塔河油田深層側(cè)鉆水平井膨脹套管鉆井設(shè)計(jì)及實(shí)踐

蔡 鵬，侯 婷，吳柳根

（勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營257017）

塔河油田深層側(cè)鉆水平井膨脹套管鉆井設(shè)計(jì)及實(shí)踐

蔡 鵬*，侯 婷，吳柳根

（勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營257017）

膨脹套管技術(shù)是一項(xiàng)可在鉆井過程中充當(dāng)技術(shù)套管封隔復(fù)雜地層的新技術(shù)，可優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，進(jìn)行封隔異常高壓層、坍塌層和漏失層等。塔河油田深層側(cè)鉆井需要滿足避水要求，且需鉆遇石炭系易漏層和易坍塌層，存在2套壓力體系，使鉆井和后期完井面臨諸多困難，造成該油區(qū)深部地層原油難以得到解放，采用膨脹套管充當(dāng)技術(shù)套管，為解決塔河油田側(cè)鉆水平井開發(fā)難題提供了一種全新的解決方案。針對塔河油田?177.8mm套管深層開窗側(cè)鉆井的開發(fā)難點(diǎn)，提出一套膨脹套管技術(shù)解決方案，膨脹套管實(shí)施后采用非常規(guī)直徑130mm井眼鉆進(jìn)，分析了膨脹套管施工技術(shù)難點(diǎn)，確定施工程序及方案，并從膨脹套管及配套技術(shù)兩方面詳細(xì)論證分析，驗(yàn)證其在深層側(cè)鉆水平井中應(yīng)用的可行性。詳細(xì)介紹了膨脹套管技術(shù)首次在該地區(qū)側(cè)鉆水平井TK6-463CH井中進(jìn)行鉆井封堵應(yīng)用的實(shí)施情況?，F(xiàn)場試驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的膨脹套管鉆井技術(shù)方案可以解決塔河油田深層側(cè)鉆水平井的鉆井難題，并得到很好的技術(shù)實(shí)踐。

膨脹套管；塔河油田；鉆井封堵；技術(shù)方案；現(xiàn)場實(shí)踐

隨著油田開發(fā)中后期的到來，深井、復(fù)雜井將越來越多,其井身結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜。針對復(fù)雜地質(zhì)條件和復(fù)雜深井，當(dāng)鉆遇高壓層、鹽膏層等復(fù)雜地層時(shí)，膨脹套管技術(shù)可為非常規(guī)套管井身結(jié)構(gòu)提供有效的技術(shù)手段，利用它可封隔異常高壓層、漏失層等，對解決復(fù)雜深井難題，具有良好的應(yīng)用前景[1-2]。

近年來，塔河油田?177.8mm套管開窗側(cè)鉆時(shí)需要滿足地質(zhì)避水要求，開窗側(cè)鉆層位主要集中在石炭系巴楚組和奧陶系桑塔木組，目前?177.8mm套管開窗側(cè)鉆井面臨著2大問題：①泥巖坍塌掉塊問題比較突出：?177.8mm套管開窗側(cè)鉆，側(cè)鉆軌跡將穿過石炭系巴楚組泥巖地層，易發(fā)生垮塌掉塊，鉆井和完井過程阻卡嚴(yán)重，鉆井、完井管柱無法到位；②井漏現(xiàn)象嚴(yán)重：石炭系地層壓力高（1.21～1.24g/cm3），奧陶系地層壓力低（1.08～1.10g/cm3），同一井眼揭示2套不同壓力系數(shù)的地層，易出現(xiàn)井壁垮塌、井漏等復(fù)雜情況，造成后續(xù)施工困難。目前，塔河油田?177.8mm套管開窗側(cè)鉆井無法下入技術(shù)套管，該類側(cè)鉆井以現(xiàn)有的常規(guī)技術(shù)無法實(shí)施，導(dǎo)致塔河油田奧陶系剩余油多年來無法解放。膨脹套管技術(shù)為解決塔河油田側(cè)鉆水平井開發(fā)難題提供了一種解決方案[3-4]。

