大港油田長(zhǎng)新5磨銑套管救援井設(shè)計(jì)與實(shí)踐

付友義, 周洪林, 陳佳杰

(1中國(guó)石油大港油田分公司 2中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司)

大港油田長(zhǎng)5井在2012年12月9日解堵作業(yè)時(shí)井口發(fā)生爆炸，61 m和96 m井深處為套管斷裂點(diǎn)，三層套管全部錯(cuò)斷移位，井口處于失控狀態(tài)，經(jīng)多次井口修復(fù)找不到原井眼導(dǎo)致作業(yè)失敗。為消除安全風(fēng)險(xiǎn)，決定鉆長(zhǎng)新5救援井，鉆穿事故井油層套管及內(nèi)部的油管，注水泥封堵。實(shí)施前調(diào)研國(guó)外Scientific Drilling International公司被動(dòng)靜磁場(chǎng)跟蹤系統(tǒng)MagTrac，Vector Magnetics公司的主動(dòng)測(cè)距Wellspot TM系列電磁場(chǎng)定位測(cè)距救援井技術(shù)，以上技術(shù)無(wú)鉆穿套管的成功案例[1-7]。2013年在國(guó)內(nèi)采用國(guó)外MagTrac技術(shù)實(shí)施了一口救援井案例[8]，貼近落魚底沿老井眼鉆至蓋層中下部位置后下套管固井，然后分段射孔擠水泥封堵，該井施工周期長(zhǎng)，技術(shù)服務(wù)費(fèi)高。因此，決定采用磁感應(yīng)定位技術(shù)實(shí)施長(zhǎng)新5救援井，克服在中深層位置對(duì)接套管的不確定性誤差、雙層管柱擴(kuò)碰磨銑難度等因素的影響，應(yīng)用隨鉆磁感應(yīng)精準(zhǔn)定位技術(shù)，反演修正磁異常空間位置，通過(guò)多次調(diào)整彎螺桿工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)兩井交匯，消除安全隱患。

一、救援井設(shè)計(jì)

1. 設(shè)計(jì)思路

由于事故井設(shè)計(jì)碰撞點(diǎn)在井深3 625 m處，計(jì)算不確定橢圓長(zhǎng)軸半徑為7.1 m，而隨鉆被動(dòng)磁測(cè)距的有效探測(cè)距離僅為2 m。因此，先鉆三段制試碰井眼，初步確定目標(biāo)井套管位置，降低不確定橢圓誤差對(duì)實(shí)鉆軌跡的影響。在鉆井過(guò)程中采用MWD被動(dòng)磁感應(yīng)技術(shù)探測(cè)事故井套管的磁干擾，如未監(jiān)測(cè)到磁干擾，填井鉆下一個(gè)靶點(diǎn)的試碰井眼；若發(fā)現(xiàn)磁干擾則填井，實(shí)施五段制小井斜的找碰井眼，鉆至事故井套管的異常磁干擾區(qū)域后，采用隨鉆磁引導(dǎo)技術(shù)引導(dǎo)鉆頭實(shí)現(xiàn)碰撞，碰撞成功后進(jìn)行磨銑、井眼連通、注水泥作業(yè)。

2. 井眼設(shè)計(jì)

由于隨鉆探測(cè)出套管在不同方向的水平磁場(chǎng)變化值波動(dòng)較大，將直接影響救援井設(shè)計(jì)軌跡方位和能否及時(shí)探測(cè)出異常磁場(chǎng)。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究表明，正南、西南、東南方向的水平磁場(chǎng)異常值較高，容易探測(cè)到套管的磁干擾。因此，救援井口根據(jù)地面條件，碰撞軌跡方向設(shè)計(jì)在事故井偏南173.99°，在事故井井深3 500～3 650 m、方位32°～47°的位置，與目標(biāo)井套管交叉。

在事故井長(zhǎng)5井的油層段以上選擇三個(gè)點(diǎn)，作為救援井試碰的靶點(diǎn)T1A、備用T1B、T1C靶點(diǎn)，垂深分別為3 618.54 m、3 568.54 m、3 518.54 m。第一試碰井眼鉆至靶點(diǎn)T1A，如發(fā)現(xiàn)事故井套管磁場(chǎng)干擾確定套管位置后，側(cè)鉆實(shí)施磁引導(dǎo)找碰軌跡；未發(fā)現(xiàn)干擾則填眼繼續(xù)側(cè)鉆T1B、T1C靶點(diǎn)探尋磁干擾。

