南海高水垂比大位移井提效集成技術(shù)應(yīng)用

汪佳暉

中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司深水工程技術(shù)中心 廣東 深圳 518067

高水垂比大位移井是指水垂比大于或等于3且水平位移超過(guò)3000m 的大位移井[1]，較常規(guī)定向井和大位移井具有相同垂深下更長(zhǎng)的穩(wěn)斜段或水平段，是進(jìn)行海上勘探開發(fā)邊際油田的重要工程?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中面臨多類型工程挑戰(zhàn)：井斜角大、延伸段長(zhǎng)，摩阻扭矩高、鉆機(jī)負(fù)荷大、井筒清潔困難、安全作業(yè)窗口窄、長(zhǎng)套管串磨損和下入難度大等一系列難題。如何安全、優(yōu)質(zhì)、高效地完成高水垂比大位移井，是鉆完井高質(zhì)量發(fā)展和提效降本的關(guān)鍵。南海東部油田開展了豐富的大位移井工程實(shí)踐，形成了一系列大位移井鉆井提效集成技術(shù)，并在流花油田某高水垂比大位移井（以下簡(jiǎn)稱B井）實(shí)踐應(yīng)用并取得顯著的成果。

1 流花11-1油田大位移井作業(yè)難點(diǎn)及技術(shù)挑戰(zhàn)

流花11-1油田位于中國(guó)南海東部海域珠江口盆地東沙隆起西南部，水深311m，構(gòu)造上屬于基巖隆起上發(fā)育的生物礁地層圈閉，油田地質(zhì)情況復(fù)雜，非均質(zhì)性強(qiáng)，斷層、裂縫發(fā)育豐富[2]。B井作為一口高水垂比大位移井（水垂比6.65），工程方面主要面臨以下3項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)：

表層為開路鉆井，鉆桿無(wú)有效支撐點(diǎn)易發(fā)生屈曲，淺部預(yù)斜點(diǎn)僅在泥面以下70m、地層疏松，井眼軌跡在590m后需要以6-7°/30m高全角變化從0.16°增斜至84.11°，造斜壓力大，使用大彎角馬達(dá)在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)期間存在工具斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

儲(chǔ)層埋深淺、壓實(shí)程度低，地層脆弱對(duì)壓力波動(dòng)敏感，安全作業(yè)窗口窄，對(duì)鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度（以下簡(jiǎn)稱ECD）精細(xì)控制提出更高要求；延伸段長(zhǎng)，井斜角大，井筒清潔困難將產(chǎn)生巖屑床堆積，導(dǎo)致鉆具啟動(dòng)摩阻高、鉆井扭矩大、易形成規(guī)律性阻卡，造成環(huán)空憋壓誘發(fā)地層漏失風(fēng)險(xiǎn)。

小尺寸井眼易發(fā)生尾管下不到位風(fēng)險(xiǎn)；旋轉(zhuǎn)下尾管工藝受限于管串扭矩大，發(fā)生復(fù)雜情況缺乏處理余量；尾管下入產(chǎn)生的激動(dòng)壓力易反向擊穿浮鞋、浮箍的單流閥導(dǎo)致失效，從而引發(fā)工程事故。

2 高水垂比大位移井提效關(guān)鍵技術(shù)

2.1 水下井口重建技術(shù)

通過(guò)磨銑、切割和套銑回收Φ339.7mm及Φ244.5mm雙層套管，可調(diào)整優(yōu)選淺層側(cè)鉆點(diǎn)，在滿足地質(zhì)油藏要求的前提下優(yōu)化井眼軌跡、減少鉆井總進(jìn)尺、降低工程難度和成本。作業(yè)程序?yàn)椋夯厥沼凸軖旌兔芊饪偝?，切割回收?44.5mm套管、套管掛及增高短節(jié)，磨銑套管大小頭；分段切割、套銑并回收Φ339.7mm套管；注側(cè)鉆水泥塞，開路鉆進(jìn)Φ444.5mm井眼；重新下入Φ339.7mm套管并固井，完成表層套管和水下井口的重新建立。