1 技術(shù)方案及難點(diǎn)

在側(cè)鉆水平井鉆井設(shè)計(jì)中引入膨脹套管技術(shù)，為塔河油田側(cè)鉆井水平井開發(fā)提供一種技術(shù)方案。然而，相對直井而言，在側(cè)鉆水平井中大斜度井段實(shí)施膨脹套管難度更大，風(fēng)險(xiǎn)更高，且后續(xù)鉆進(jìn)對膨脹套管強(qiáng)度要求更高。

針對塔河油田?177.8mm套管開窗側(cè)鉆井所面臨的因井漏和泥巖坍塌而難以鉆達(dá)目的層等技術(shù)難題，采用膨脹套管固井技術(shù)方案，具體方案為：?177.8mm套管內(nèi)進(jìn)行開窗側(cè)鉆后，?149.2mm井眼鉆進(jìn)至奧陶系頂部，并用擴(kuò)眼工具將井眼尺寸擴(kuò)至?165mm，下入?139.7mm膨脹管，膨脹后內(nèi)徑可達(dá)到?134.5mm，封隔石炭系泥巖和易漏層位，下入?130mm鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)。

針對塔河油田深層側(cè)鉆井所面臨的困難，對膨脹套管及其配套技術(shù)進(jìn)行研究分析，探討膨脹套管及其配套技術(shù)在深層側(cè)鉆井中應(yīng)用的可行性。目前?139.7mm膨脹套管適合在?149.2mm井眼中試驗(yàn)，自2009年以來，勝利油田鉆井院對膨脹套管在塔河油田開窗側(cè)鉆井中可行性和適宜性進(jìn)行了反復(fù)的論證，制定了完備的工藝措施和應(yīng)急預(yù)案[5-6]。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 井身軌跡優(yōu)化

圖1 塔河油田側(cè)鉆井井身結(jié)構(gòu)示意圖

鑒于膨脹套管的特殊性，對井身軌跡有較高要求。因此，調(diào)整井身軌跡設(shè)計(jì)，提高窗口位置高度，降低造斜率及井斜，限定造斜率不超過25°/100m，最大井斜不超過40°，使井眼條件滿足擴(kuò)眼及膨脹套管下入要求。

2.2 鍛銑方式優(yōu)選

開窗方式分為斜向器開窗和套管段銑開窗，本井后期鉆井時(shí)間長，鉆井管具頻繁出入窗口，若采用斜向器開窗，存在斜向器偏轉(zhuǎn)和下行等風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)膨脹套管工藝要求，采用套管鍛銑開窗，后期窗口質(zhì)量有保證，整個(gè)鉆井施工風(fēng)險(xiǎn)小。

2.3 深井斜井段擴(kuò)眼工藝

為保證膨脹套管順利下入及膨脹，需對?149.2mm井眼擴(kuò)眼至?165mm。擴(kuò)眼可采用隨鉆擴(kuò)眼和鉆后擴(kuò)眼方式，鉆后擴(kuò)眼方式采用液壓式擴(kuò)眼器，通過優(yōu)化深井大斜度井?dāng)U眼施工工藝，井眼造斜率在30°/100m以下，擴(kuò)眼段最大井斜在45°之內(nèi)是有保障的，滿足膨脹套管后期作業(yè)要求。

隨鉆擴(kuò)眼可采用雙心鉆頭，見圖3，該鉆頭由領(lǐng)眼鉆頭，預(yù)擴(kuò)孔段和主擴(kuò)孔段組成，領(lǐng)眼鉆頭和預(yù)擴(kuò)孔段的雙重作用，減少主擴(kuò)孔段的任務(wù)和總偏心載荷，保證了鉆頭的穩(wěn)定性，預(yù)擴(kuò)孔段至少有一個(gè)短刀翼不與井壁接觸，但在井眼內(nèi)不能側(cè)向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)力平衡。該鉆頭在國外應(yīng)用效果較好，對硬地層具有較好的適應(yīng)性，理論擴(kuò)眼直徑為?165.1mm，見表1。

