Tesco旋轉(zhuǎn)套管固井工藝和應(yīng)用評(píng)價(jià)

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)湛江分公司，廣東 湛江 524057)①

低質(zhì)量的固井膠結(jié)可導(dǎo)致水泥與套管之間或水泥與地層之間發(fā)生膠結(jié)斷裂，進(jìn)而可能導(dǎo)致諸如氣串、水串、不同地層的無效隔離(層間串流)、套管環(huán)空帶壓(井筒完整性被破環(huán))以及地下淡水層被污染等嚴(yán)重問題。

為了提高尾管的固井質(zhì)量，目前通常采用旋轉(zhuǎn)尾管固井技術(shù)[1-3]。該技術(shù)是在固井中的注水泥階段，使用專用的可旋轉(zhuǎn)的尾管懸掛器，在鉆臺(tái)上采用頂驅(qū)或轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)送入尾管管柱的鉆柱旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)下部的可旋轉(zhuǎn)尾管懸掛器和尾管管柱一起旋轉(zhuǎn)；在固井施工中，可通過旋轉(zhuǎn)整段套管柱——從井口到套管鞋(Full casing rotation)實(shí)現(xiàn)。

目前，僅有為數(shù)不多的國外幾家油服公司能夠提供此類技術(shù)服務(wù)，其中又以Tesco公司的旋轉(zhuǎn)套管固井工藝最具有代表性。本文以Tesco公司的旋轉(zhuǎn)套管固井工藝為例，介紹旋轉(zhuǎn)套管固井工藝。

1 旋轉(zhuǎn)套管固井工藝原理

旋轉(zhuǎn)套管固井技術(shù)[4-6]是指在固井施工注水泥階段，在鉆井平臺(tái)上使用頂驅(qū)、轉(zhuǎn)盤等動(dòng)力驅(qū)動(dòng)設(shè)備，通過套管驅(qū)動(dòng)井下套管發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)水泥漿由井底上返頂替鉆井液時(shí)，套管的旋轉(zhuǎn)使套管四周的鉆井液更容易、完全地被水泥漿頂替。 最終在水泥漿膠結(jié)凝固形成水泥環(huán)時(shí)，水泥環(huán)與井壁、套管之間的膠結(jié)度得以提高，并且有效防止水泥環(huán)中的水泥串槽及微環(huán)隙的形成。

2 Tesco 旋轉(zhuǎn)套管固井技術(shù)

Tesco 旋轉(zhuǎn)套管固井技術(shù)源自Tesco的CDS頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)下套管裝置[7-11](Casing Driver System)。CDS頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)下套管裝置是旋轉(zhuǎn)套管固井技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備。

2.1 CDS頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)下套管裝置

CDS頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)下套管裝置根據(jù)夾持套管的部位分為內(nèi)套管驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(ICDS)和外套管驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(ECDS)，通過使用該裝置，可以實(shí)現(xiàn)下套管作業(yè)的自動(dòng)化。該系統(tǒng)在鉆井頂驅(qū)的配合下，在下套管的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)邊旋轉(zhuǎn)套管邊灌注循環(huán)鉆井液，使得下套管作業(yè)變得更為順暢。在固井注水泥階段， 可以通過CDS實(shí)現(xiàn)在注水泥漿的同時(shí)進(jìn)行套管旋轉(zhuǎn)和上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

2.2 旋轉(zhuǎn)套管固井系統(tǒng)

Tesco旋轉(zhuǎn)套管固井系統(tǒng)分為地面部分和地下部分，地面部分核心工具為側(cè)接旋轉(zhuǎn)水泥頭、投球釋放器和轉(zhuǎn)矩監(jiān)控系統(tǒng)。

2.2.1側(cè)接旋轉(zhuǎn)水泥頭

側(cè)接旋轉(zhuǎn)水泥頭連接在CDS的頂端，為固井水泥漿從頂驅(qū)的下面進(jìn)入套管內(nèi)提供了入口。側(cè)接旋轉(zhuǎn)水泥頭內(nèi)部中心管上部有屏障， 阻止水泥向上流入頂驅(qū)內(nèi)部。在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)套管固井時(shí)，側(cè)接旋轉(zhuǎn)水泥頭側(cè)向連接的固井管線可以保持不動(dòng)，在固井注水泥階段，側(cè)接旋轉(zhuǎn)水泥頭下部連接的套管可以隨CDS上下活動(dòng)或旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)套管固井。如圖1所示。

圖1 側(cè)接旋轉(zhuǎn)水泥頭

2.2.2投球釋放器

投球釋放器外形與常規(guī)T型三通類似，只是多了一個(gè)手動(dòng)投球手柄，水平兩端為一進(jìn)一出，進(jìn)口一端與鉆臺(tái)附近的與泵車相連的水泥管線相連；出口一端與連接側(cè)接旋轉(zhuǎn)水泥頭的水泥硬管線相連接，垂直一端出口為卸壓口，在注完固井設(shè)計(jì)水泥漿量之后，停固井泵，卸壓口開啟，釋放投球釋放器內(nèi)部壓力，然后旋轉(zhuǎn)手動(dòng)投球手柄，將相應(yīng)尺寸的耐壓樹脂球射入水泥管線中，關(guān)閉卸壓口，重新開固井泵，泵送頂替液，頂替水泥管線中的水泥漿。如圖2所示。