老井Φ244.5mm套管增高短節(jié)無(wú)專用回收工具，在回收管柱過(guò)程中存在意外落井風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合增高短接內(nèi)部扶正塊結(jié)構(gòu)及有效尺寸，設(shè)計(jì)了一套特殊回收工具。下部設(shè)計(jì)為帶坡度的引導(dǎo)機(jī)構(gòu)保證下入通過(guò)性，中間設(shè)計(jì)流道可開泵清洗井口，下端設(shè)計(jì)合葉機(jī)構(gòu)，通過(guò)套管增高短節(jié)扶正塊后合葉打開，當(dāng)下入距離足夠合葉自行關(guān)閉，只需旋轉(zhuǎn)角度并上提鉆具，即可實(shí)現(xiàn)懸掛回收套管增高短節(jié)；下部突出的翼板與管體之間設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋機(jī)構(gòu)，提高工具的整體強(qiáng)度。

根據(jù)內(nèi)管柱和套管內(nèi)徑尺寸設(shè)計(jì)了一種內(nèi)管柱C形卡盤并配合安全卡瓦使用，卡盤下部設(shè)計(jì)限位機(jī)構(gòu)，坐落在套管上可有效防止移動(dòng)；整體應(yīng)用優(yōu)質(zhì)鋼板切割形成，提高卡盤承壓及抗剪性能，保障安全穩(wěn)定性，實(shí)踐應(yīng)用可有效規(guī)避打撈內(nèi)管柱的落井風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 淺層中&短曲率半徑造斜技術(shù)

流花油田水下井口叢式井網(wǎng)分布密集，淺層井眼碰撞風(fēng)險(xiǎn)高。B井需在表層盡早預(yù)斜和防碰繞障，綜合考慮表層巖性疏松，開路鉆進(jìn)的鉆具缺少有效側(cè)向支撐易發(fā)生屈曲，軌跡造斜壓力大等問(wèn)題，設(shè)計(jì)應(yīng)用中&短曲率半徑技術(shù)思路。

表層鉆進(jìn)時(shí)使用水下機(jī)器人（ROV）在海底對(duì)鉆具進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測(cè)，如有屈曲現(xiàn)象即調(diào)整鉆井參數(shù)并活動(dòng)鉆具，消除鉆具屈曲產(chǎn)生的應(yīng)力疲勞，從根本上保障鉆具安全；應(yīng)用高精度隨鉆測(cè)斜儀器配合KEEPER陀螺測(cè)斜儀，每鉆進(jìn)200～300m進(jìn)行軌跡復(fù)測(cè)，提高測(cè)量準(zhǔn)確度，有效消除了傳統(tǒng)有線陀螺測(cè)斜儀易受海流影響導(dǎo)致振動(dòng)大、測(cè)量精度低、測(cè)斜不成功等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)淺層精準(zhǔn)防碰繞障和軌跡控制。

該井段鉆遇大套疏松泥巖段，為保證造斜效果，井下鉆具組合應(yīng)用1.83°彎角馬達(dá)配合Φ444.5mm牙輪鉆頭。在造斜點(diǎn)開始即以最大全角變化率6°/30m迅速增斜，造斜段全程控制鉆壓50～60kN，排量2400～3500L/min，機(jī)械鉆速20～25m/h，實(shí)鉆全角變化率在3°/30m～7°/30m之間浮動(dòng)，平均全角變化率約為5.5°/30m，在進(jìn)尺590m以內(nèi)成功實(shí)現(xiàn)井斜角從0.16°迅速增斜至84.11°。旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)期間控制排量2400L/min以降低馬達(dá)轉(zhuǎn)速，保持轉(zhuǎn)速20r/min以降低大彎角馬達(dá)應(yīng)力集中部位的斷裂風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)精細(xì)化參數(shù)控制保障工具和井下安全。

2.3 長(zhǎng)穩(wěn)斜延伸段井筒清潔技術(shù)

