學(xué)探1井非常規(guī)下套管技術(shù)

任永利，湯鵬，閔鵬，鄢家宇，王衛(wèi)陽

中國石油塔里木油田分公司 安全環(huán)保與工程監(jiān)督中心（新疆 庫爾勒841000）

0 引言

學(xué)探1井原設(shè)計(jì)采用塔標(biāo)Ⅰ四開井身結(jié)構(gòu)，二開實(shí)鉆過程中在石炭系卡拉沙依組5 284～5 375 m鉆遇純鹽段90 m，該區(qū)塊已鉆井情況表明，該區(qū)鹽層蠕變性強(qiáng)[1-2]。加之本井上部二疊系發(fā)育火山巖，地層破碎，當(dāng)量漏失安全密度窗口窄，易發(fā)生惡性漏失，導(dǎo)致鹽層段鉆進(jìn)不能建立合理鉆井液密度，更加劇了本井鹽層蠕變[3]。

為保障電測、下套管順利進(jìn)行，參照該區(qū)塊已有做法，對鹽層段進(jìn)行擴(kuò)眼[4]。擴(kuò)眼期間先后發(fā)生擴(kuò)眼器頂部活塞接頭公扣斷裂、擴(kuò)眼器脫扣事故，后續(xù)進(jìn)行2次回填側(cè)鉆后嘗試將塔標(biāo)Ⅰ四開井身結(jié)構(gòu)更改為塔標(biāo)Ⅱ四開井身結(jié)構(gòu)，即將原244.47 mm（9?″）+273.05 mm（10?″）（封鹽）套管變更為全井段下273.05 mm（10?″）（鹽上）套管。變更后，面臨套管浮重更大，井架載荷余量不足、環(huán)空間隙小，大套管剛度增大，套管下入困難、二疊系當(dāng)量漏失安全密度窗口窄（0.05），下套管期間極易造成惡性漏失等諸多難點(diǎn)。

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，塔里木盆地乃至陸上石油天然氣工程領(lǐng)域鮮有將273.05 mm（10?″）有接箍套管下入311.15 mm（12?″）井眼內(nèi)的做法，面對微間隙下套管面臨的諸多技術(shù)難題，工程技術(shù)人員創(chuàng)新實(shí)踐，綜合形成非常規(guī)下套管技術(shù)，豐富了塔里木現(xiàn)場施工工藝，為后續(xù)放大井身結(jié)構(gòu)下非常規(guī)套管提供了可行方案。

1 學(xué)探1井側(cè)鉆井身軌跡控制方案

學(xué)探1井是部署在塔里木盆地北部坳陷阿滿過渡帶輪南-古城坡折帶的一口風(fēng)險(xiǎn)探井，根據(jù)臨井鉆探情況及地震層位分析，預(yù)測學(xué)探1井地層自上而下依次為新生界第四系、新近系、古近系，中生界白堊系、侏羅系、三疊系，上古生界二疊系、石炭系、泥盆系，下古生界志留系塔塔埃爾塔格組、柯坪塔格組。

原設(shè)計(jì)一開339.725 mm（13?″）套管下到1 500 m，二開244.47 mm（9?″）+273.05 mm（10?″）（封鹽）下至5 415 m。井身結(jié)構(gòu)變更后，二開全井段下273.05 mm（10?″）（鹽上）套管。

1.1 側(cè)鉆井眼井身軌跡先期控制

對273.1 mm套管（外徑：273.1 mm，內(nèi)徑：250.69 mm，管材屈服強(qiáng)度861 MPa，螺紋連接強(qiáng)度7 533.4 kN，管材承受的有效軸向力200 kN）的通過曲率進(jìn)行校核，利用API、IADC及某高校的3種計(jì)算方式[5-6]計(jì)算的管材允許通過曲率分別是9.92°/30 m、19.44°/30 m和28.76°/30 m?？梢钥闯?，API計(jì)算結(jié)果最為保守，273.05 mm（10?″）薄壁套管的允許通過曲率為9.92°/30 m。因此，側(cè)鉆狗腿度需適當(dāng)控制在9.92°/30 m以內(nèi)。

