海上單通道井鉆完井技術(shù)研究及應(yīng)用

張海山 曹 磊 宮吉澤 李舜水

(中海石油(中國(guó))有限公司上海分公司 上海 200030)

張海山，曹磊，宮吉澤，等.海上單通道井鉆完井技術(shù)研究及應(yīng)用［J］.中國(guó)海上油氣，2015，27(5)：88-92.

東海平北地區(qū)斷塊發(fā)育，近年來(lái)在該地區(qū)發(fā)現(xiàn)了一大批具有油氣儲(chǔ)量小、油藏豐度低、單井產(chǎn)能低等特點(diǎn)的邊際油氣田。開(kāi)發(fā)上述邊際油氣田須布置較多的生產(chǎn)井，應(yīng)用常規(guī)的鉆完井技術(shù)難以達(dá)到經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)要求。單通道井一般采用小的井眼尺寸、簡(jiǎn)化的井身結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)管柱設(shè)計(jì)，消耗材料少、占用鉆機(jī)時(shí)間少，能最大限度降低鉆完井費(fèi)用，可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)此類(lèi)邊際油氣田［1-3］。國(guó)內(nèi)外已有多個(gè)地區(qū)成功應(yīng)用單通道井鉆完井技術(shù)并取得了顯著經(jīng)濟(jì)效益，如泰國(guó)灣地區(qū)、卡塔爾North氣田、中國(guó)長(zhǎng)慶蘇里格氣田和中國(guó)松南地區(qū)后五家戶(hù)氣田等［4］。從應(yīng)用情況來(lái)看，單通道井鉆完井技術(shù)一般應(yīng)用于氣田，特別是具有產(chǎn)能低、井壁穩(wěn)定性好、無(wú)須防砂的氣田［4］。國(guó)內(nèi)海上油氣田開(kāi)發(fā)僅有部分油氣田采用小井眼側(cè)鉆工藝，尚未應(yīng)用單通道井鉆完井技術(shù)［5］。因此，研究單通道井鉆完井技術(shù)對(duì)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)海上中小型油氣田和邊際油氣田有著重要意義。本文以東海某油氣田開(kāi)發(fā)為例，結(jié)合海上鉆完井技術(shù)，從井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、油套管一體化管柱工藝技術(shù)、固井生產(chǎn)管柱清潔控制技術(shù)、小尺寸深穿透射孔技術(shù)等方面開(kāi)展研究，形成了一套海上單通道井鉆完井技術(shù)，大幅降低了作業(yè)成本，可為類(lèi)似中小型油氣田和邊際油氣田開(kāi)發(fā)提供借鑒。

1 單通道井鉆完井技術(shù)難點(diǎn)

單通道井鉆完井技術(shù)的主要難點(diǎn)表現(xiàn)在：

1)單通道井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求高，須綜合評(píng)估縮小井眼尺寸后對(duì)井壁穩(wěn)定、機(jī)械鉆速、氣井產(chǎn)能和工期費(fèi)用等的影響規(guī)律。

2)單通道井通徑尺寸較小(一般不大于76 mm)，射孔作業(yè)易發(fā)生阻掛，小尺寸管柱通徑要求較高，海上常規(guī)井下工具和管柱內(nèi)徑不統(tǒng)一，因此須改進(jìn)井下工具，設(shè)計(jì)安全經(jīng)濟(jì)的單通道井完井管柱。

3)單通道井固井小尺寸管柱難以刮管，管柱內(nèi)壁清潔要求較高；小井眼固井水泥漿量較小，頂替量不易控制；水泥漿附加量和計(jì)算量存在誤差，控制難度大，需從固井設(shè)計(jì)、工具和施工工藝等方面進(jìn)行改進(jìn)，確保管柱內(nèi)壁清潔，保障射孔作業(yè)的順利。

4)單通道井僅能使用小直徑射孔器進(jìn)行射孔完井，而國(guó)內(nèi)現(xiàn)有小直徑射孔器存在射孔穿深不足、射孔效果不確定等問(wèn)題，將影響單通道井的產(chǎn)能，因此須研制新型射孔器，滿(mǎn)足小尺寸管柱射孔要求。

