膨脹波紋管技術(shù)在大斜度井易垮塌地層的應(yīng)用

張輝，王錦昌，王翔，劉永勝，魏凱，王健

（中國石化華北分公司石油工程技術(shù)研究院，河南 鄭州 450006）

膨脹波紋管技術(shù)在大斜度井易垮塌地層的應(yīng)用

張輝，王錦昌，王翔，劉永勝，魏凱，王健

（中國石化華北分公司石油工程技術(shù)研究院，河南 鄭州 450006）

為有效解決PG22井大斜度井段太原組31 m泥巖和55 m煤層互層易垮塌問題，首次在大牛地水平井進行了小尺寸膨脹波紋管技術(shù)試驗。通過雙井徑測井、擴眼作業(yè)、膨脹波紋管入井、水力膨脹、2次機械膨脹以及磨鞋通徑，在最大井斜角為73.69°時成功實現(xiàn)了109.1 m的膨脹管施工。結(jié)果表明：試驗封閉井段2 877.00～2 986.10 m，全角變化率4.00～9.40°/ 30 m，創(chuàng)下國內(nèi)最大井斜條件下最長膨脹波紋管施工記錄，實現(xiàn)了膨脹波紋管入井井斜和長度的雙重突破，為解決大牛地氣田太原組大段泥巖和煤層井壁失穩(wěn)問題提供了經(jīng)驗 。

泥煤互層；垮塌；膨脹波紋管；擴眼；膨脹；太原組

0　引言

大牛地氣田位于鄂爾多斯盆地東北部，相控儲層以大型巖性圈閉為特征，發(fā)育海相、海陸過渡相、陸相3套儲集巖系，屬于含煤碎屑巖含油氣體系［1-5］。其中，二疊系下統(tǒng)山西組，以及石炭系上統(tǒng)太原組地層有煤層夾層，且裂縫發(fā)育，膠結(jié)松散，多含有泥質(zhì)礦物而呈脆性，易垮塌［6-8］。水平井是大牛地氣田開發(fā)的主要手段［9-13］，以山西組、太原組和下古生界為主要目的層的水平井，在水平段和造斜段往往鉆遇大段泥巖和煤層互層，縮徑、垮塌等容易誘發(fā)較多的復(fù)雜情況。采用常規(guī)的回填、控制鉆井液密度和失水等方法，難以有效解決該問題。

PG22井太原組泥巖和煤層垮塌，造成井下復(fù)雜情況頻發(fā)，先后進行了2次回填作業(yè)，均未能有效解決。本文針對該問題，首次提出在大牛地進行φ149.2 mm小尺寸膨脹波紋管技術(shù)試驗，利用膨脹后的波紋管對井壁形成有效支撐，徹底解決垮塌問題。

1　膨脹波紋管技術(shù)

膨脹波紋管技術(shù)主要用于封隔復(fù)雜地層段的各種井漏、井塌，補貼損壞套管，延長技術(shù)套管長度等方面。其最大優(yōu)點在于不損失井眼尺寸情況下創(chuàng)造穩(wěn)定的井下環(huán)境，能夠最大限度地降低鉆井風(fēng)險［14］。其原理是，對塑性變形較好的圓形管材進行冷壓處理，減小外徑，形成截面呈“8”字的波紋管（見圖1），待管串入井后，通過水力膨脹和機械膨脹相結(jié)合的方法將其完全膨脹成圓形管，緊貼井壁，達到有效支撐井壁、封隔復(fù)雜地層的目的［15-17］。膨脹波紋管有多種尺寸，本井采用φ149.2 mm膨脹波紋管，壁厚7.00 mm，膨脹后抗內(nèi)壓強度為43.8 MPa，抗外擠強度為12.0 MPa。

圖1　“8”字型波紋管截面示意

2　現(xiàn)場試驗

2.1PG22井基本情況

PG22井為下古生界一口評價水平井，設(shè)計完鉆層位為奧陶系馬家溝組，設(shè)計井深4 079.33 m，設(shè)計垂深2 883.00 m，采用三級井身結(jié)構(gòu)裸眼預(yù)置管柱完井，具體參數(shù)見表1。

表1　PG22井設(shè)計井身結(jié)構(gòu)

