順北鷹1 井φ444.5 mm 長(zhǎng)裸眼固井技術(shù)

鄒書(shū)強(qiáng)， 王建云， 張紅衛(wèi)， 伊爾齊木

（中國(guó)石化西北油田分公司，新疆烏魯木齊 830011）

順北鷹1 井是位于塔里木盆地順托果勒低隆北緣的一口預(yù)探井，二開(kāi)采用φ444.5 mm 鉆頭鉆至井深5 395.00 m 中完，下入φ339.7 mm 技術(shù)套管封固新近系上部欠壓實(shí)地層、三疊系與石炭系易塌泥巖地層和二疊系微裂縫發(fā)育易漏的火成巖地層[1-2]。由于該井φ339.7 mm 套管下深深、懸重大，且封固段存在易漏失的火成巖地層，國(guó)內(nèi)外同尺寸套管類似下深、封固易漏地層的固井施工可借鑒的經(jīng)驗(yàn)少。為此，筆者在分析該井φ444.5 mm 長(zhǎng)裸眼段固井技術(shù)難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采取了優(yōu)化井眼準(zhǔn)備技術(shù)措施，選用低密度防漏水泥漿并優(yōu)化其流變性能，設(shè)計(jì)分級(jí)注水泥器，形成了大尺寸長(zhǎng)裸眼固井技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了順北鷹1 井φ339.7 mm 套管順利下入和有效封固長(zhǎng)裸眼段的目的。

1 固井技術(shù)難點(diǎn)

順北鷹1 井一開(kāi)采用φ660.4 m 鉆頭鉆至井深607.00 m，φ508.0 mm 表層套管下至井深606.80 m，封隔第四系與新近系地層，水泥返至地面；二開(kāi)采用φ444.5 mm 鉆頭鉆穿二疊系進(jìn)入石炭系50.00 m，下入φ339.7 mm 技術(shù)套管，主要封固新近系上部易塌、易漏地層，為三開(kāi)鉆進(jìn)創(chuàng)造有利條件（見(jiàn)圖1）。該井二開(kāi)設(shè)計(jì)中完井深5 417.00 m，實(shí)鉆中完井深5 395.00 m，φ444.5 mm 裸眼段長(zhǎng)4 788.00 m。該井φ444.5 mm 長(zhǎng)裸眼固井主要存在以下技術(shù)難點(diǎn)：

圖 1 順北鷹1 井二開(kāi)中完井身結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Casing program of the second spudding for Well SBY-1

1）φ339.7 mm 套管下深深（井深5 393.00 m）、懸重大（凈重5 457 kN），下套管作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)鉆機(jī)和井口配套工具性能要求高。

2）裸眼段長(zhǎng)達(dá)4 788.00 m，套管外徑大，上部井段主要為砂泥巖地層，部分井段存在縮徑現(xiàn)象，井眼平均井徑擴(kuò)大率為0.5%，下套管過(guò)程中易發(fā)生阻卡。

3）二疊系火成巖地層（4 729.00～5 345.00 m 井段）裂縫發(fā)育，鉆進(jìn)過(guò)程中發(fā)生3 次失返性漏失，下套管及固井過(guò)程中復(fù)漏風(fēng)險(xiǎn)高，難以實(shí)現(xiàn)全井段封固。

4）采用非連續(xù)式分級(jí)注水泥施工工藝，對(duì)分級(jí)注水泥器抗拉、抗壓和循環(huán)孔開(kāi)關(guān)等性能要求高。

5）井眼環(huán)空大，水泥漿難以實(shí)現(xiàn)紊流頂替，頂替效率低，固井質(zhì)量難以保證。

6）水泥漿注替量大，固井施工作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)水泥漿性能及固井設(shè)備性能要求高；倒罐次數(shù)較多，對(duì)注入液量和返出液量的計(jì)量精度要求較高。

2 固井關(guān)鍵技術(shù)

2.1 φ339.7 mm 套管下入技術(shù)