試碰井眼T1A軌跡，造斜點(diǎn)3 230 m，造斜率2.4°/30 m，最大井斜12.61°，完鉆井深3 625.5 m。兩個(gè)備用靶點(diǎn)軌跡的井斜、方位相同，目標(biāo)垂深、造斜點(diǎn)、位移不同。長(zhǎng)新5救援井?339.7 mm表層套管下深500 m，?244.5 mm技術(shù)套管下深2 910 m封砂一段地層，三開?215.9 mm井眼鉆至碰撞點(diǎn)與事故井井口連通后注水泥封堵(見圖1)。

圖1 長(zhǎng)新5救援井鉆井軌跡示意圖

二、關(guān)鍵技術(shù)

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，?139.7 mm套管在不同方向的被動(dòng)磁感應(yīng)距離有所不同，最高4 m，最低2 m，地下數(shù)千米地層中金屬磁性元素及鉆井液的存在減弱了套管磁感應(yīng)距離。因此，需在特定方向上設(shè)計(jì)救援井軌跡，采用隨鉆MWD探測(cè)直至發(fā)現(xiàn)異常磁干擾，反演修正計(jì)算距離和方向后填井，微調(diào)方向及位移指向目標(biāo)井套管。救援井關(guān)鍵技術(shù)包括試碰井眼設(shè)計(jì)、磁異常距離確定、套管磁定位、磁感應(yīng)定位引導(dǎo)、碰撞磨銑及鉆井液技術(shù)。

1. 試碰井眼設(shè)計(jì)

以三段制小井斜(11°～12°)接近事故井靶點(diǎn)探尋磁干擾。該軌跡與目標(biāo)井套管相交，相對(duì)于大井斜可能發(fā)現(xiàn)磁異常的井段更長(zhǎng)，實(shí)鉆中加密測(cè)點(diǎn)有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)異常。

2. 磁異常距離確定

在標(biāo)準(zhǔn)大地磁場(chǎng)的地面試驗(yàn)，將?139.7 mm單根套管入井9 m，采用磁測(cè)量工具對(duì)露出地表的管材進(jìn)行測(cè)量，在地面八個(gè)不同方向和距離布置測(cè)點(diǎn)，測(cè)量測(cè)點(diǎn)的磁場(chǎng)異常值。參考國(guó)內(nèi)儀器磁通門精度，取大于標(biāo)準(zhǔn)大地磁場(chǎng)0.5 μT(微特斯拉)為異常標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中垂直磁異常有效距離為3 m，水平磁場(chǎng)異常有效距離為4 m。通過(guò)確定不同方向磁異常變化值，可初步反演修正正鉆井與套管的距離。而實(shí)鉆中鉆井液、地層金屬元素對(duì)套管磁場(chǎng)存在屏蔽現(xiàn)象，表現(xiàn)為不同地層磁導(dǎo)率值要小于真空磁導(dǎo)率，因此需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演修正，距離定位精度為0.5 m。

3. 套管磁定位

石油套管可產(chǎn)生大于大地磁場(chǎng)強(qiáng)度的異常磁場(chǎng)，隨鉆磁感應(yīng)定位技術(shù)是通過(guò)隨鉆MWD探測(cè)工具密集測(cè)量，對(duì)實(shí)鉆磁分量中的異常水平磁分量數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸反演，確定測(cè)點(diǎn)處事故井套管的相對(duì)位置。救援井位于事故井北方向，且為小井斜，異常水平磁干擾對(duì)真實(shí)方位影響較小，2 m內(nèi)方位計(jì)算誤差小于5%。

4. 磁感應(yīng)引導(dǎo)技術(shù)

采用MWD隨鉆被動(dòng)探測(cè)事故井套管的磁場(chǎng)參數(shù)，確定有效的磁場(chǎng)異常后，使用磁分量異常值反演出事故井套管的相對(duì)位置，引導(dǎo)鉆頭軌跡前進(jìn)。長(zhǎng)5井所在地區(qū)的大地磁場(chǎng)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為53.7 μT，地磁傾角標(biāo)準(zhǔn)值為57.9°，設(shè)定測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度或磁傾角與標(biāo)準(zhǔn)值變動(dòng)±1%范圍為正常，1%～2%為異常，超過(guò)2%為嚴(yán)重異常。救援井測(cè)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)事故井磁感應(yīng)異常后，根據(jù)垂直、水平磁場(chǎng)異常變化數(shù)據(jù)反演修正計(jì)算事故井的距離及方向，引導(dǎo)救援井軌跡方向。當(dāng)測(cè)點(diǎn)的水平磁異常變化值達(dá)高峰，垂直磁異常變化值相對(duì)平緩時(shí)，則判定距目標(biāo)套管大約0.5 m。經(jīng)多個(gè)測(cè)點(diǎn)的反演修正計(jì)算判斷套管的相對(duì)位置，用彎螺桿扭方位或調(diào)整井斜去找碰套管，成功后換PDC鉆頭擴(kuò)碰磨銑，實(shí)現(xiàn)兩井的交匯連通。