在PG22井實鉆過程中，先后經(jīng)歷2次泥巖和煤層垮塌，誘發(fā)了較多的復(fù)雜情況，嚴重影響了后期鉆井施工。具體情況如下：

1）套管脫扣、鉆穿管套。二開完鉆下φ177.8 mm套管至3 089.26 m后，鉆井液循環(huán)出現(xiàn)井漏，堵漏過程中出現(xiàn)憋泵現(xiàn)象，泵壓升至20.0 MPa，井口失返。判斷為下部環(huán)空太原組泥巖、煤層嚴重垮塌，徹底堵死環(huán)空。上提最大拉力至1 600 kN，無法拔出套管，最后采用正注反擠固井施工。掃塞過程中發(fā)現(xiàn)鐵屑和地層巖屑，經(jīng)驗證，從2 931.70～2 932.86 m（井斜31.54°，垂深2 783.80 m）井段鉆穿管套。

2）劃眼出現(xiàn)新井眼?；靥詈蟛捎锰坠荛_窗側(cè)鉆方案，上窗口位于2 870.49 m，下窗口2 873.09 m，側(cè)鉆點2 873.09 m，具體參數(shù)見表2。采用φ152.4 mm鉆頭鉆至3 386.74 m，更換穩(wěn)斜鉆具劃眼遇阻，判斷為側(cè)鉆斜井段太1段黑色煤及灰黑色泥巖垮塌，在2 930.00 m劃出新井眼，繼續(xù)二開，劃眼至2 971.00 m時井眼垮塌嚴重。

表2　側(cè)鉆點數(shù)據(jù)

再次回填后，隨鉆擴孔重新側(cè)鉆至3 000.00 m。在2 880.00～2 985.00 m鉆遇煤層和炭質(zhì)泥巖互層，井斜59.78°～73.69°，為易垮塌井段。其中，煤層4層共計31 m，泥巖6層共計55 m。為防止大斜度井段太原組大段泥巖和煤層互層垮塌，避免再次劃出新井眼，決定對PG22井進行φ149.2 mm膨脹波紋管試驗。

2.2施工過程

PG22井膨脹波紋管施工主要包括井眼準備、波紋管下入、水力膨脹、機械膨脹以及磨鞋通徑［18］，其中井眼準備包括測井和擴孔作業(yè)。膨脹管入井要求：1）2 873.00～2 990.00 m井段，井眼狗腿度小于10.00°/30 m；2）雙井徑測井井徑在168.00～178.00 mm；3）入井前井壁無垮塌，鉆柱順利下至2 986.10 m，沒有阻卡。

2.2.1測井作業(yè)

裸眼段測井主要是檢測井徑能否滿足膨脹波紋管入井要求。雙井徑測井［19］測量井段 2 850.00～2 997.08 m，測量結(jié)果見圖2，其中波紋管入井要求井徑為168.0 mm。由圖可知，大部井徑小于該尺寸，小井徑在161.0～162.0 mm，局部為151.0～155.0 mm，未達到下膨脹管入井井徑要求，要進行鉆后擴眼施工。

2.2.2擴孔作業(yè)

基于井徑測量結(jié)果，必須對裸眼井段進行擴眼作業(yè)，而擴眼質(zhì)量直接決定著后期膨脹施工能否順利進行。常規(guī)牙輪式擴眼工具穩(wěn)定性較差，容易形成較大臺階，且太原組泥巖、煤層經(jīng)機械碰撞容易引起較多掉塊，擴眼施工難度較大；因此，通過綜合分析井況，本次擴眼作業(yè)優(yōu)選YK152-178型孕鑲PDC刀翼式水力擴眼器，其技術(shù)參數(shù)見表3。該擴眼工具主要由外殼體、泵壓調(diào)節(jié)裝置、活塞總成、復(fù)位彈簧、刀片等組成，工作原理是利用鉆井液產(chǎn)生的壓力降推動活塞運行，控制內(nèi)嵌式刀片張開與收縮。

圖2　PG22井測井結(jié)果

表3　YK152-178型水力擴眼器技術(shù)參數(shù)

擴眼段為2 941.00～2 990.00 m，通過合理設(shè)置鉆壓、扭矩，嚴格控制鉆井液密度和失水，逐步調(diào)高施工排量和鉆井液黏度，提高巖屑清洗效率，保證擴眼施工平穩(wěn)作業(yè)，具體施工參數(shù)見表4。擴眼器出井后測量外徑為177.0 mm，判斷裸眼段通徑大于177.0 mm，滿足膨脹管入井要求?？紤]泥巖和煤層的垮塌周期，不再測井，直接下入膨脹波紋管。

表4　擴眼參數(shù)