圖2 投球釋放器

2.2.3轉(zhuǎn)矩監(jiān)控系統(tǒng)

轉(zhuǎn)矩監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)傳遞方式，分為無線轉(zhuǎn)矩監(jiān)測記錄和有線轉(zhuǎn)矩監(jiān)測記錄系統(tǒng)2種。轉(zhuǎn)矩監(jiān)控系統(tǒng)安裝在側(cè)接旋轉(zhuǎn)水泥頭和頂驅(qū)之間，實(shí)現(xiàn)套管上扣轉(zhuǎn)矩和套管旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的實(shí)時(shí)現(xiàn)場記錄和監(jiān)控。

2.2.4井下部件

Tesco旋轉(zhuǎn)套管固井系統(tǒng)的井下部件包括固井底膠塞、固井頂膠塞、套管螺旋剛性扶正器、套管劃眼導(dǎo)鞋等。

套管劃眼導(dǎo)鞋底部設(shè)計(jì)成貝殼式導(dǎo)流面，有助于通過井眼臺(tái)階。在局部存在嚴(yán)重狗腿度、縮徑和有斷層的井段，套管劃眼導(dǎo)鞋可降低下入時(shí)的阻力，并可鉆鋁合金材質(zhì)。外部螺旋分布硬質(zhì)合金塊可以修整井壁，在水平井眼里面扶正居中劃眼導(dǎo)鞋，螺旋硬質(zhì)合金塊旋轉(zhuǎn)的時(shí)候可以攪動(dòng)研磨水平井眼低邊的巖屑床，破碎套管下行中所遇到的障礙物；導(dǎo)鞋底部的 3個(gè)水眼提供流體循環(huán)通道，起清洗貝殼式導(dǎo)流面的作用。如圖3所示。

圖3 套管劃眼導(dǎo)鞋

3 Tesco旋轉(zhuǎn)套管固井施工

當(dāng)使用CDS把套管下至預(yù)定深度時(shí)，在轉(zhuǎn)盤上放入卡瓦坐好套管后，將帶有剪切銷釘和鋁質(zhì)球座的水泥頂膠塞安裝在CDS的底部。水泥頂膠塞頂端的鋁制球座在水泥頂替作業(yè)時(shí)為樹脂球提供一個(gè)落座的地方，并且可以永久固定樹脂球。將水泥高壓軟管管線安裝在側(cè)接旋轉(zhuǎn)水泥頭上。將一個(gè)投球釋放器與鉆臺(tái)附近的水泥高壓硬管線相連，然后將水泥管線從投球釋放器接口處通到水泥車上，與常規(guī)固井作業(yè)一樣。如圖4所示。特別強(qiáng)調(diào)的是與側(cè)接旋轉(zhuǎn)水泥頭連接的水泥管線必須是高壓軟管。

圖4 高壓軟管與側(cè)接旋轉(zhuǎn)水泥頭連接示意

固井作業(yè)時(shí)，首先將固井底膠塞投放入套管內(nèi)，然后將底部裝好水泥頂膠塞的CDS插入套管，夾持套管。開啟固井泵車，將水泥泵入井內(nèi)套管之中，此時(shí)，CDS可從轉(zhuǎn)盤提起，可同時(shí)進(jìn)行注水泥漿和旋轉(zhuǎn)套管作業(yè)。旋轉(zhuǎn)套管的轉(zhuǎn)矩和套管的轉(zhuǎn)速根據(jù)井眼全角變化率、地層、所旋轉(zhuǎn)的套管、鉆井液等綜合情況進(jìn)行考慮。在現(xiàn)場實(shí)際操作過程中，不合適的套管上扣轉(zhuǎn)矩和套管旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩會(huì)造成套管接頭螺紋的損壞。套管的轉(zhuǎn)速控制在11～15 r/min，轉(zhuǎn)矩不得超過所旋轉(zhuǎn)套管的最大上扣轉(zhuǎn)矩值的80%。一旦固井底膠塞坐落到套管浮箍上，壓力增大，固井底膠塞的中空薄弱區(qū)破裂，打開水泥漿流動(dòng)通道，水泥漿流入井眼底部，然后沿井眼和套管之間的環(huán)空上返，直至預(yù)計(jì)的水泥返高。當(dāng)設(shè)計(jì)的所有水泥漿量都被泵入后，停止CDS，旋轉(zhuǎn)投球釋放器的投球手柄，將樹脂球頂入水泥漿流動(dòng)通道；然后將頂替液泵入，起始階段頂替液泵入排量約0.2 m3/min。樹脂球沿水泥高壓軟管線上行，穿過側(cè)接旋轉(zhuǎn)水泥頭，并穿過CDS坐落在水泥頂膠塞的鋁質(zhì)球座內(nèi)。當(dāng)固井泵車的泵壓達(dá)到剪切銷釘剪切預(yù)設(shè)值之后(通常為10 MPa左右)，切斷剪切銷釘，水泥頂膠塞從CDS分離，被水泥漿頂替進(jìn)入套管，水泥漿泵入排量提高到正常水平，頂替過程一直持續(xù)下去。在水泥漿頂替過程中，CDS旋轉(zhuǎn)套管，直至水泥頂膠塞坐落到套管浮箍之上的水泥底膠塞的頂端(如圖5)，固井泵車的泵壓突然升高，顯示碰壓成功，旋轉(zhuǎn)套管固井注水泥作業(yè)結(jié)束。在旋轉(zhuǎn)套管固井作業(yè)完成后，側(cè)接旋轉(zhuǎn)水泥頭、投球釋放器和轉(zhuǎn)矩監(jiān)控系統(tǒng)都可以從井口被拆卸下來。