2.4 深井膨脹套管施工工藝

?139.7mm膨脹套管僅在套損井中進(jìn)行補(bǔ)貼應(yīng)用，尚未在裸眼井中進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，因此在深井斜井中充當(dāng)技術(shù)套管應(yīng)用需進(jìn)行改進(jìn)及優(yōu)化[7-8]。

2.4.1 固井工具研究

由于塔河油田側(cè)鉆井多為深井、斜井，膨脹套管在鉆井過程中充當(dāng)技術(shù)套管時(shí)，固井時(shí)膠塞碰壓面臨較大考驗(yàn)，且所設(shè)計(jì)的浮鞋為可鉆式，因此設(shè)計(jì)開發(fā)出膨脹套管專用的固井膠塞和內(nèi)置可鉆式浮鞋，保證膠塞深井碰壓正常和浮鞋鉆塞方便。

2.4.2 管體抗擠強(qiáng)度計(jì)算

膨脹套管在深井中充當(dāng)技術(shù)套管，需要封隔2套壓力體系的壓差，對膨脹后的管體抗外擠強(qiáng)度具有較高要求，是衡量膨脹套管能否在鉆井過程中封堵復(fù)雜層的一個(gè)重要指標(biāo)[10]。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)際膨脹套管的抗擠強(qiáng)度與理想圓管的臨界外壓之間有近似關(guān)系：

圖2 隨鉆擴(kuò)眼用雙心鉆頭

表1 ?146.05mm×?165.10mm×?120.65mm雙心鉆頭技術(shù)參數(shù)

2.4.3 深井施工工藝研究

針對深井膨脹套管施工情況，優(yōu)化膨脹套管內(nèi)管柱結(jié)構(gòu)，保證內(nèi)管抗拉力和內(nèi)管通徑一致性，減少固井膠塞因變徑磨損；同時(shí)分析管柱下入過程中管柱的載荷情況及下入時(shí)受力情況，采用專用通井規(guī)通井，確保管柱下入安全；并進(jìn)行膨脹套管固井工藝研究，優(yōu)化超緩凝水泥漿體系，采用先固井后膨脹再候凝方式作業(yè)，固井時(shí)按正常要求進(jìn)行固井，但注水泥量應(yīng)控制在環(huán)容的80%以內(nèi)。

2.5 小井眼鉆井工藝

膨脹作業(yè)后，膨脹套管內(nèi)徑可達(dá)到為?134.5mm，二開采用?130mm鉆頭進(jìn)行非常規(guī)直徑井眼鉆進(jìn)，但常規(guī)?88.9mm鉆桿無法進(jìn)入膨脹套管內(nèi)，且常規(guī)MWD儀器配套困難，無法滿足儀器正常使用要求，因此需進(jìn)行小井眼鉆井工藝研究。

2.5.1 鉆具組合優(yōu)化

首次采用非常規(guī)直徑?130mm井眼鉆進(jìn)，采用?130mm鉆頭，配套DSNC31非標(biāo)?89mm特制鉆桿和?105mm無磁鉆鋌，進(jìn)行鉆具組合優(yōu)化，增大環(huán)空面積，提高機(jī)械鉆速，特制鉆桿技術(shù)參數(shù)見表2。根據(jù)水力參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，建議排量采用10L/s，泵壓在18.4MPa左右，能夠滿足設(shè)備的最高承壓能力，可以確保井底巖屑順利返出。