B井井斜角大、延伸段長(zhǎng)，摩阻扭矩高，巖屑運(yùn)移困難并常在井筒低邊形成巖屑床造成井眼“假縮徑”現(xiàn)象，若處理不及時(shí)可能會(huì)誘發(fā)井漏、卡鉆等多種井下復(fù)雜情況和事故。因儲(chǔ)層埋深淺、壓實(shí)程度低、地層薄弱，井筒的坍塌壓力和漏失壓力差值小，安全作業(yè)窗口窄，環(huán)空憋壓1.38MPa即可能憋漏地層。需要通過(guò)良好的井筒清潔技術(shù)減少巖屑床堆積，降低井筒ECD。經(jīng)過(guò)軟件模擬和現(xiàn)場(chǎng)研究，制定3項(xiàng)舉措構(gòu)建長(zhǎng)穩(wěn)斜延伸段井筒清潔技術(shù)：鉆井液性能優(yōu)化、特殊工具使用和工程控制措施。

（1）鉆井液性能優(yōu)化

開鉆前應(yīng)用淡水配漿，調(diào)整鉆井液密度低至1.07～1.08g/cm3，全程維持井控最低安全密度鉆進(jìn)；提高鉆井液流變性、封堵性和抑制性，降低鉆井液自由水活度，減少長(zhǎng)穩(wěn)斜延伸段泥頁(yè)巖水化分散導(dǎo)致的井壁應(yīng)力失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，減弱濾液侵入地層深度，維持井筒處于相對(duì)穩(wěn)定清潔狀態(tài)；應(yīng)用液體/固體潤(rùn)滑劑復(fù)配形成高性能潤(rùn)滑漿向循環(huán)體系中均勻補(bǔ)充，提高鉆井液體系的潤(rùn)滑性能。通過(guò)鉆井液性能優(yōu)化，實(shí)鉆過(guò)程返砂效果良好、并有效降低了起下鉆和鉆進(jìn)的摩阻扭矩。

（2）特殊工具使用

針對(duì)Φ311.1mm井眼長(zhǎng)穩(wěn)斜延伸段巖屑床堆積的難題，應(yīng)用巖屑床破壞器并輔助連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行井筒清潔。巖屑床破壞器的原理是將行程不相同的2段同向同心螺旋機(jī)構(gòu)復(fù)合，行程較長(zhǎng)的一段為清潔段，隨鉆桿高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生切削、攪動(dòng)巖屑的效果；行程較短的一段則為攜巖段，在高排量鉆井液中形成“湍流”將巖屑由井筒低邊攜帶至“有效流區(qū)域”進(jìn)而持續(xù)運(yùn)移巖屑。

應(yīng)用連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)可增強(qiáng)Φ311.1mm井眼清潔效果，降低停泵接/卸立柱時(shí)的巖屑快速沉降，維持井筒處于恒定壓耗狀態(tài)。該系統(tǒng)可通過(guò)打開側(cè)向蓋板閥在接/卸立柱時(shí)進(jìn)行鉆井液分流維持井筒連續(xù)穩(wěn)定循環(huán)，有效避免了開關(guān)泵產(chǎn)生的激動(dòng)壓力對(duì)脆弱地層造成的額外擾動(dòng)，維持巖屑持續(xù)運(yùn)移阻止其在停泵狀態(tài)下向井筒低邊沉降堆積，可實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)和起下鉆不停泵接/卸立柱，進(jìn)一步保障井筒的清潔與安全。

（3）工程控制措施

計(jì)算表明：巖屑床平均高度的變化受排量和鉆桿轉(zhuǎn)速影響敏感度較高，當(dāng)排量由1200L/min增大至2400L/min時(shí)，環(huán)空中巖屑床平均高度降低約13%；轉(zhuǎn)速由0r/min增加至150r/min時(shí)，環(huán)空中巖屑床平均高度降低約12%。因此主要選取以大排量水力參數(shù)配合高轉(zhuǎn)速機(jī)械動(dòng)能進(jìn)行構(gòu)建井筒清潔方案。

洗井間隔是指2次充分洗井操作之間的間隔。倒劃眼起下鉆、使用清掃液循環(huán)等都是有效的洗井操作，可根據(jù)實(shí)鉆情況靈活選擇。通過(guò)計(jì)算：排量1800L/min，機(jī)械鉆速30m/h，洗井間隔200m時(shí)，大斜度井段環(huán)空巖屑床將小于10%。因此，保持頂驅(qū)高轉(zhuǎn)速機(jī)械性能、維持大排量水力參數(shù)、縮短洗井間隔時(shí)間是破壞和清除巖屑床、提高井眼清潔程度的有效工程控制措施。