2.2.3膨脹管下入

波紋管串采用鉆具輸送方式入井，管串結(jié)構(gòu)為：鉆柱+提升短節(jié)+上接箍+上過渡接頭+波紋管+下過渡接頭+下接箍+下堵頭。每根波紋管間通過焊接連接［20］，采用單面焊接雙面成型工藝，保證焊縫與本體具備相同的膨脹率，每條焊縫耗時2 h。焊接后均采用便攜式X射線設(shè)備檢測。為PG22井焊接波紋管10根，共計13道焊縫，其中地面焊接9道焊縫，井口焊接4道焊縫，現(xiàn)場檢測未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。

膨脹波紋管下入過程中，2 500.00 m以上按正常下鉆速度下放，自2 500.00 m開始降低速度，特別是在上窗口處，速度控制在15～20 min/柱。由于下堵頭非單流閥，為防止裸眼段含巖屑鉆井液倒灌至膨脹管內(nèi)，影響投球坐封效果，下至側(cè)鉆點處，泵入1.53 g/cm3重鉆井液1.5 m3。

膨脹管總長109.1 m，地面測量外徑146.00 mm，膨脹管封閉井段2 877.00～2 986.10 m，井斜為59.72～73.69°，全角變化率在4.00～9.40°/30 m。

2.2.4水力膨脹

膨脹管下至預(yù)定位置后，投球坐封，之后水泥車階梯式打壓，壓力每上升5.0 MPa，穩(wěn)壓10 min，膨脹壓力達到25.0 MPa時，穩(wěn)壓15 min，若壓力不下降，則水力膨脹完成。但是，在現(xiàn)場施工過程中，階梯打壓至16.0 MPa，穩(wěn)壓20 min，打壓至18.0 MPa后，壓力無法上升，停泵后壓力降至0 MPa，未達設(shè)計壓力，判斷波紋管串刺漏。為進一步增大膨脹管形變，一方面增大循環(huán)壓力，三凡爾開泵循環(huán)鉆井液，增大循環(huán)泵壓至32.0 MPa；另一方面，增大管串內(nèi)外壓差，打重鉆井液6 m3，開泵打壓至25.0 MPa。

水力膨脹未能達到預(yù)期壓力，給后期機械膨脹施工帶來較大困難，但結(jié)合室內(nèi)實驗推測，膨脹管在18.0 MPa壓力下通徑為136.0 mm以上，內(nèi)徑能夠基本滿足后期機械膨脹要求。水力膨脹結(jié)束后，卸壓。驗封，下壓50 kN，下行0.35 m；上提150 kN，上行0.65 m，均屬于管串正常伸縮量，判斷波紋管已經(jīng)貼合井壁。開轉(zhuǎn)盤，正轉(zhuǎn)55圈，回轉(zhuǎn)29圈，上提2.00 m，倒扣成功，起鉆。

2.2.5機械膨脹

機械膨脹是水力膨脹施工后的必要步驟，其主要作用是進一步增大膨脹管的形變，使其與井壁的貼合程度更高，滿足后期鉆井施工要求。機械膨脹共2次，分為螺旋脹管器膨脹和球形偏心脹管器膨脹。

第1趟采用“φ135.0 mm圓底磨鞋+φ149.0 mm螺旋脹管器”膨脹，至2 986.00 m，下探至2 988.00 m放空，起鉆。鉆具組合：φ135.0 mm圓底磨鞋+φ149.0 mm螺旋脹管器+φ88.9 mm加重鉆桿5柱+φ88.9 mm鉆桿119根+φ88.9 mm加重鉆桿19根+φ88.9 mm鉆桿。其中：圓底磨鞋主要用于磨銑上接箍、下堵頭和下接箍，并引導(dǎo)螺旋脹管器順利進入波紋管；螺旋脹管器則是依靠鉆壓和扭矩共同作用產(chǎn)生外擠力，脹開上下過渡接頭及一定程度修正波紋管本體。施工參數(shù)：鉆壓20 kN，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速46 r·min-1，排量13.2 L/s，泵壓21.0 MPa，轉(zhuǎn)盤空轉(zhuǎn)扭矩6.7～6.9 kN·m，磨銑時轉(zhuǎn)盤扭矩7.2～8.7 kN·m。

第2趟采用φ149.0 mm球形偏心脹管器膨脹，利用球體φ3 mm偏心結(jié)構(gòu)設(shè)計，修整波紋管串，內(nèi)徑可達150.0～152.0 mm，滿足相應(yīng)尺寸的鉆頭入井要求［21］。

