山東 東營(yíng) 257017)

引 言

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一直受到鉆井工作者的關(guān)注，但是由于大位移井水平位移大、水垂比高，原有方法都不能很好地滿足大位移井的需要。本文針對(duì)大位移井的特殊性對(duì)其井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法展開(kāi)了探討。

1 大位移井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

首先，大位移井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要遵循傳統(tǒng)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本力學(xué)平衡關(guān)系，防止裸眼井段發(fā)生涌、漏、塌、卡、關(guān)井及井漏等情況[1－2]。其次，還需考慮大位移井的特殊要求，應(yīng)滿足井眼穩(wěn)定、攜巖、降低摩阻扭矩等方面的需要，為此，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)增加以下評(píng)價(jià)或相關(guān)校核。

1.1 水力性能評(píng)價(jià)

水力性能評(píng)價(jià)主要包括2個(gè)方面。

(1)評(píng)價(jià)給定井身結(jié)構(gòu)條件下現(xiàn)有設(shè)備能否保障井眼清潔，其主要評(píng)價(jià)指標(biāo)是系統(tǒng)壓耗。由于臨界排量(即能夠保證不形成巖屑床的最低排量)對(duì)環(huán)空間隙、井斜角比較敏感，因此套管尺寸和下入深度會(huì)影響臨界排量，如果臨界排量過(guò)高，會(huì)產(chǎn)生較高的泵壓，可能超出鉆井設(shè)備的承壓能力。約束方程如下:

式中:ps為實(shí)現(xiàn)井眼清潔對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)壓耗，MPa;prpump為泵的額定壓力，MPa;prpipeline為管線額定壓力，MPa;n為安全系數(shù)。

預(yù)計(jì)的系統(tǒng)壓耗應(yīng)小于設(shè)備和管線的額定壓力，并考慮一定的安全系數(shù)，安全系數(shù)的取值應(yīng)考慮鉆井設(shè)備的實(shí)際承壓能力。

(2)在保證井眼清潔的基礎(chǔ)上評(píng)價(jià)鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度(ECD)是否低于地層破裂壓力。大位移井大斜度井段的特點(diǎn)是垂深變化小且裸眼井段長(zhǎng)，因此，與直井相比環(huán)空壓耗的影響就不容忽視，特別是在淺層超大位移水平井中，地層埋深淺，地層破裂壓力低，鉆井過(guò)程中需要密切關(guān)注ECD值，必須確保ECD值低于地層破裂壓力，以免壓漏地層。校核約束方程如下:

式中:ECD為鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度，g/cm3;pf為地層破裂壓力當(dāng)量密度，g/cm3。

由式(2)可見(jiàn)，ECD值可能會(huì)限制大位移井的套管下入深度。為了降低ECD值，有些情況下井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不得不增加大尺寸套管的下入深度，或者減小套管壁厚[6]。

1.2 扭矩極限校核

按照傳統(tǒng)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法確定初始方案后，應(yīng)對(duì)每一開(kāi)次鉆井各工況進(jìn)行受力模擬，如果較大井眼尺寸需要鉆達(dá)的井深過(guò)深，可能導(dǎo)致鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的扭矩超過(guò)鉆機(jī)、頂驅(qū)或鉆桿的抗扭極限。這時(shí)可能需要進(jìn)入下一開(kāi)次，采用外徑小一個(gè)級(jí)別的鉆具。扭矩極限校核約束方程如下:

式中:Tmax為鉆進(jìn)或下套管過(guò)程中可能產(chǎn)生的最大扭矩，kN·m;Tlimit為設(shè)備、鉆柱所能承受的最高扭矩，kN·m。

1.3 井眼穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

保證井眼穩(wěn)定可以從多方面做工作，如基于地應(yīng)力分析推薦保證井壁穩(wěn)定的鉆井液密度，優(yōu)選鉆井液體系保障井壁穩(wěn)定等，即便如此，如果裸眼井段過(guò)長(zhǎng)，在鉆井過(guò)程中也難免發(fā)生井壁失穩(wěn)[7]，因此應(yīng)該對(duì)井壁穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)在設(shè)定鉆速情況下鉆穿整個(gè)裸眼井段，井壁穩(wěn)定是否可以控制在可接受的范圍內(nèi)。約束方程如下:

式中:CALmax為預(yù)計(jì)的最大井徑擴(kuò)大率，%;CALlimit為可以接受的最大井徑擴(kuò)大率，%。

井徑預(yù)測(cè)可以通過(guò)分析一個(gè)區(qū)塊的地應(yīng)力條件、地層坍塌周期來(lái)得到，可以接受的最大井徑擴(kuò)大率與施工隊(duì)伍的技術(shù)裝備相關(guān)，目前石油行業(yè)內(nèi)還沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，考慮到井徑擴(kuò)大后容易形成“大肚子”井眼，造成坍塌卡鉆、巖屑堆積、影響固井質(zhì)量等后果，因此井徑不宜太高。

1.4 套管下入可行性評(píng)價(jià)

由于大位移井套管下入過(guò)程中摩阻扭矩較高，套管能否成功下入十分關(guān)鍵。根據(jù)力學(xué)平衡方程確定套管下深后，應(yīng)根據(jù)鄰井經(jīng)驗(yàn)確定下套管過(guò)程中井眼內(nèi)摩擦系數(shù)，并模擬下套管過(guò)程。約束方程如下:

式中:CRHLmin為套管下入過(guò)程中最小大鉤載荷，kN。

為了保證套管可下入，可以考慮降低套管質(zhì)量(減小壁厚，必須進(jìn)行完整性評(píng)價(jià))、上重下輕的套管柱組合(大尺寸+小尺寸、大壁厚+小壁厚，需要考慮是否受到完井或修井的限制、是否受到ECD值的限制)、采用鉆鋌送入、套管漂浮技術(shù)等，盡量通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)保證套管下至設(shè)計(jì)井深，實(shí)在難以下至設(shè)計(jì)井深時(shí)再考慮修改套管下深。有些情況下，為了保證套管能夠下至設(shè)計(jì)井深，可能需要加深上層套管的下入深度。

綜上所述，大位移井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遵循的基本原則、設(shè)計(jì)依據(jù)與傳統(tǒng)的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法相同，但鑒于其位移大、水垂比高等特點(diǎn)，應(yīng)該在傳統(tǒng)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上增加相關(guān)校核?；舅悸啡鐖D1。

圖1 大位移井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

2 實(shí)例

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，對(duì)勝利油田某口大位移井的井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，井眼軌道設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

首先，按照傳統(tǒng)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)參數(shù)取值:抽汲壓力當(dāng)量鉆井液密度為0.04 g/cm3，地層破裂壓力當(dāng)量鉆井液密度安全允許值為0.03 g/cm3，溢流允許值為0.1 g/cm3，正常壓力地層壓差卡鉆臨界值為15 MPa，異常壓力地層壓差卡鉆臨界值為20 MPa，設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 井眼軌道數(shù)據(jù)

表2 井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

然后，按圖1所示思路對(duì)井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)。分析發(fā)現(xiàn)水力性能、扭矩、井眼穩(wěn)定均不存在問(wèn)題，但套管下入存在問(wèn)題，如圖2。對(duì)套管內(nèi)摩擦系數(shù)取 0.1、0.2，裸眼摩擦系數(shù)分別取 0.2、0.3、0.4、0.5的套管下入情況進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，只有在套管內(nèi)摩擦系數(shù)取0.1、裸眼摩擦系數(shù)取0.2時(shí)套管才能下入，但在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)水平下，很難保證如此低的摩擦系數(shù)，因此需要對(duì)井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。

圖2 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法二開(kāi)套管下入分析

井身結(jié)構(gòu)調(diào)整方案:增加一層技術(shù)套管，下深為1800 m，三開(kāi)下入?139.7 mm尾管。然后根據(jù)圖1設(shè)計(jì)思路對(duì)調(diào)整后的井身結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行重新評(píng)估。首先對(duì)二開(kāi)?311.2 mm井眼鉆深1800 m，?244.5 mm套管下深1800 m進(jìn)行評(píng)估，分析表明水力性能、扭矩、井眼穩(wěn)定、套管下入各方面均無(wú)問(wèn)題，因?yàn)槎_(kāi)難度較低，校核過(guò)程省略。然后對(duì)三開(kāi)進(jìn)行評(píng)價(jià):三開(kāi)鉆井液密度為1.15 g/cm3，機(jī)械鉆速為20 m/h，計(jì)算得臨界排量為34 L/s，臨界排量對(duì)應(yīng)的ECD值為1.41 g/cm3，低于地層破裂壓力;臨界排量對(duì)應(yīng)的泵壓為24 MPa，滿足設(shè)備承壓能力要求;套管內(nèi)摩擦系數(shù)取0.2、裸眼內(nèi)摩擦系數(shù)取0.4時(shí)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)最高扭矩為32 kN·m，低于設(shè)備和鉆柱的扭矩極限;技術(shù)套管密封了易坍塌地層，且縮短了三開(kāi)裸眼井段，井壁穩(wěn)定不存在問(wèn)題;在套管內(nèi)摩擦系數(shù)為0.2、裸眼內(nèi)摩擦系數(shù)為0.5的情況下，尾管可下入。分析結(jié)果如圖3、4。

圖3 調(diào)整方案三開(kāi)尾管下入分析

圖4 三開(kāi)校核

3 認(rèn)識(shí)與結(jié)論

(1)傳統(tǒng)的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原理(方法)同樣適用于大位移井，但應(yīng)針對(duì)大位移井特點(diǎn)，在傳統(tǒng)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上增加水力性能、扭矩極限、井眼穩(wěn)定性、套管下入可行性等相關(guān)評(píng)價(jià)，以便更加符合大位移井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(2)在大位移井鉆井過(guò)程中，水力性能、摩阻扭矩、井眼穩(wěn)定等影響因素是多方面的，井身結(jié)構(gòu)只是其中的一個(gè)方面，應(yīng)該首先嘗試優(yōu)化、優(yōu)選其他影響因素，比如鉆井液性能、鉆具組合、下套管工藝等，最后再考慮修正井身結(jié)構(gòu)。

(3)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)僅僅是大位移井整個(gè)鉆井工程設(shè)計(jì)的一部分內(nèi)容，其設(shè)計(jì)結(jié)果必然影響其他設(shè)計(jì)內(nèi)容，也必然會(huì)受到其他設(shè)計(jì)內(nèi)容的制約，因此大位移井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要從全局出發(fā)，反復(fù)論證。

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