2.5.2 MWD儀器配套

二開?130 mm井眼鉆進(jìn)時(shí)，采用常規(guī)MWD儀器無法滿足測量服務(wù)需要，?116.8mm MWD儀器，其配套鉆鋌外徑為?121mm，鉆具環(huán)空較小，鉆具壓耗太大，泵壓太高，攜沙困難，易造成卡鉆事故；?88.9mmMWD儀器抗扭性較差，深井易扭斷，均無法滿足深井?130mm井眼對儀器的要求。因此，為滿足膨脹套管技術(shù)的側(cè)鉆井測量需求，采用國外公司?105mm非標(biāo)小直徑MWD儀器，儀器參數(shù)見表4。

通過對膨脹套管及其配套技術(shù)分析，結(jié)合塔河油田側(cè)鉆水平井情況，膨脹套管在塔河油田?177.8mm套管開窗側(cè)鉆井中具有一定的可行性和適應(yīng)性。

式中：pc——膨脹套管抗擠強(qiáng)度，MPa；

p——理想套管的抗擠強(qiáng)度，MPa；

pe——理想套管的彈性失穩(wěn)外壓，MPa；

g——修正系數(shù)。

應(yīng)用式（1），以?139.7mm×7.72mm膨脹套管（膨脹后為?149.3mm×7.5mm）為例，可計(jì)算其膨脹后抗外擠強(qiáng)度達(dá)25MPa，滿足塔河地區(qū)石炭系封堵要求。

表2 DSNC31特制鉆桿技術(shù)參數(shù)

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

目前，該方案在塔河油田深層側(cè)鉆井中實(shí)施7口井，國內(nèi)首次應(yīng)用膨脹套管作為技套封堵深井高壓層，并創(chuàng)造了國產(chǎn)139.7mm膨脹套管2項(xiàng)紀(jì)錄，標(biāo)志著膨脹管技術(shù)在解決鉆井復(fù)雜難題上取得了重大突破，為解決塔河油田?177.8mm套管開窗側(cè)鉆水平井的技術(shù)瓶頸奠定了基礎(chǔ)。

表4 國外公司?105mm MWD儀器參數(shù)

3.1 首次現(xiàn)場實(shí)踐：

膨脹套管方案首次在TK6-463CH井應(yīng)用，該井采用段銑方式開窗，一開采用?149.2mm鉆頭鉆進(jìn)和液壓式擴(kuò)眼器進(jìn)行鉆后擴(kuò)眼，完鉆井深5509.93m，最大井斜31.26°，電測測井徑為?165mm以上，井眼條件滿足膨脹管下入要求。采用?151mm專用通井規(guī)通井后，下入?139.7mm膨脹套管437.22m，固井膨脹順利。鉆塞后，進(jìn)行膨脹套管承壓試驗(yàn)，管體抗內(nèi)外壓強(qiáng)度合格。二開鉆進(jìn)采用?130mmPDC鉆頭鉆進(jìn)，配套?105mm非標(biāo)小直徑MWD儀器和非標(biāo)鉆具組合，完鉆井深5740m，垂深5549.52m，井斜92.7°，總進(jìn)尺230.07m，順利鉆達(dá)目的層，滿足地質(zhì)避水要求，裸眼完井[9]。

3.2 工藝探討與完善

為繼續(xù)探索深井側(cè)鉆水平井膨脹套管鉆完井工藝技術(shù)，縮短建井周期，降低鉆井成本，在首獲成功后，又陸續(xù)完成TK7-640CH、T816CH2、TH10233CH等6口試驗(yàn)井的鉆井實(shí)踐，對膨脹套管及配套鉆井工藝整體技術(shù)進(jìn)行了有力探索，促進(jìn)工藝技術(shù)完善。先后成功試驗(yàn)深井膨脹套管及雙心鉆頭大斜度隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)，采用雙心鉆頭隨鉆擴(kuò)眼后達(dá)到膨脹套管下入要求；?139.7mm膨脹套管作業(yè)長度最長達(dá)526.88m，作業(yè)深度最深達(dá)6065m，隨鉆擴(kuò)眼最大井斜角65.8°，成功封隔了高壓的石炭系地層；后續(xù)?130.0mm井眼采用特殊鉆具結(jié)構(gòu)鉆進(jìn)，最長進(jìn)尺達(dá)461.0m，對膨脹套管鉆完井工藝整體技術(shù)進(jìn)行了有力探索，為西部深井小井眼側(cè)鉆井提供了一種全新的二開次鉆完井方式[10]。