2.1.1 載荷校核及配套工具

根據(jù)鉆井工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，選擇鉆機(jī)時(shí)，要求配套鉆柱與提升系統(tǒng)重量之和不能超過(guò)鉆機(jī)額定載荷的80%；下套管及處理井下故障時(shí)，大鉤載荷不能超過(guò)鉆機(jī)的最大允許載荷。

順北鷹1 井二開(kāi)套管設(shè)計(jì)下入壁厚12.19 mm的φ339.7 mm P110 套管，套管重量達(dá)5 457 kN，二開(kāi)中完時(shí)鉆井液密度1.25 kg/L，套管浮重為4 588 kN；該井采用90 型鉆機(jī)，其大鉤額定載荷（6 750 kN）的80%為5 400 kN，游車重量250 kN，套管浮重與游車重量之和小于5 400 kN，鉆機(jī)大鉤載荷滿足安全施工要求。

由于下套管時(shí)的大鉤載荷比二開(kāi)鉆進(jìn)時(shí)大，因此下套管前應(yīng)更換成大承載吊環(huán)和套管吊卡，考慮安全系數(shù)及處理下套管阻卡情況，吊環(huán)和吊卡的額定載荷應(yīng)不低于鉆機(jī)大鉤的額定載荷（6 750 kN）。

φ339.7 mm 套管下入過(guò)程中，受井口居中度、現(xiàn)場(chǎng)操作和沖擊載荷等因素的影響，套管接箍極易發(fā)生變形，導(dǎo)致發(fā)生套管螺紋密封失效、黏扣和滑落等故障，為此，下套管后期應(yīng)采用卡盤(pán)進(jìn)行下套管作業(yè)[3-12]。

2.1.2 通井措施及套管下放速度設(shè)計(jì)

對(duì)于大尺寸套管固井，首先要保證套管順利下至設(shè)計(jì)井深。因此，下套管前先采用剛性大于套管的通井鉆具組合進(jìn)行通井，并在縮徑、遇阻井段進(jìn)行短起下，以確保井眼通暢。通井鉆具組合的剛性模擬能力一般采用剛性比公式[13]進(jìn)行計(jì)算。剛性比m 計(jì)算公式為：

式中： Ddc為鉆鋌外徑，mm； ddc為鉆鋌內(nèi)徑，mm；Dc為套管外徑，mm；dc套管內(nèi)徑，mm；

順北鷹1 井通井鉆具組合為φ444.5 mm 牙輪鉆頭+φ279.0 mm 鉆鋌×2 根+831×730 接頭+φ430.0 mm穩(wěn)定器+φ228.6 mm 鉆鋌×2 根+731×630 接頭+φ203.2 mm鉆鋌×6 根+震擊器+φ203.2 mm 鉆鋌×3 根+φ139.7 mm鉆桿。該鉆具組合與φ339.7 mm 套管的剛性比為1.76，大于1.00，說(shuō)明該鉆具組合能充分模擬套管的剛性，滿足通井要求。

下套管過(guò)程中，保持地層壓力與井內(nèi)液柱壓力平衡是保證安全下套管的關(guān)鍵。下套管作業(yè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生激動(dòng)壓力，若激動(dòng)壓力過(guò)大，使井筒內(nèi)液柱壓力超過(guò)地層的承壓能力，就可能發(fā)生漏失。因此，下套管作業(yè)過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制套管下放速度，以保證產(chǎn)生的激動(dòng)壓力在允許范圍內(nèi)[4-13]。目前主要采用等環(huán)空返速法、并附加一定安全系數(shù)計(jì)算套管下放速度[14]，其計(jì)算公式為：

式中： vu為 環(huán)空安全上返速度，m/s； vcr為套管下放速度，m/s； qo為 單位長(zhǎng)度套管的體積，L/m； qa為單位長(zhǎng)度環(huán)空的容積，L/m。

