新疆某油田致密礫巖油水平井安全高效下套管技術(shù)

張津瑞，鐘 震，楊 凱

(1.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院,湖北 武漢 430100；2.中國(guó)石油新疆油田公司工程技術(shù)研究院,新疆 克拉瑪依 834000)

1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

新疆某油田致密礫巖油田，至上往下的地層鉆遇為白堊系(吐谷魯群)、侏羅系(齊古組、頭屯河組、西山窯組、三工河組，八道灣組)、三疊系(白堿灘組、克拉瑪依組、百口泉組)[2-4]。

侏羅系八道灣組煤層微裂縫發(fā)育，礫巖膠結(jié)差，侏羅系與三疊系不整合接觸及克拉瑪依組砂泥巖互層造成地層承壓能力低(1.24～1.27 g/cm3)，且壓力體系復(fù)雜，容易發(fā)生井漏，砂泥巖互層造成井壁穩(wěn)定性差，易吸水垮塌掉塊，井壁失穩(wěn)掉塊容易引起卡阻。新疆某油田砂礫巖油開(kāi)采前期均采取四開(kāi)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，X井設(shè)計(jì)為三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)如表1。能夠有效的分隔不同地層，一開(kāi)采用 Ф381 mm 鉆頭鉆至白堊系吐魯番群組預(yù)定井深 500 m 處，下入 Ф273.1 mm 表層套管；二開(kāi)采用 Ф241.3 mm 鉆頭鉆至克拉瑪依組，井深約 3285 m 處，下入 Φ193.7 mm 套管封固克拉瑪依組以上地層，防止井漏發(fā)生，使得下套管作業(yè)安全高效；三開(kāi)采取 Ф165.1 mm 鉆頭鉆至百口泉組 5436.05 m 處，之后下入 Φ127 mm 油層套管；最后進(jìn)行固完井作業(yè)，X井達(dá)到預(yù)定設(shè)計(jì)井深，并高質(zhì)量的完成鉆完井作業(yè)。

表1 三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)表

2 軌跡設(shè)計(jì)與控制

新疆某油田從巖性上來(lái)看，橫向變化大，縱向夾層多；巖石硬度大，砂礫巖粒徑大小不均勻[5]；八道灣組有巨厚的底礫巖，膠結(jié)疏松，粒徑較大，一般為20～50 mm，最大可達(dá)到 90 mm；可鉆性極值為6.0～7.5。 克拉瑪依組地層巖性橫向變化大，縱向上夾層多，非地質(zhì)性強(qiáng)，可鉆性極值為6.0～7.5，百口泉組砂礫巖徑較大，可鉆性極值為6.0～8.0，且縱向厚度大(150～200 mm)等特點(diǎn)使得在鉆井作業(yè)中機(jī)械鉆速低，因此合理的設(shè)計(jì)水平井井眼軌道優(yōu)化是關(guān)鍵。

在新疆某油田，進(jìn)行水平井井眼軌道優(yōu)選采取五段式，即“直井段+造斜段+穩(wěn)斜段+造斜段+水平段”[6]新疆某油田X井，如表2。

表2 X井井眼軌道設(shè)計(jì)

對(duì)于新疆某油田長(zhǎng)水平段水平井分段進(jìn)行鉆具組合的優(yōu)化。由于直井段鉆具無(wú)需考慮托壓、摩阻扭矩大卡鉆風(fēng)險(xiǎn)低等問(wèn)題，井眼控制相對(duì)容易，考慮到合理經(jīng)濟(jì)高效性，可以采取螺桿進(jìn)行滑動(dòng)鉆井作業(yè)。對(duì)于造斜段與水平段而言，需要采取旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，一直進(jìn)行滾動(dòng)鉆井作業(yè)，使得鉆具與井壁之間的摩擦力減少。本井采用PowerDrive X5旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，因其安裝隨鉆測(cè)量感應(yīng)裝置，能夠及時(shí)有效的根據(jù)實(shí)時(shí)情況，做到精確的控制鉆井軌道，使得鉆井軌道相對(duì)更加光滑平穩(wěn)，提高了井眼軌道的質(zhì)量。該旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)安裝了伽馬測(cè)量?jī)x，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控地層，提高油層的鉆遇率達(dá)到86%，對(duì)于不同井段要采取不同的鉆頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