第2趟機械膨脹期間，每單根修整3次，暢通后接單根，膨脹施工扭矩平穩(wěn)，機械膨脹完成后上提下放均無顯示。鉆具組合：φ149.0 mm球形脹管器+φ88.9 mm加重鉆桿5柱+φ88.9 mm鉆桿119根+φ88.9 mm加重鉆桿19根+φ88.9 mm鉆桿。修整參數(shù)：鉆壓10～20 kN，轉(zhuǎn)速65 r·min-1，排量12.1 L/s，泵壓18 MPa，轉(zhuǎn)盤扭矩6.0～8.7 kN·m。

2.2.6磨鞋通徑

為實現(xiàn)波紋管全通徑，采用φ149.2 mm平底磨鞋去除圓底磨鞋磨銑期間的附件殘留，修整機械膨脹造成的管體損傷。采取了每個單根劃2遍的措施劃到井底，磨銑下堵頭用2 h，整體施工順利。

2.3效果評價

磨鞋通徑起鉆后，下入φ149.2 mm PDC+1°螺桿，穿過膨脹波紋管，在2 910.00，2 938.00，2 950.00 m處顯示阻力80～140 kN，均為泥頁巖與煤層交接點。下鉆到底，恢復(fù)正常鉆進，平均單日進尺近140.00 m。后期起、下鉆經(jīng)過膨脹管時，再無遇阻顯示，說明膨脹波紋管施工效果較好。

3　結(jié)論

1）PG22井膨脹波紋管試驗是在大牛地的首次應(yīng)用，成功在最大井斜角73.69°實現(xiàn)了109.1 m的膨脹管施工。

2）雙井徑測井、擴眼作業(yè)為膨脹波紋管入井前的必要措施，YK152-178型水力擴眼器能夠適應(yīng)大斜度井?dāng)U眼施工。

3）水力膨脹壓力達到18.0 MPa時，膨脹波紋管內(nèi)徑能夠基本滿足后期機械膨脹施工需要。

4）膨脹波紋管試驗成功，為解決大牛地氣田太原組泥巖和煤層井壁失穩(wěn)問題提供了充實的依據(jù)。

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（編輯高學(xué)民）

Application of expandable convoluted tubing technique in easy collapsed formation of highly deviated well

Zhang Hui，Wang Jinchang，Wang Xiang，Liu Yongsheng，Wei Kai，Wang Jian
（Research Institute of Engineering Technology，Huabei Company，SINOPEC，Zhengzhou 450006，China）

The small expandable convoluted tubing technique is first used in Daniudi to solve the easy-to-collapse alternating layers of 31 m shale and 55 m coal bed of Taiyuan layer of PG22 effectively.By dual caliper logging，reaming operations，tubing into the wellbore，the hydraulic expansion，two mechanical expansions and grind shoe clearing the wellbore，PG22 succeeds in expanding 109.1m expandable convoluted tube and isolating depth of 2，877.00-2，986.10 m，where the maximum deviation angle is 73.69°and the whole-angle rate of change is 4.00-9.40°/30m.The well reaches the longest expansion in the maximum inclination and achieves a double breakthrough in inclination and length.The expandable convoluted tubing technique can effectively solve the collapse of long shale and coal bed of Taiyuan layer in the high-angle well section.The study provides valuable experience for the solution of the collapse oflong shale and coalbed ofTaiyuan layer in Daniudi.

shale-coal bed；collapse；expandable convoluted tube；reaming；expand；Taiyuan layer

國家科技重大專項專題“特殊結(jié)構(gòu)井鉆完井工藝技術(shù)研究”（2008ZX05045-003-3）

TE243

A

10.6056/dkyqt201503027

2014-12-20；改回日期：2015-03-30。

張輝，男，1986年生，工程師，碩士，2012年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）資源學(xué)院油氣井工程專業(yè)，現(xiàn)從事鉆固井工藝技術(shù)研究。E-mail：zhanghui2012zwjs@163.com。

引用格式：張輝，王錦昌，王翔，等.膨脹波紋管技術(shù)在大斜度井易垮塌地層的應(yīng)用［J］.斷塊油氣田，2015，22（3）：394-397. Zhang Hui，Wang Jinchang，Wang Xiang，et al.Application of expandable convoluted tubing technique in easy collapsed formation of highly deviated well［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2015，22（3）：394-397.