結(jié)合順北鷹1 井實(shí)測(cè)井徑和通井循環(huán)參數(shù)，若安全系數(shù)取1.0，單根套管下放時(shí)間應(yīng)不小于43 s；若安全系數(shù)取2.0，單根套管下放時(shí)間應(yīng)不小于86 s。套管進(jìn)入裸眼段后，考慮激動(dòng)壓力影響，安全系數(shù)應(yīng)不小于1.5，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)必須嚴(yán)格控制套管下放速度，以防止壓漏地層。

2.1.3 鉆井液性能處理

對(duì)于大直徑長(zhǎng)裸眼，考慮到井壁的穩(wěn)定性和井下安全，下套管前不宜大幅調(diào)整鉆井液性能。在保證鉆井液密度、穩(wěn)定性和抑制性不受影響的前提下，可以降低鉆井液的黏度、切力、動(dòng)塑比、摩阻系數(shù)和固相含量。

順北鷹1 井二開(kāi)采用鉀胺基聚磺鉆井液鉆進(jìn)，為確保φ339.7 mm 套管順利下至設(shè)計(jì)井深，需維持鉆井液的防塌、封堵、抗溫性能，提高其潤(rùn)滑性，清除有害固相，以降低摩阻。通井過(guò)程中，應(yīng)確保振動(dòng)篩、除砂器、離心機(jī)等固控設(shè)備運(yùn)行良好，最大限度地清除有害固相，改善濾餅質(zhì)量，形成薄而韌的濾餅；同時(shí)增大潤(rùn)滑劑加量，增強(qiáng)濾餅和鉆井液的潤(rùn)滑性；通井到底后充分循環(huán)鉆井液2 周以上，并采用超細(xì)纖維+稠漿攜砂清潔井眼，直至振動(dòng)篩無(wú)巖屑返出；起鉆前泵入封閉漿封閉井底至三疊系的井段，三疊系封閉漿以防塌為主，二疊系封閉漿以封堵為主。該井φ339.7 mm 套管下入前鉆井液性能為：密度1.25 kg/L，漏斗黏度53 s，塑性入22 mPa·s，動(dòng)切力6.0 Pa，靜切力2.0/7.5 Pa，API 濾失量3.4 mL，高溫高壓濾失量11.0 mL，pH 值9.0，濾餅厚度0.5 mm，摩阻系數(shù)0.03，膨潤(rùn)土含量35%，固相含量10%，含砂量0.1%，Cl-含量30 000 mg/L。

2.2 φ339.7 mm 套管雙級(jí)固井技術(shù)

2.2.1 分級(jí)注水泥器的設(shè)計(jì)

由于φ339.7 mm 套管下深深，固井施工一次性注水泥量大，高泵壓延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，加之二疊系地層承壓能力低，封固段上下溫差大，水泥漿性能不易調(diào)節(jié)。為解決上述技術(shù)難點(diǎn)，確保固井成功率和固井質(zhì)量，采用非連續(xù)式分級(jí)注水泥施工工藝。

該井二疊系易漏地層位于4 729.00～5 345.00 m井段，為最大程度降低一級(jí)固井施工發(fā)生漏失的風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)將分級(jí)注水泥器安放在井深3 800.00 m 左右、具有一定抗壓強(qiáng)度和相對(duì)穩(wěn)定的白堊系泥巖層。由于分級(jí)注水泥器安放位置較深，對(duì)分級(jí)注水泥器抗拉、抗壓、循環(huán)孔的開(kāi)關(guān)和密封能力等性能提出了嚴(yán)苛的要求，且未見(jiàn)到國(guó)內(nèi)將φ339.7 mm 分級(jí)注水泥器安放在如此深位置的報(bào)道。因此，結(jié)合該井情況，設(shè)計(jì)了適用于該井的φ339.7 mm 分級(jí)注水泥器，以保證分級(jí)注水泥器性能滿足施工要求。φ339.7 mm 分級(jí)注水泥器的主要技術(shù)參數(shù)：本體最大外徑380.0 mm，本體內(nèi)徑315.0 mm；撓性塞長(zhǎng)625 mm，重力塞長(zhǎng)560 mm，關(guān)閉塞長(zhǎng)360 mm，總長(zhǎng)920 mm；循環(huán)孔打開(kāi)壓力5.0～6.0 MPa，打開(kāi)作用力546 kN，關(guān)閉壓力4.5～6.0 MPa，關(guān)閉作用力390 kN，密封能力35 MPa；BTC 扣。其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖 2 φ339.7 mm 分級(jí)注水泥器結(jié)構(gòu)示意Fig.2 φ339.7 mm stage collar structure diagram