水平段采取MDi1516鉆頭(刀翼數(shù)5，切削齒直徑 16 mm)，具有抗沖擊，耐磨的性質(zhì)，適用于軟硬交界的情況下，在百口泉地區(qū)應(yīng)用效果理想，提速效果由前期的平均機(jī)械鉆速 7.32 m/h 變?yōu)楹笃诘?12.96 m/h，平均鉆頭進(jìn)尺由原來(lái)的 360 m 增加至 840 m，工期縮短至 42 d，

①糖尿病急性并發(fā)癥如酮癥酸中毒患者②嚴(yán)重的心肺肝腎功能異常③合并泌尿系、呼吸道等嚴(yán)重感染者④妊娠、哺乳婦女⑤繼發(fā)糖尿病患者⑥1型糖尿病患者。

3 水平井下入套管柱模型分析

為了計(jì)算準(zhǔn)確可以將套管分為許多單元段，任意取一段套管柱微元，對(duì)套管柱微元模型進(jìn)行受力分析[7-8]，如圖1。將套管柱微元的受力與變形分解到兩個(gè)平面(p平面和R平面)進(jìn)行研究，可以推導(dǎo)出管套管微元上端軸向力Ti的計(jì)算模型公式[9-12]。

圖1 套管柱微元受力分析

(1)

βi=arccos(cosaicosai-1+sinaisinai-1cos(φi-1φi))

(2)

(3)

(4)

(5)

fi=μN(yùn)i

(6)

Ti=Ti-1+qmLicosα±μN(yùn)i

(7)

式中：Ti、Ti-1分別代表第i根套管柱微元上端和下端的軸向應(yīng)力；QPi、QPi-1分別代表第i根套管柱微元上端和下端在P平面的剪切力；QRi、QRi-1分別代表第i根套管柱微元上端和下端在R平面的剪切力；αi、αi-1分別代表第i根套管柱微元上端和下端的井斜角；φi、φi-1分別代表第i根套管柱微元上端和下端的方位角；±是管柱微元上提時(shí)取“+”，套管柱微元下方時(shí)取“-”；fi是i根套管柱微元和井壁之間的摩擦阻力；Δαi為管柱微元上端和下端井斜角的增量；βi對(duì)應(yīng)為第i根套管柱微元的狗腿角；MPf、MRf分別為i根套管柱微元在P平面和R平面產(chǎn)生的矩；Ni為i根套管柱微元和井壁的壓力；qm為管柱微元在鉆井液中的浮重；μ為套管柱微元摩擦系數(shù)。

依次對(duì)套管柱微元進(jìn)行計(jì)算直至井口，可求出下套管過(guò)程中各個(gè)點(diǎn)的大鉤載荷。

摩擦系數(shù)的取值問(wèn)題一直都關(guān)乎著套管柱是否下入預(yù)定井深的重要能力體現(xiàn)，因此對(duì)于摩阻系數(shù)取值范圍要進(jìn)行人工干預(yù)，一般根據(jù)臨井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行摩擦系數(shù)的選取，分別計(jì)算不同摩阻系數(shù)時(shí)下套管過(guò)程中需要的大鉤載如圖2。

圖2 套管柱下入能力分析

圖2中0.2/0.15表示裸眼段和套管段對(duì)應(yīng)的摩阻系數(shù)。根據(jù)模擬狀況可以觀察出以下規(guī)律：

1)當(dāng)摩阻系數(shù)取值為0.2/0.15、0.3/0.2、0.4/0.3時(shí)，大鉤載荷始終大于0。在該種條件狀況下，套管柱可以依靠自身重力進(jìn)行下套管作業(yè)，并順利下達(dá)至預(yù)定井深。2)當(dāng)摩阻系數(shù)取值為0.5/0.3時(shí)，大鉤載荷最小值為 -184.93 N 。在該種條件狀況下，套管柱不可以依靠自身重力進(jìn)行下套管作業(yè)，因此在此條件下需要進(jìn)行漂浮下套管作業(yè)，確保大鉤載荷始終大于 0，最終以保證套管柱能夠安全順利的下入預(yù)定井底深度。

X井采取油基鉆井液并結(jié)合臨井情況(0.25/0.2)，不會(huì)出現(xiàn)摩阻系數(shù)取值較大時(shí)，因此無(wú)需選擇漂浮下套管作業(yè)。