2 關(guān)鍵技術(shù)和工藝措施

2.1 單通道井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

2.1.1 井眼尺寸敏感性分析

1)井眼尺寸對(duì)井壁穩(wěn)定的影響規(guī)律。隨著井眼直徑的減小，其所對(duì)應(yīng)的坍塌壓力降低而破裂壓力增加，井壁穩(wěn)定性變好。井壁穩(wěn)定性變化幅度與井眼尺寸變化不成正比，井眼越小，變化幅度越大［6-7］。因此，應(yīng)用單通道井井身結(jié)構(gòu)不會(huì)引起鉆井井壁不穩(wěn)定，更有利于作業(yè)安全。圖1給出了東海某井4 000 m井深處坍塌壓力隨井眼尺寸的變化規(guī)律，可以看出井眼尺寸為 φ311.2、φ215.9、φ152.4 mm時(shí)，井眼坍塌壓力分別為 1.29、1.26、1.17 g/cm3，即隨著井眼尺寸的減小，坍塌壓力明顯降低，井壁穩(wěn)定性增強(qiáng)。

圖1 東海某井4000m井深處坍塌壓力隨井眼尺寸的變化規(guī)律Fig.1 Collapse pressure changing w ith the hole size of a well at 4 000 m depth in East China Sea

2)井眼尺寸對(duì)機(jī)械鉆速的影響規(guī)律。通過(guò)統(tǒng)計(jì)東海已鉆井井史資料，結(jié)合該地區(qū)地層可鉆性預(yù)測(cè)結(jié)果，并將根據(jù)海洋油氣田巖樣試驗(yàn)得到的地層可鉆性系數(shù)與聲波時(shí)差的關(guān)系(即式(1))代入通用鉆速方程公式［8］(即式(2))，對(duì)單通道井與常規(guī)井各井段機(jī)械鉆速進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果顯示當(dāng)井眼尺寸由 φ444.5 mm+φ311.15 mm+φ215.9 mm 縮小為φ311.15 mm+φ215.9 mm+φ152.4 mm 后，一開(kāi)鉆速與二開(kāi)鉆速可分別增加73.73%和69.77%，而三開(kāi)鉆速將下降36.55%。三開(kāi)鉆速下降的原因是小井眼鉆井環(huán)空間隙小，小尺寸鉆具強(qiáng)度較低，排量、鉆壓、轉(zhuǎn)速、扭矩等鉆井參數(shù)都受到很大限制，導(dǎo)致φ152.4 mm井眼鉆速比φ215.9 mm井眼降低。考慮到各井段的長(zhǎng)度，改成單通道井井身結(jié)構(gòu)后，總體

式(1)、(2)中：Kd為地層可鉆性系數(shù)；Δtp為聲波時(shí)差，μs/m；v為機(jī)械鉆速，m/h；A為鉆壓指數(shù)，A=0.536 6+0.199 3Kd；B為轉(zhuǎn)速指數(shù)，B=0.925 0-0.037 5Kd；C為地層水力指數(shù)，C=0.701 1-0.056 82Kd；D為鉆井液密度系數(shù)，D=0.976 73Kd-7.270 3；w為比鉆壓，kN/cm2；n為轉(zhuǎn)速，r/min；H為有效鉆頭比水功率，kW/cm2；ρ為實(shí)際或設(shè)計(jì)鉆井液密度，g/cm3。

3)井眼尺寸對(duì)氣井產(chǎn)能的影響規(guī)律。小井眼產(chǎn)能與常規(guī)井眼產(chǎn)能的比值可以反映小井眼產(chǎn)能下降的程度。以東海某氣田儲(chǔ)層為基礎(chǔ)，建立均質(zhì)氣藏單井模型，模擬參數(shù)為：滲透率為40 mD，孔隙度為10%，前3年氣井定產(chǎn)量生產(chǎn)，3年后產(chǎn)量遞減。在相同工作制度下，分別對(duì)井眼尺寸為φ215.9 mm和φ152.4 mm的氣井產(chǎn)量進(jìn)行了模擬，結(jié)果顯示當(dāng)井眼尺寸由φ215.9 mm縮小為φ152.4 mm后，對(duì)產(chǎn)量的影響僅減少4%左右，并且生產(chǎn)后期隨著產(chǎn)量的遞減，井眼尺寸對(duì)產(chǎn)量幾乎無(wú)影響。