5. 碰撞磨銑

采用牙輪鉆頭+螺桿鉆具用于軌跡調(diào)整，工具面擺放較為容易，且鉆頭與套管碰撞時(shí)反應(yīng)明顯，易于司鉆發(fā)現(xiàn)井下異常?？紤]到牙輪鉆頭磨銑作業(yè)中易發(fā)生牙輪掉落，且牙輪鉆頭切削端面不如PDC鉆頭規(guī)則，無(wú)法形成規(guī)則的交匯窗口。因此，使用牙輪鉆頭找碰成功后，起鉆更換PDC鉆頭進(jìn)行窗口擴(kuò)碰磨銑。

6. 鉆井液性能

由于救援井的井底連通窗口容易發(fā)生堵塞，因此磨銑過(guò)程中隨時(shí)調(diào)整好鉆井液的黏度、切力等性能，滿足井壁穩(wěn)定和攜砂要求[9]。另外，洗井常用的高黏度、高切力鉆井液會(huì)增加流動(dòng)阻力，窗口磨銑成型后，應(yīng)降低鉆井液黏度、切力，充分循環(huán)打通井下通道，如未連通可關(guān)封井器反復(fù)憋壓加速連通。觀察到事故井返出鉆井液后，方可進(jìn)行注水泥封堵作業(yè)。

三、救援井實(shí)施

救援井于2019年1月28日一開，1月31日二開，2月15日三開，3月3日試碰井眼鉆至井深3 583 m發(fā)現(xiàn)磁異常，繼續(xù)鉆進(jìn)至3 625 m未碰到事故井套管，打水泥塞填眼側(cè)鉆。3月11日在井深3 065 m進(jìn)行側(cè)鉆，3月25日2∶20在井深3 586 m碰撞成功，3月26日下入PDC鉆頭磨銑至3 587.60 m，起鉆注水泥封堵。救援井井身結(jié)構(gòu)：?444.5 mm×486 m+?339.7 mm×484.77 m+?311.1 mm×2 931 m+?244.5 mm×2 928.49 m+?215.9 mm×3 625 m。

1. 試碰軌跡控制

2月25日18∶00在井深3 227.29 m開始造斜，鉆進(jìn)中在測(cè)點(diǎn)3 583.80 m、3 585.73 m、3 588.79 m、3 598.47 m、3 603.11 m探測(cè)到有效磁干擾，在測(cè)點(diǎn)3 583.80 m、3 585.73 m、3 588.79 m分別出現(xiàn)了最大磁異常變化值-1.48 μT、-1.92 μT、-1.65 μT，計(jì)算異常比值為3.86%、5.02%、4.31%(見表1)，均超過(guò)了嚴(yán)重磁異常2%的標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)反演修正計(jì)算套管磁干擾方向，在救援井方位線右60°～80°區(qū)域，計(jì)算得到與事故井套管相距1.3 m。受MWD 18 m探測(cè)工具盲區(qū)影響，判斷與事故井套管的最近距離點(diǎn)已過(guò)，鉆至3 625 m填眼側(cè)鉆。

表1 試碰井眼與事故井磁定位數(shù)據(jù)

2. 找碰軌跡控制

以試碰井眼3 585 m為目標(biāo)點(diǎn)，軌跡方位線向右平移1.3 m，采用五段制軌跡設(shè)計(jì)在3 566 m降直，與事故井套管形成順行纏繞的方式，逐漸接近目標(biāo)實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)碰撞。在3 065～3 078 m井段使用彎接頭+直螺桿側(cè)鉆成功，后下入單彎螺桿+PDC組合，鉆至井深3 540 m發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)異常，判斷已進(jìn)入目標(biāo)井套管磁異常區(qū)域，起鉆換牙輪鉆頭，鉆具組合改為剛性碰撞組合。

通過(guò)分析磁感應(yīng)異常數(shù)據(jù)，調(diào)整磁引導(dǎo)碰撞軌跡，反演修正計(jì)算出救援井位于事故井套管右側(cè)。為驗(yàn)證計(jì)算的準(zhǔn)確性，向左側(cè)調(diào)整方位再次確認(rèn)計(jì)算，在測(cè)點(diǎn)3 536.50 m處垂直異常值為1.94 μT，超出標(biāo)準(zhǔn)值4.37%，經(jīng)計(jì)算與事故井套管相距小于1.5 m，位于右63°(表2)，向左側(cè)增斜向小扭方位。