1.2 側(cè)鉆井眼井身軌跡控制方法

1.2.1 優(yōu)選增斜鉆具組合

增斜鉆具組合：Φ311.2 mm牙輪鉆頭+Φ21 6 mm直螺桿（630×630）+2.75°彎接頭（631×630）+轉(zhuǎn)換接頭（631×NC560）+Φ203 mm定向接頭（NC561×NC560）+Φ203 mm無磁鉆鋌（NC561×NC560）+Φ 203 mm螺旋鉆鋌（5根）+轉(zhuǎn)換接頭+Φ149.2 mm加重鉆桿（30根）+Φ149.2 mm鉆桿。

使用2.75°彎接頭+直螺桿側(cè)鉆，嚴(yán)格控時(shí)鉆進(jìn)，確保一次性側(cè)鉆成功，并保持允許套管通過的合理井眼曲率鉆進(jìn)，側(cè)鉆20 m后根據(jù)返出地層巖屑情況決定起鉆更換穩(wěn)斜、降斜鉆具組合。

1.2.2 優(yōu)選穩(wěn)斜、降斜鉆具組合

穩(wěn)斜、降斜鉆具組合：311.2 mm復(fù)合鉆頭+Φ216 mm單彎螺桿（1.5°）（630×630）+轉(zhuǎn)換接頭（631×NC560）+Φ203 mm定 向 接 頭（NC561×NC560）+Φ203 mm無磁鉆鋌（NC561×NC560）+轉(zhuǎn)換接頭+Φ149.2 mm加重鉆桿（45根）+Φ149.2 mm鉆桿。

使用1.5°單彎螺桿進(jìn)行穩(wěn)斜、降斜鉆進(jìn)，監(jiān)測好井底參數(shù)，確保側(cè)鉆狗腿度嚴(yán)格控制在9.92°/30 m以內(nèi)的同時(shí)，保持中心距在5 m以上，實(shí)現(xiàn)防碰目的，為后續(xù)微間隙下套管打下良好的井身軌跡條件。

1.2.3 側(cè)鉆井身軌跡控制結(jié)果

通過優(yōu)選增斜、穩(wěn)斜、降斜側(cè)鉆鉆具組合，側(cè)鉆井眼狗腿度最大值為2.9°/30 m，成功控制在273.05 mm（10?″）薄壁套管的允許通過曲率9.92°/30m以內(nèi)。

2 微擴(kuò)眼通井技術(shù)

下套管前通常采用多種通井鉆具組合進(jìn)行通井劃眼作業(yè)，主要是為了修整井壁，以保證套管順利下入到設(shè)計(jì)井深。鑒于本井井身結(jié)構(gòu)調(diào)整后，273.05 mm（10?″）有接箍套管下入過程中理論單邊最小間隙只有6 mm，且套管浮重達(dá)到7 000 m鉆機(jī)極限載荷，過程中“只能下放，不能上提”，現(xiàn)場通過對比論證，決定引入微擴(kuò)眼通井技術(shù)+優(yōu)化常規(guī)通井鉆具組合相結(jié)合的方式對井壁進(jìn)行修整。施工次序?yàn)椋盒薮?雙扶通井+微擴(kuò)眼+三扶通井，其中，最為關(guān)鍵的就是微擴(kuò)眼鉆具組合優(yōu)化及微擴(kuò)眼施工參數(shù)優(yōu)選[7-8]。

2.1 微擴(kuò)眼鉆具組合優(yōu)化

因考慮使用鉆柱型擴(kuò)眼器（偏心擴(kuò)眼器）進(jìn)行擴(kuò)眼作業(yè)，通過調(diào)研文獻(xiàn)，從保證井下安全和順利下入273.1 mm套管的角度，鉆柱式擴(kuò)眼器BHA組合從兩個(gè)方面考慮：①鉆柱型擴(kuò)眼器在鉆具組合中所處的位置需盡量避免中性點(diǎn)，防止滑扣脫扣現(xiàn)象；②鉆柱型擴(kuò)眼器所處位置需要保持一定的剛度，防止離心作用過大產(chǎn)生橫向擺動(dòng)，造成鉆具疲勞。

綜合以上兩個(gè)方面，擬優(yōu)化鉆后擴(kuò)眼鉆具組合。同時(shí)，針對BHA第一跨長度和第二跨長度進(jìn)行優(yōu)化分析，從與實(shí)鉆井眼相擬合的角度推薦跨梁柱長度，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)鉆后擴(kuò)眼的目的。