4)井眼尺寸對(duì)鉆井材料費(fèi)用的影響規(guī)律。當(dāng)單通道井井身結(jié)構(gòu)由φ444.50mm井眼×φ339.72mm套管+φ311.15 mm井眼×φ244.48 mm套管+φ215.90 mm井眼×φ177.80 mm套管變?yōu)棣?11.15 mm井眼×φ244.48mm套管+φ215.90mm井眼×φ177.80mm套管+φ152.40 mm井眼 ×φ88.90 mm套管后，一開(kāi)套管質(zhì)量每米減少30%、井筒容積每米減少50%、套管環(huán)空容積每米減少55%，二開(kāi)套管質(zhì)量每米減少38%、井筒容積每米減少51%、套管環(huán)空容積每米減少60%，三開(kāi)套管質(zhì)量每米減少68%、井筒容積每米減少50%，整個(gè)鉆完井過(guò)程中所需的套管、鉆完井液及固井材料將大幅度減少，作業(yè)成本隨之大幅降低。

2.1.2 單通道井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于上述井眼尺寸對(duì)井壁穩(wěn)定、機(jī)械鉆速、油氣井產(chǎn)能及鉆井材料費(fèi)用等影響規(guī)律的研究認(rèn)識(shí)，當(dāng)井眼尺寸由 φ444.50 mm+φ311.15 mm+φ215.90 mm縮小為φ311.15 mm+φ215.90 mm+φ152.40 mm后，可以提高鉆井速度，節(jié)省油套管、上可提高機(jī)械鉆速。鉆井液及固井水泥漿等材料，大幅降低鉆井工期和費(fèi)用。因此，在綜合考慮東海某油氣田地層情況的條件下，設(shè)計(jì)了我國(guó)海上首個(gè)單通道井的井身結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 東海某單通道井的井身結(jié)構(gòu)圖Fig.2 A monobore well casing program in East China Sea

2.2 單通道井油套管一體化管柱工藝技術(shù)

應(yīng)用單通道井鉆完井技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)油管兼作生產(chǎn)套管的油套管一體化。單通道井生產(chǎn)管柱的下入可分2種方式：一趟下入式單通道井生產(chǎn)管柱，即將管柱一趟下入后直接固井，其特點(diǎn)是須使用可固井式井下安全閥等井下工具，固井后可靠性不太確定，且均為國(guó)外專(zhuān)利產(chǎn)品，價(jià)格高、供貨周期長(zhǎng)；兩趟下入式單通道井生產(chǎn)管柱(圖3)，即先將下部管柱作為尾管下入并進(jìn)行尾管固井作業(yè)，之后回接上部管柱，其特點(diǎn)是選用常規(guī)井下工具，無(wú)須考慮固井水泥漿對(duì)工具的影響，作業(yè)安全、可靠，并可在上部生產(chǎn)管柱聯(lián)接氣舉工作筒等工具。因此，綜合考慮作業(yè)安全和經(jīng)濟(jì)效益，東海某單通道井采用兩趟下入式生產(chǎn)管柱。

圖3 兩趟下入式單通道井一體化管柱圖Fig.3 A monobore well completion string w ith two trips

同時(shí)，為保障射孔作業(yè)安全，將回接密封總成和井下安全閥擴(kuò)徑以保證生產(chǎn)管柱全通徑，并設(shè)計(jì)上部生產(chǎn)管柱插入特殊引鞋以防止射孔槍阻掛等，保障電纜起下射孔槍的作業(yè)安全。

根據(jù)上述分析，設(shè)計(jì)出了我國(guó)海上第1口單通道井生產(chǎn)管柱，如圖4所示。

圖4 東海某單通道井管柱圖Fig.4 A monobore well com pletion string in East China Sea

2.3 單通道井固井生產(chǎn)管柱清潔控制技術(shù)

針對(duì)小尺寸管柱難以刮管和射孔作業(yè)對(duì)生產(chǎn)管柱內(nèi)壁清潔要求高的難題，進(jìn)行了針對(duì)性的技術(shù)改進(jìn)，多舉措防止水泥漿上返過(guò)高而倒灌入尾管掛，確保管柱內(nèi)壁清潔，保障射孔作業(yè)的順利，具體措施如下：

1)分析水泥漿附加量和計(jì)量誤差，設(shè)計(jì)加長(zhǎng)尾管重疊段(增加至400 m)，防止水泥漿上返過(guò)高倒灌入尾管掛內(nèi)，避免造成水泥漿殘留而導(dǎo)致射孔槍無(wú)法下入。

2)優(yōu)選射孔液和海水作為頂替液，并應(yīng)用可變徑膠塞，確保進(jìn)入管柱內(nèi)的為無(wú)固相液體，同時(shí)保證頂替效果。

3)改進(jìn)頂替作業(yè)方式和流程，全程使用排量易控制的固井泵頂替，精確控制頂替量；設(shè)計(jì)可接頂驅(qū)的井口水泥頭，應(yīng)用專(zhuān)用管線頂替，實(shí)現(xiàn)注水泥漿和頂替采用不同管線，使固井頂塞以上無(wú)水泥漿殘留。