2.4 全掏空旋轉(zhuǎn)下尾管技術(shù)

旋轉(zhuǎn)下尾管技術(shù)是應(yīng)用可旋轉(zhuǎn)尾管掛，通過(guò)旋轉(zhuǎn)尾管串降低下入摩阻，提高尾管串下入成功率的一項(xiàng)技術(shù)。應(yīng)用旋轉(zhuǎn)方式下尾管可以消除常規(guī)下尾管時(shí)受高摩阻引起的管串正弦屈曲、螺旋屈曲和更為嚴(yán)重的自鎖現(xiàn)象[3]。全掏空旋轉(zhuǎn)下尾管技術(shù)是在旋轉(zhuǎn)下尾管技術(shù)的基礎(chǔ)上，保持一定長(zhǎng)度的管柱不灌漿，從而降低尾管串下入摩阻和旋轉(zhuǎn)扭矩。該技術(shù)適用于井眼軌跡復(fù)雜、大井斜裸眼段長(zhǎng)、井架提升能力有限和地層壓力窗口窄的大位移井作業(yè)。借鑒南海東部油田已鉆大位移井的作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用全掏空旋轉(zhuǎn)下尾管技術(shù)能夠在處理尾管下不到位等復(fù)雜情況時(shí)保留一定安全處理余量，能較好避免下尾管過(guò)程中產(chǎn)生激動(dòng)壓力引起的地層漏失難題。

該技術(shù)的實(shí)施需要在工具方面解決兩項(xiàng)關(guān)鍵問(wèn)題：

尾管串處于全掏空狀態(tài)，下入過(guò)程中產(chǎn)生的激動(dòng)壓力易超過(guò)浮鞋、浮箍的承壓級(jí)別，發(fā)生反向擊穿導(dǎo)致單流閥失效，會(huì)造成固井作業(yè)時(shí)水泥漿反灌等嚴(yán)重的井下問(wèn)題。根據(jù)計(jì)算管柱下入壓力波動(dòng)，應(yīng)用抗壓強(qiáng)度69MPa的高壓力等級(jí)劃眼浮鞋，高承壓級(jí)別可以有效避免激動(dòng)壓力擊穿單流閥，浮鞋上的聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭（PDC）型切削齒亦可輔助尾管旋轉(zhuǎn)通過(guò)裸眼遇阻點(diǎn)。

通過(guò)計(jì)算，常規(guī)尾管的BTC螺紋抗扭強(qiáng)度低于旋轉(zhuǎn)下尾管的作業(yè)扭矩。應(yīng)用匹配BTC螺紋的扭矩環(huán)并緊固安裝于尾管接箍?jī)?nèi)，有效防止尾管上扣過(guò)緊和螺紋變形，通過(guò)人造臺(tái)階的形式提升普通尾管螺紋抗扭性能，不僅可延長(zhǎng)螺紋的使用壽命，更可替代成本更高的高抗扭型套管，大幅節(jié)省作業(yè)成本[4]。

3 結(jié)論與建議

應(yīng)用水下井口重建技術(shù)可優(yōu)選高難度井淺層側(cè)鉆點(diǎn)，優(yōu)化井眼軌跡和套管下入深度，建立科學(xué)合理的淺層高水垂比大位移井井身結(jié)構(gòu)。

通過(guò)研究和實(shí)踐，優(yōu)化鉆井液性能、配合大水力高轉(zhuǎn)速等機(jī)械參數(shù)、輔助使用巖屑床破壞器和連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)，可有效減弱長(zhǎng)穩(wěn)斜延伸段的巖屑床堆積，降低井筒ECD，提高井筒的清潔程度。

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在儲(chǔ)層埋深較淺、井斜角大、裸眼段長(zhǎng)的高水垂比大位移井鉆井作業(yè)中，應(yīng)用全掏空旋轉(zhuǎn)下套管技術(shù)能有效解決小尺寸井眼套管下不到位的問(wèn)題。

高水垂比大位移井B井的成功實(shí)施為海洋石油同類型大位移井作業(yè)提供了良好的技術(shù)思路和經(jīng)驗(yàn)借鑒。