圖5 水泥頂膠塞坐到水泥底膠塞示意

4 固井質(zhì)量評(píng)價(jià)

圖6為北美某油田作業(yè)方提供的2口井的聲幅測井圖，圖6a為?244.5 mm套管直井固井聲幅測井圖，采用常規(guī)固井方式；圖6b為?139.7 mm套管水平井固井聲幅測井圖，采用Tesco套管旋轉(zhuǎn)固井工藝固井。通過對(duì)比，常規(guī)固井的套管波反射區(qū)比較明顯，表明第1膠結(jié)界面(套管與水泥環(huán))膠結(jié)質(zhì)量差，而旋轉(zhuǎn)固井的套管波反射區(qū)缺失，則表明第1膠結(jié)界面(套管與水泥環(huán))膠結(jié)質(zhì)量良好；在地層波反射區(qū)，常規(guī)固井的地層波反射區(qū)不清晰，表明第2膠結(jié)界面(水泥環(huán)與地層)膠結(jié)質(zhì)量差，旋轉(zhuǎn)固的地層波反射區(qū)清晰整齊，表明第2膠結(jié)界面膠結(jié)質(zhì)量良好。綜合來看，采用Tesco套管旋轉(zhuǎn)固井工藝的固井質(zhì)量優(yōu)于常規(guī)固井方式的固井質(zhì)量。

圖6 固井質(zhì)量測井圖對(duì)比1

通過固井質(zhì)量成像測井圖，可反映水泥環(huán)內(nèi)部的膠結(jié)質(zhì)量。圖7為5口?139.7 mm套管水平井固井成像測井圖，采用常規(guī)固井的3口井，水泥漿凝固時(shí)，所形成的水泥環(huán)內(nèi)部容易產(chǎn)生縫隙，形成互相連通的流體(氣體和液體)流動(dòng)通道；且在水泥環(huán)本體和套管的第1膠結(jié)界面以及水泥環(huán)本體和地層的第2膠結(jié)界面，容易生成微孔隙和微裂縫，可能會(huì)導(dǎo)致水泥串槽，導(dǎo)致地層串通，造成固井失敗。采用Tesco套管旋轉(zhuǎn)固井工藝固井的2口井，水泥環(huán)內(nèi)部不能產(chǎn)生互相連通流體的(氣體和液體)流動(dòng)通道，水泥環(huán)內(nèi)部氣體和液體的含有量以及氣泡和液泡的數(shù)目和體積都大幅度減少，水泥環(huán)的2個(gè)膠結(jié)界面都顯示有較好的膠結(jié)，固井質(zhì)量良好。

圖7 固井質(zhì)量測井圖對(duì)比2

5 結(jié)論

1) 旋轉(zhuǎn)套管固井有效提高了固井注水泥階段水泥漿的頂替效率，水泥環(huán)本體和套管的第1膠結(jié)界面以及水泥環(huán)本體和地層的第2膠結(jié)界面膠結(jié)質(zhì)量都得到提高，保證了固井質(zhì)量，是石油鉆井行業(yè)固井工藝發(fā)展的趨勢之一。

2) Tesco的旋轉(zhuǎn)套管固井工藝和頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)下套管技術(shù)無縫連接，減少了下套管到位和固井作業(yè)之間的非生產(chǎn)時(shí)間(NPT)，提高了鉆井時(shí)效?？墒褂脴?biāo)準(zhǔn)的固井設(shè)備和水泥漿，無須做任何的改變，能夠在固井注水泥階段，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)活動(dòng)全井段套管，達(dá)到提高固井質(zhì)量、套管和井眼地層之間獲得更好的封固和隔離效果的目的。

3) 在采用旋轉(zhuǎn)套管固井工藝時(shí)，建議選用具有較高轉(zhuǎn)矩的氣密封扣型的套管,避免因旋轉(zhuǎn)套管轉(zhuǎn)距過大而損壞套管接頭螺紋。常規(guī)API長圓螺紋套管的抗扭能力較低，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩過大時(shí)可能會(huì)造成對(duì)螺紋的傷害，過小則可能無法轉(zhuǎn)動(dòng)套管。

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