4 結(jié)論

（1）通過從井身軌跡優(yōu)化、開窗方式、斜井?dāng)U眼、膨脹套管及小井眼鉆進(jìn)等方面分析論證，驗(yàn)證了膨脹套管及其配套技術(shù)在塔河油田深層側(cè)鉆井中應(yīng)用的可行性。

（2）以膨脹套管為核心的側(cè)鉆水平井鉆井方案得以實(shí)踐，并對膨脹套管及配套鉆井工藝整體技術(shù)進(jìn)行了有力探索，有效促進(jìn)隨鉆擴(kuò)眼和小井眼鉆井技術(shù)發(fā)展。

（3）膨脹套管技術(shù)成功封隔高壓層和易塌地層，其抗內(nèi)壓、抗外壓和耐磨性均可滿足后續(xù)鉆井及地質(zhì)避水要求，性能可靠，保障了后續(xù)小井眼鉆進(jìn)安全，為解決塔河油田?177.8mm套管開窗側(cè)鉆水平井的技術(shù)瓶頸奠定了基礎(chǔ)，可進(jìn)一步進(jìn)行推廣試驗(yàn)。

[1]張建兵;練章華;賈應(yīng)林，采用膨脹套管技術(shù)優(yōu)化復(fù)雜深井超深井下部井身結(jié)構(gòu)[J].石油鉆采工藝，2008,30(4)：1-4.

[2]班麗，姜秀.采用實(shí)體膨脹管技術(shù)實(shí)現(xiàn)鉆探深地層目標(biāo)[J].國外石油工程，2003,19(11)：27-28.

[3]姚彤寶，于好善，夏柏如，等.膨脹管技術(shù)在地質(zhì)勘探領(lǐng)域應(yīng)用初探[J].探礦工程，2008,29(2)：8-11.

[4]莊德寶.膨脹管應(yīng)用及技術(shù)研究[J].內(nèi)蒙古石油化工，2012, 21(7)：103-104.

[5]龍斌.實(shí)體膨脹管技術(shù)在塔河TK1051井的應(yīng)用[J].西部探礦工程，2009，32(9)：46-48.

[6]張新旭，魏學(xué)成.膨脹管技術(shù)在河壩1井的應(yīng)用[J].西部探礦工程，2005，28(9)：61-63.

[7]唐明，唐成磊，寧學(xué)濤，等.實(shí)體膨脹管技術(shù)在油田開發(fā)中的應(yīng)用[J].鉆采工藝，2008，31(3)：70-72.

[8]唐明，寧學(xué)濤，吳柳根，等.膨脹套管技術(shù)在側(cè)鉆井完井工程中的應(yīng)用研究[J].石油礦場機(jī)械，2009，38(4)：64-68.

[9]唐明，吳柳根，趙志國，等.深層側(cè)鉆水平井膨脹套管鉆井封堵技術(shù)研究[J].石油機(jī)械，2013，41(2):6-9.

[10]何偉國，唐明，吳柳根.塔河油田深層側(cè)鉆水平井膨脹套鉆井管完井技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù)，2013，41(5):62-66.

TE249

B

1004-5716(2015)08-0039-04

2014-08-04

中石化重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目“裸眼封堵等井徑膨脹套管技術(shù)研究”(JP11007)資助。

蔡鵬（1978-），男（漢族），湖南益陽人，工程師，現(xiàn)從事膨脹管技術(shù)研究推廣和完井工具技術(shù)開發(fā)工作。