2.1.1 第一跨梁柱長度

設(shè)定第一跨梁柱的長度（鉆頭至偏心擴(kuò)眼器長度）按照2 m間隔由3 m增加至9 m，對鉆具組合的穩(wěn)斜能力進(jìn)行分析。鉆壓按照3 t施加，計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

圖1 井斜角隨第一跨梁柱長度變化趨勢

通過圖1可以看出：隨著第一跨梁柱長度的增加（由3 m短鉆鋌（SDC）增加至9 m長度鉆鋌DC），井斜趨勢的變化逐漸由降斜向增斜轉(zhuǎn)變。3 m短鉆鋌井斜處于降斜趨勢，5 m短鉆鋌長度井斜角穩(wěn)定較好，7 m和9 m鉆鋌井斜變化波動(dòng)較大。因此，第一跨梁柱使用5 m短鉆鋌能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)擴(kuò)眼的目的。

2.1.2 第二跨梁柱長度

設(shè)定第二跨梁柱的長度（偏心擴(kuò)眼器至上扶正器長度）按照3 m間隔由9 m增加至18 m，對鉆具組合的穩(wěn)斜能力進(jìn)行分析。鉆壓按照3 t施加，第一跨梁柱使用5 m短鉆鋌，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 井斜角隨第二跨梁柱長度變化趨勢

通過圖2可以看出：隨著第二跨梁柱長度的增加（由9 m增加至18 m），井斜趨勢的變化逐漸由穩(wěn)斜向增斜轉(zhuǎn)變。9 m長度的鉆鋌能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)斜的目的。因此，第二跨梁柱使用9 m長度鉆鋌能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)擴(kuò)眼的目的。

因此，從學(xué)探1井二開整體井斜變化不大的角度考慮，推薦使用如下微擴(kuò)眼鉆具組合：311.15 mm（12?″）PDC+203.2 mm(8″)DC×5 m+偏心擴(kuò)眼器+203.2 mm(8″)DC×1根+Φ308 mm扶正器+8″DC×12根+NC56公×520+149.225 mm（5?″）HWDP×15根+149.225 mm（5?″）DP。

2.2 微擴(kuò)眼參數(shù)優(yōu)選

2.2.1 鉆壓優(yōu)選

1）1 t鉆壓。1 t鉆壓條件下，中性點(diǎn)在鉆頭以上7.41 m的位置，如果領(lǐng)眼鉆頭吃上鉆壓，鉆柱型擴(kuò)眼器的位置在5～6 m，再加上鉆壓波動(dòng)，擴(kuò)眼器可能同時(shí)受力，造成更大的扭矩波動(dòng)。

2）2 t鉆壓。2 t鉆壓條件下，中性點(diǎn)在鉆頭以上12.79 m的位置，即使領(lǐng)眼鉆頭吃上鉆壓，鉆柱型擴(kuò)眼器的位置在5～6 m，可以避免鉆壓波動(dòng)造成的擴(kuò)眼器受力，形成同時(shí)受力，造成更大的扭矩波動(dòng)。

3）3 t鉆壓。3 t鉆壓條件下，中性點(diǎn)在鉆頭以上18.29 m的位置，中性點(diǎn)更加遠(yuǎn)離鉆柱型擴(kuò)眼器，可能產(chǎn)生的扭矩波動(dòng)更小。

綜上，鉆壓參數(shù)方面，根據(jù)現(xiàn)場扭矩設(shè)定，推薦使用2～3 t的擴(kuò)眼鉆壓配合，同時(shí)避免1 t及以下的鉆壓。

2.2.2 轉(zhuǎn)速優(yōu)選

1）應(yīng)力組成。如圖3所示，從應(yīng)力組成的角度看：隨著轉(zhuǎn)速的增加，軸向、彎曲、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力都處于逐漸增加的狀態(tài)。但彎曲應(yīng)力由于臨界轉(zhuǎn)速影響，在40 r/min、70 r/min、100 r/min達(dá)到共振轉(zhuǎn)速，應(yīng)力劇增，因此，需避開使用這些共振轉(zhuǎn)速點(diǎn)。推薦低轉(zhuǎn)速20～30 r/min，高轉(zhuǎn)速50～60 r/min。