4)改變傳統(tǒng)的單一計(jì)量方式，使用泥漿池體積、固井水柜刻度、管線流量計(jì)等多途徑多方法計(jì)量相互校正，精確計(jì)量水泥漿頂替量。

2.4 小尺寸深穿透射孔技術(shù)

由于單通道井通徑較小(一般不大于76 mm)，僅能使用小直徑射孔器進(jìn)行射孔完井，而現(xiàn)有的小直徑射孔器存在射孔穿深不足、射孔效果不確定的問(wèn)題，將影響單通道井的產(chǎn)能。根據(jù)聚能射流破甲理論，對(duì)有槍身和無(wú)槍身射孔器進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)優(yōu)化射孔槍和射孔彈設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行了單發(fā)射孔對(duì)比試驗(yàn)和整槍打靶驗(yàn)證，最終研制了槍身直徑小、射孔彈穿透性高、射孔后本體膨脹量小的新型63型有槍身射孔器(表1)。該射孔器可滿(mǎn)足過(guò)φ88.90 mm油管射孔深穿透、小空間安全作業(yè)等要求，可以提高φ88.90 mm套管的射孔效果。

表1 所研制的新型63型有槍身射孔器參數(shù)Table 1 Parameters of the new developed type-63 perforator w ith gun body

3 應(yīng)用效果

海上單通道井鉆完井技術(shù)在東海某單通道井成功進(jìn)行了應(yīng)用，與常規(guī)井相比，該井套管費(fèi)用節(jié)省了34%，巖屑處理費(fèi)、鉆完井液費(fèi)用減少了50%，固井水泥費(fèi)用減少了43%，并且固井質(zhì)量全優(yōu)，鉆井工期縮短4.2%，完井工期縮短44.78%，初期平均產(chǎn)量達(dá)到配產(chǎn)要求，經(jīng)濟(jì)效益明顯。目前，海上單通道井鉆完井技術(shù)已推廣應(yīng)用于東海西湖凹陷平北地區(qū)某氣田的開(kāi)發(fā)井作業(yè)，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

［1］RANDELL B G.Monobore well design：utilizing technology to improve well［C］.SPE 154013，2012.

［2］ROBISON C E.Monobore completions for slim-hole wells［J］.Journal of Petroleum Technology，1994，46(9)：794-799.

［3］PEARSON CM，PETRASH D K，ZERNELL JT，et al.The use of slimhole drilling and monobore completions to reduce development costs at the Kuparuk River field［J］.SPE Drilling ＆ Completion，1999，14(3)：190-195.

［4］謝梅波.單通道鉆完井技術(shù)及其在我國(guó)海上油氣田應(yīng)用的可行性［J］.中國(guó)海上油氣，2005，17(2)：112-115.Xie Meibo.Monobore drilling and completion technique and feasibility of its application in oil and gas fields，offshore China［J］.China Offshore Oil and Gas，2005，17(2)：112-115.

［5］周建良，劉書(shū)杰，耿亞楠，等.單通道井鉆完井技術(shù)在邊際油田應(yīng)用前景分析［J］.石油科技論壇，2012(4)：13-17.Zhou Jianliang，Liu Shujie，Geng Yanan，et al.Prospect analysis about application ofmonobore drilling＆completion and inmarginal oilfields［J］.Oil Forum，2012(4)：13-17.

［6］陳朝偉，周英操，申瑞臣，等.考慮巖石尺寸效應(yīng)的井壁穩(wěn)定性分析［J］.石油鉆探技術(shù)，2009，37(3)：38-40.Chen Zhaowei，Zhou Yingcao，Shen Ruichen，etal.Wellbore stability analysis considering rock size effects［J］.Petroleum Drilling Techniques，2009，37(3)：38-40.

［7］林海，伍葳.井眼尺寸對(duì)井壁穩(wěn)定性影響研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2013(18)：5308-5311.Lin Hai，Wu Wei.Study on the effect of the hole size on wellbore stability［J］.Science Technology and Engineering，2013(18)：5308-5311.

［8］《鉆井手冊(cè)(甲方)》編委會(huì).鉆井手冊(cè)(甲方)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1990.Drilling Manual Editorial Committee.Drilling Manual［M］.Beijing：Petroleum Industry Press，1990.