φ339.7 mm 分級(jí)注水泥器具有以下特點(diǎn)：1）采用了新型密封結(jié)構(gòu)，密封能力達(dá)到35 MPa；2）套管下入及循環(huán)過(guò)程中不受泵壓影響，不存在循環(huán)孔提前打開(kāi)的風(fēng)險(xiǎn)；3）關(guān)閉套上有卡簧鎖緊裝置，關(guān)閉后鎖緊可靠；4）循環(huán)孔的打開(kāi)、關(guān)閉動(dòng)作不存在小腔液體壓縮問(wèn)題；5）上下接頭內(nèi)徑與套管內(nèi)徑一致，起下鉆及進(jìn)行鉆除作業(yè)時(shí)可有效保護(hù)雙級(jí)注水泥器，以免受到損傷；6）全部附件均由可鉆性好的橡膠/鋁質(zhì)材料制成，且具有特殊的防轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，鉆除方便。

一級(jí)固井施工期間若發(fā)生漏失，應(yīng)延長(zhǎng)一級(jí)和二級(jí)固井施工間隔時(shí)間，確保一級(jí)固井水泥石有一定強(qiáng)度后再進(jìn)行二級(jí)固井施工；二級(jí)固井施工若發(fā)生漏失，應(yīng)做好井口反擠水泥的準(zhǔn)備，以確保井口段的封固質(zhì)量。

2.2.2 水泥漿及其流變學(xué)設(shè)計(jì)

為防止長(zhǎng)封固段發(fā)生漏失，一級(jí)固井領(lǐng)漿采用低密度水泥漿，設(shè)計(jì)封固段長(zhǎng)1 300.00 m，密度不大于1.60 kg/L，以降低環(huán)空液柱壓力；一級(jí)固井尾漿采用常規(guī)密度抗高溫短候凝水泥漿，設(shè)計(jì)封固段長(zhǎng)393.00 m，密度1.90 kg/L，以提高套管鞋以上井段固井質(zhì)量；二級(jí)固井水泥漿采用低密度水泥漿，設(shè)計(jì)封固段長(zhǎng)2 993.00 m，密度不大于1.60 kg/L，以進(jìn)一步降低二級(jí)固井漏失風(fēng)險(xiǎn)。

二開(kāi)φ444.5 mm 井眼固井時(shí)，水泥漿設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是低密度高強(qiáng)度水泥漿的優(yōu)選與性能優(yōu)化，需要在保證水泥漿沉降穩(wěn)定性的前提下，降低其密度，同時(shí)提高水泥石早期強(qiáng)度。

控制水灰比，復(fù)配物理改性后的粉煤灰以及微硅、石棉等功能性材料，形成了低密度高強(qiáng)度復(fù)合水泥漿，其基本配方為阿克蘇G 級(jí)水泥+70.0%～150.0%粉煤灰復(fù)合低密度材料+4.0%～6.0%膨脹劑+2.0%～6.0%增黏劑+10.0%～20.0%降濾失劑+2.0%～4.0% 早強(qiáng)劑+1.0%～2.0% 緩凝劑+0.3%～0.5%消泡劑+100.0%～200.0%水。表1 為不同密度復(fù)合低密度水泥漿的基本性能。

表 1 不同密度復(fù)合低密度水泥漿的基本性能Table 1 Properties of composite low-density cement slurry with different densities