圖3 應(yīng)力組成隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢

2）扭轉(zhuǎn)相位。如圖4所示，通過對不同轉(zhuǎn)速條件下的扭轉(zhuǎn)相位變化看，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于60 r/min后，扭轉(zhuǎn)相位角將快速增加。因此，在擴(kuò)眼過程中，需避免使用60 r/min以上的轉(zhuǎn)速。

圖4 扭轉(zhuǎn)相位隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢

因此，轉(zhuǎn)速參數(shù)推薦使用20～30 r/min的小轉(zhuǎn)速和50～60 r/min的高轉(zhuǎn)速，避免使用60 r/min以上的轉(zhuǎn)速。

3 下井架大噸位承載安全余量分析

學(xué)探1井由ZJ70D鉆機(jī)承鉆，該鉆機(jī)在塔里木盆地連續(xù)作業(yè)多年，且整個(gè)二開中完作業(yè)期間立根盒擺滿鉆具，因此務(wù)必對井架底座載荷及提升能力進(jìn)行復(fù)核[9]，準(zhǔn)確計(jì)算套管合理掏空長度及甩鉆具噸位（表1）。

表1 井架承載安全余量分析關(guān)鍵數(shù)據(jù)

由表1可知，井架底座安全載荷余量=底座安全載荷-套管浮重-鉆具總重=-56.65 t，即下套管前需甩56.65 t鉆具才能保障井架安全。此外，為防止后續(xù)下套管作業(yè)過程中若遇復(fù)雜情況，由于井架提升能力受限“只能下放，不能上提”的被動(dòng)局面出現(xiàn)，宜按照掏空800 m下套管。

4 大噸位下套管過程控制

學(xué)探1井二開使用1.40 g/cm3鉆井液密度平穩(wěn)鉆穿二疊系，中完處理事故期間，為抑制鹽層蠕變速率逐步提密度至1.45 g/cm3時(shí)發(fā)生井漏失返，后降密度至1.40 g/cm3不漏，結(jié)合臨井實(shí)鉆資料，判斷本井二疊系漏失當(dāng)量密度為1.45 g/cm3，漏失安全密度窗口僅有0.05。因此，微間隙下套管應(yīng)綜合考慮泥漿靜液柱壓力及激動(dòng)壓力[10]的影響。

通過分析，首先分段降密度至1.36 g/cm3，其次通過設(shè)定鉤速，以確定每根套管下放時(shí)間[11]，實(shí)現(xiàn)對下套管期間產(chǎn)生的激動(dòng)壓力的精細(xì)過程控制。從100 m至5 282 m（井底）分別截取500 m一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行展示，見表2。

表2 下套管期間激動(dòng)壓力精細(xì)控制表

5 結(jié)論

1）優(yōu)選側(cè)鉆鉆具組合、監(jiān)測好井底參數(shù)能實(shí)現(xiàn)對側(cè)鉆井眼井身軌跡的先期控制，保證實(shí)鉆井眼曲率滿足套管允許通過曲率要求，為套管的順利下入打下良好的井筒條件。

2）合理優(yōu)化微擴(kuò)眼鉆具組合中偏心擴(kuò)眼器距離鉆頭及上扶正器的位置，配合最優(yōu)鉆壓和轉(zhuǎn)速，有效地實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)鉆后擴(kuò)眼的目的。

3）準(zhǔn)確計(jì)算需甩鉆具噸位，合理設(shè)計(jì)下套管掏空長度，減少了底座載荷，增加了鉆機(jī)提升能力，增加了下套管時(shí)的安全系數(shù)。

4）通過分段降密度結(jié)合對套管下放速度的精細(xì)控制，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)下套管過程中泥漿靜液柱壓力+激動(dòng)壓力不超過二疊系漏失當(dāng)量密度的目標(biāo)，避免了下套管過程中二疊系漏失風(fēng)險(xiǎn)。

5）學(xué)探1井非常規(guī)下套管技術(shù)的成功運(yùn)用，為油田后續(xù)放大井身結(jié)構(gòu)下非常規(guī)套管提供了實(shí)踐路徑，為安全順利完井打下了基礎(chǔ)。