表2 長(zhǎng)新5井磁感應(yīng)引導(dǎo)碰撞數(shù)據(jù)

鉆進(jìn)至測(cè)點(diǎn)3 546.22 m后增斜至2.5°，此時(shí)方位由171°降至154°，鉆至測(cè)點(diǎn)3 549.00 m數(shù)據(jù)表明磁感應(yīng)異常信號(hào)逐漸減弱，鉆頭穿過(guò)套管井并位于左側(cè)，磁測(cè)距離為1.5 m。

繼續(xù)向右調(diào)整方位由154°扭至180°，鉆進(jìn)至測(cè)點(diǎn)3 569 m，水平磁感應(yīng)強(qiáng)度再次經(jīng)歷了由弱變強(qiáng)達(dá)到峰值的過(guò)程(見表2)，通過(guò)反演修正計(jì)算事故井套管位于救援井軌跡下方相距0.5 m，水平異常差值為-2.57 μT，判斷救援井已貼近事故井套管，決定降斜實(shí)現(xiàn)兩井相碰。

滑動(dòng)鉆進(jìn)至3 586.00 m，無(wú)進(jìn)尺、蹩泵、轉(zhuǎn)動(dòng)鉆進(jìn)扭矩上升，鉆具出現(xiàn)規(guī)律性的蹩跳，采用60 r/min轉(zhuǎn)速磨銑至3 586.50 m，鉆井液漏失21 m3，找碰套管成功。25日4∶00起鉆，11∶30鉆具起至2 803.00 m關(guān)封井器，長(zhǎng)5事故井井口涌出鉆井液。

井深3 587 m錄井鈣元素含量由4.57%上升至7.31%。起出牙輪鉆頭HJT437G，1號(hào)牙輪斷齒2個(gè)，2號(hào)牙輪斷齒2個(gè)，3號(hào)牙輪斷齒4個(gè)，都為中排齒斷，巴掌有劃痕，表明鉆頭鉆破長(zhǎng)5井套管。

3. 磨銑窗口

下入MD9441H PDC鉆頭擴(kuò)碰磨銑，用時(shí)2 h磨銑進(jìn)尺1.1 m，結(jié)束井深3 587.60 m。起出PDC鉆頭牙齒完全磨平，使用強(qiáng)磁鐵收集鐵屑近2.5 kg，計(jì)算洞穿套管應(yīng)產(chǎn)生2.18 kg鐵屑，說(shuō)明鉆頭已鉆穿長(zhǎng)5井?139.7 mm油層套管及內(nèi)部?73 mm油管，具備注水泥封堵作業(yè)條件，決定實(shí)施封堵作業(yè)。

4. 注水泥封堵

下光鉆桿至技術(shù)套管2 700 m注水泥，注沖洗液9 m3，領(lǐng)漿59 m3，尾漿45 m3，替鉆井液30 m3，環(huán)空反擠3 m3。替鉆井液17 m3時(shí)、長(zhǎng)5井井口開始返出水泥漿，施工結(jié)束返出水泥漿大于10 m3。3月29日下鉆探水泥塞，塞面深度為2 981.3 m，完成了長(zhǎng)5井的隱患治理。

四、結(jié)論

(1) 根據(jù)隨鉆MWD水平和垂直分量的磁場(chǎng)變化規(guī)律，可判斷套管磁場(chǎng)空間位置，當(dāng)水平磁異常值達(dá)相對(duì)峰值時(shí)，說(shuō)明已貼近事故井套管，此時(shí)可調(diào)整螺桿狀態(tài)實(shí)現(xiàn)與事故井套管的對(duì)接交匯。

(2) 隨鉆磁引導(dǎo)為被動(dòng)測(cè)距控制技術(shù)，測(cè)量范圍受地層和鉆井液及磁源方向影響，有效探測(cè)距離受限，應(yīng)用此技術(shù)宜先確定救援井方向，優(yōu)化三段制小井斜試碰井眼軌跡，探測(cè)到套管異常磁場(chǎng)位置后，用磁引導(dǎo)技術(shù)指引鉆頭進(jìn)行碰撞。

(3) 牙輪鉆頭控制軌跡及井下找碰對(duì)接優(yōu)勢(shì)明顯，井口能夠第一時(shí)間觀察到井下碰撞。