由表1 可知，復(fù)合低密度高強(qiáng)度水泥漿的密度在1.45～1.60 kg/L 可調(diào)，稠化過(guò)渡時(shí)間較短，流動(dòng)性能好，沉降穩(wěn)定性好，上下層密度差不大于0.03 kg/L，水泥石抗壓強(qiáng)度發(fā)展迅速，48 h 抗壓強(qiáng)度大于14 MPa，適用于深井固井。在水泥漿密度滿足要求的前提下，需要盡量提高水泥漿的流動(dòng)性和水泥石早期強(qiáng)度，因此，以密度1.60 kg/L 的復(fù)合低密度水泥漿作為一級(jí)固井的領(lǐng)漿和二級(jí)固井水泥漿。

為提高一級(jí)固井尾漿的抗高溫性能，防止在高溫下形成強(qiáng)度較低的水化硅酸二鈣，在水泥漿中添加35.0%硅粉，其基本配方為阿克蘇G 級(jí)水泥+35.0%硅粉+2.0%微硅+4.0%降濾失劑+0.5%分散劑+0.5%緩凝劑+0.3%消泡劑+54.0%水，其基本性能主要為：密度1.90 kg/L，93 ℃下六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)3，6，100，200，300 和600 r/min 轉(zhuǎn)速下的讀數(shù)分別為201，135，108，65，8 和7，API 濾失量40 mL，自由液0 mL，流動(dòng)度20 cm，在90 ℃、0.1 MPa 條件下水泥石24 和48 h的抗壓強(qiáng)度分別為19.6 和25.6 MPa。一級(jí)尾漿常規(guī)密度抗高溫水泥漿稠化過(guò)渡時(shí)間2 min，水泥石抗壓強(qiáng)度發(fā)展迅速，48 h 抗壓強(qiáng)度大于24 MPa，可保證套管鞋處水泥環(huán)封固質(zhì)量，滿足固井施工要求。

根據(jù)中完通井循環(huán)情況設(shè)計(jì)水泥漿頂替排量。該井二開(kāi)中完循環(huán)排量49.50 L/s，循環(huán)立壓14.5 MPa，井眼穩(wěn)定且無(wú)漏失，可以計(jì)算出環(huán)空最大安全返速。根據(jù)環(huán)空最大安全返速計(jì)算出φ339.7 mm 套管下至設(shè)計(jì)井深后安全最大替漿排量為34.00 L/s。從表2 可以看出，由于環(huán)空間隙相對(duì)較大，一級(jí)領(lǐng)漿和尾漿達(dá)到紊流所需排量分別為81.80 和187.60 L/s，難以實(shí)現(xiàn)紊流頂替，而隔離液的紊流排量為31.23 L/s，較易實(shí)現(xiàn)。因此，設(shè)計(jì)增大隔離液用量，替漿時(shí)中盡可能采用大排量頂替，以增長(zhǎng)紊流接觸時(shí)間，確保頂替效率。

3 現(xiàn)場(chǎng)施工

3.1 套管下入

入井套管柱：浮鞋+φ339.7 mm 套管×2 根+1#浮箍+φ339.7 mm 套管×2 根+2#浮箍+φ339.7 mm 套管×2 根+承托環(huán)+φ339.7 mm 套管+分級(jí)注水泥器+φ339.7 mm 套管。

表 2 一級(jí)固井排量設(shè)計(jì)Table 2 Design of primary cementing displacement

下套管過(guò)程中，為防止發(fā)生漏失，應(yīng)嚴(yán)格控制套管下放速度。井深2 000.00 m 以淺井段，控制單根套管下放時(shí)間大于45 s；井深3 000.00 m 以淺井段，控制單根套管下放時(shí)間大于60 s；井深4 000.00 m 以淺井段，控制單根套管下放時(shí)間大于75 s；井深4 000.00 m以深井段，控制單根套管下放時(shí)間大于90 s。下套管期間井口返漿正常，未發(fā)生漏失。