4 高性能油基鉆井液

通過(guò)對(duì)新疆某油田致密礫巖油的實(shí)踐與調(diào)研，發(fā)現(xiàn)新疆某油田油田水平井鉆井時(shí)存在以下難點(diǎn):新疆某油田地區(qū)鉆井阻卡復(fù)雜，主要是因井壁失穩(wěn)掉塊引起；侏羅系西山窯組煤層、三工河組砂泥巖互層、八道灣組煤層及三疊系克拉瑪依組砂泥巖互層為主，部分含礫，井壁穩(wěn)定性差，易吸水垮塌掉塊井徑擴(kuò)徑明顯；卡阻較多，三疊系百口泉組有異常高壓現(xiàn)象，表現(xiàn)為高壓低滲流特點(diǎn)。

通過(guò)對(duì)新疆某油田使用水基鉆井液完成的15口開(kāi)發(fā)井進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)在這15口井中分別發(fā)生了不同程度的井漏。通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M發(fā)現(xiàn)同等深度下，油基鉆井液的摩阻比水基鉆井液摩阻低，如圖3。為方便安全高效順利的下入套管，為此對(duì)于長(zhǎng)水平段水平井應(yīng)該首先選白油基鉆井液。

圖3 水基鉆井液與油基鉆井液摩阻對(duì)比

白油基鉆井液具有很高的潤(rùn)滑性、抑制性、流變性[13-16]，能滿(mǎn)足長(zhǎng)水平段的攜巖要求，同時(shí)在井眼凈化、降低摩阻方面具有較好的效果，故配套采用油水比為85∶15的白油基鉆井液[17]，具有低黏度，減少阻力的效果。鉆井液設(shè)計(jì)性能如表3。

白油基鉆井液能夠滿(mǎn)足新疆某油田長(zhǎng)水平段安全高效下套管的技術(shù)要求，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)鉆井液性能的維護(hù)。及時(shí)啟動(dòng)四級(jí)固控設(shè)備，及時(shí)控制振動(dòng)篩篩布為240目，最大限度地除去有害固相，除砂器、除泥器 24 h 常開(kāi)，離心機(jī)有效開(kāi)動(dòng)率應(yīng)滿(mǎn)足鉆井液相關(guān)的性能要求，將固相含量控制在8%以下，以提高鉆井液的攜巖能力。在進(jìn)入水平段時(shí)，要控制鉆井液各項(xiàng)性能，降失水，達(dá)到減少鉆井液中固體的含量和減少有害物體對(duì)油層的傷害，及時(shí)監(jiān)控Ф6讀數(shù)，讓?dǎo)?讀數(shù)控制在6～10之間，使得攜帶能力和懸浮能力得以增強(qiáng)；當(dāng)Ф6讀值小于6時(shí)，可加入流型調(diào)節(jié)劑。

表3 白油基鉆井液性能

5 通井鉆具組合設(shè)計(jì)

在鉆井過(guò)程中，鉆具容易貼近井壁下側(cè)，巖屑顆粒在重力作用下容易沉積在下井壁，形成巖屑床[18]。因此在下套管前需要通井，要進(jìn)行清除井眼中滯留的巖屑、清理沉砂、修復(fù)井壁，使井眼充分凈化，確保井徑擴(kuò)大率為正，修整井眼曲率大小。

對(duì)于通井鉆具選擇上先后進(jìn)行單扶正器、雙扶正器及三扶正器進(jìn)行通井作業(yè)，

在進(jìn)行通井鉆具選取時(shí)，要進(jìn)行套管與通井鉆具的剛度匹配工作，找到更容易下入設(shè)計(jì)井深，使得通井后井眼變得順暢、平滑的通井鉆具組合，使套管柱不會(huì)出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象。

(8)

(9)

式中：k鉆鋌-鉆鋌的剛度；k套管-套管的剛度；I鉆鋌-鉆鋌的慣性矩；I套管-套管的慣性矩。

當(dāng)m≥1時(shí)，說(shuō)明鉆鋌的剛度大于套管剛度，能夠下入預(yù)定位置；當(dāng)m<1時(shí)，說(shuō)明需要重新設(shè)計(jì)剛度更大的通井鉆具組合。