采用卡盤(pán)下套管時(shí)，由于安裝卡盤(pán)耗時(shí)較長(zhǎng)，需在 套管進(jìn)入裸眼井段前將卡盤(pán)和操作臺(tái)安裝到位；但安裝卡盤(pán)后，套管扶正器無(wú)法通過(guò)卡盤(pán)，導(dǎo)致上部井段的套管柱無(wú)法安裝扶正器，套管居中度受到一定影響。

通過(guò)采取通井措施，調(diào)整鉆井液性能，為下套管提供了良好的井眼條件，降低了下套管摩阻，裸眼段套管下放摩阻50～120 kN。經(jīng)過(guò)68 h 的下套管作業(yè)，順北鷹1 井φ339.7 mm 套管順利下至設(shè)計(jì)位置，開(kāi)泵頂通，頂通壓力2.5 MPa，頂通排量0.4 m3/min；后逐步將排量提至2.5 m3/min 發(fā)生漏失，漏速1.6 m3/h，排量降至2.0 m3/min 恢復(fù)正常。

3.2 注水泥

一級(jí)固井領(lǐng)漿和尾漿的性能見(jiàn)表3。

表 3 一級(jí)固井入井水泥漿主要性能Table 3 Main properties of primary cementing slurry

一級(jí)固井施工前注入20 m3密度1.25 kg·L-1的堵漏鉆井液，注入領(lǐng)漿97 m3，尾漿44 m3，替漿414 m3未碰壓，期間井口持續(xù)返漿，施工結(jié)束漏失漿體192 m3。投入重力塞，重力塞下行80 min 到位后，憋壓至7 MPa 分級(jí)注水泥器順利打開(kāi)，建立正常循環(huán)，循環(huán)一周后間隙頂通，間隔24 h 后進(jìn)行二級(jí)固井施工。

二級(jí)固井施工前先大排量循環(huán)洗井，二級(jí)固井共注入水泥漿320.0 m3，替漿296.7 m3碰壓，壓力由6 MPa 升至20 MPa，分級(jí)注水泥器關(guān)閉。其中，替漿至120.0 m3時(shí)井口突然失返，替漿至236.0 m3時(shí)井口有少量返漿，二級(jí)固井施工漏失漿體162.0 m3。

二級(jí)固井后進(jìn)行井口反擠水泥作業(yè)，擠入63 m3水泥漿。CBL 測(cè)井曲線顯示，0～300.00 m 井段聲幅值小于15%，固井質(zhì)量?jī)?yōu)；300.00～3 300.00 m 井段聲幅值大于30%，固井質(zhì)量合格；3 300.00～5 393.00 m井段聲幅值不大于30%，固井質(zhì)量中等，該井φ444.5 mm長(zhǎng)裸眼段實(shí)現(xiàn)了有效封固的目的。

4 結(jié)論與建議

1）長(zhǎng)裸眼大尺寸套管固井時(shí)，需采用高剛性鉆具組合進(jìn)行通井，調(diào)整鉆井液性能，使其防塌和潤(rùn)滑性能達(dá)到要求，并嚴(yán)格控制套管下放速度，以確保套管順利下至設(shè)計(jì)井深。

2）下入超長(zhǎng)大尺寸套管時(shí)，應(yīng)首先校核下套管設(shè)備的載荷，以確保其性能滿足大載荷作業(yè)要求，同時(shí)考慮大載荷作用下套管接箍的安全性，下套管后期宜采用卡盤(pán)進(jìn)行下套管作業(yè)。

3）針對(duì)大尺寸分級(jí)注水泥器下深較深的情況，根據(jù)大直徑套管分級(jí)固井的要求，設(shè)計(jì)了適用于該井的分級(jí)注水泥器。

4）超深漏失井固井時(shí)，為降低漏失量，水泥漿的密度應(yīng)盡可能接近鉆井液密度，并根據(jù)鉆井時(shí)的排量設(shè)計(jì)施工排量，制定防漏措施。

5）大井徑長(zhǎng)裸眼段固井時(shí)，水泥漿難以實(shí)現(xiàn)紊流頂替，需進(jìn)一步優(yōu)化前置液的流變性能。