本口水平井三開(kāi)通井鉆具組合設(shè)計(jì)如下：

雙扶通井：牙輪鉆頭 Φ165.1 mm(0.21 m)+雙母接頭330×ST400(0.58 m)+扶正器 Φ160 mm(1.34 m)+加重鉆桿 Φ114.3 mm(9.46 m)+扶正器 Φ160 mm(1.34 m)+加重鉆桿 Φ114.3 mm。

三扶通井：牙輪鉆頭 Φ165.1 mm(0.21 m)+雙母接頭330×ST400(0.58 m)+扶正器 Φ160 mm(1.34 m)+加重鉆桿 Φ114.3 mm(9.46m)+扶正器 Φ160 mm(1.34 m)+加重鉆桿 Φ114.3 mm(9.47 m)+扶正器 Φ160 mm(1.23 m)+加重鉆桿 Φ114.3 mm。

X井采用雙扶通井與三扶通井計(jì)算出m分別為1.07、1.12，均大于1，能夠下入預(yù)定位置，進(jìn)行通井作業(yè)。

6 套管扶正器類(lèi)型與安裝位置優(yōu)化

在水平井眼中，套管柱依靠自身重力向前運(yùn)動(dòng)進(jìn)行下套管作業(yè)[19]。在長(zhǎng)水平水平段時(shí)容易出現(xiàn)托壓現(xiàn)象，受到卡阻的風(fēng)險(xiǎn)比較大，導(dǎo)致套管不能下入預(yù)定井深。為提高水平井固井質(zhì)量，應(yīng)保持下套管的高居中度，進(jìn)而要使用扶正器，但過(guò)度的扶正器使用數(shù)量可能會(huì)導(dǎo)致阻力增加， 扶正器安放的數(shù)量過(guò)少，又會(huì)導(dǎo)致扶正器之間的撓曲變形過(guò)大，進(jìn)而增加了與井壁間的接觸使得下套管的阻力增加。因此合理安放扶正器使套管柱居中尤為重要。整體式彈性扶正器依據(jù)弓高決定著扶正效果。在整體式剛性滾輪扶正器中，滾輪固定在剛體上的滾動(dòng)軸進(jìn)行滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，能夠降低下套管阻力，使套管下入安全順暢[20]。

由于新疆某油田地區(qū)井眼軌道不光滑、不規(guī)則等特點(diǎn)，使用Landmark 軟件進(jìn)行套管扶正器的優(yōu)化計(jì)算。制定新疆某油田水平井套管扶正器的選型與安裝方案如下：短套管上安裝 1 個(gè)整體式滾輪扶正器，之后到造斜點(diǎn)整體式彈性扶正器與整體式剛性滾輪扶正器間隔安裝，間隔 20 m 進(jìn)行扶正器的安裝。經(jīng)計(jì)算，X井中共使用各種類(lèi)型的336只，本井套管柱居中效果達(dá)到 81%，固井質(zhì)量總體成績(jī)較為良好。

7 結(jié)論及建議

1)通過(guò)優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)，能夠滿(mǎn)足新疆某油田致密礫巖油水平井安全高效的進(jìn)行下套管作業(yè)。采取個(gè)性化PDX5旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)和MDi1516鉆頭后，機(jī)械鉆速提高至 12.96 m/h，大大縮短了鉆井周期僅為 42 d，為大規(guī)模開(kāi)發(fā)新疆某油田水平井提供技術(shù)支持。

2)通過(guò)對(duì)新疆某油田地區(qū)水平井套管柱微元分析，建立水平井三維套管柱力學(xué)模型，并結(jié)合實(shí)際選取摩擦系數(shù)，建立下套管前的預(yù)估分析工作，為現(xiàn)場(chǎng)下套管作業(yè)提供技術(shù)指導(dǎo)支撐。

3)白油基鉆井液有效解決了井壁易失穩(wěn)等問(wèn)題，確保百口泉組順利開(kāi)采。

4)通過(guò)計(jì)算，通井鉆鋌的剛度與套管剛度進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)m≥1時(shí)說(shuō)明套管能夠下入預(yù)定位置，并完成了通井作業(yè)。通過(guò)Landmark 軟件對(duì)整體式剛性滾輪扶正器和整體式彈性扶正器間隔之間加以設(shè)計(jì)優(yōu)化，保證套管安全順利的下入。