WB2P42井超淺層大位移水平井套管固井技術研究

梅潔 (中石化華北分公司工程技術研究院,河南鄭州 450006)

WB2P42井超淺層大位移水平井套管固井技術研究

梅潔 (中石化華北分公司工程技術研究院,河南鄭州 450006)

WB2P42井是渭北油田2013年部署的第一口超淺層大位移水平井,位垂比高達2.63,且造斜段較長,延安組煤層發育,易坍塌,固井施工難度大。通過對淺層水平井固井難點的分析及配套固井技術研究和應用,采用簡易井口加壓裝置、優選 “三凝水泥漿體系”近平衡固井工藝、選擇合理的套管扶正器安放位置及注水泥施工參數,在垂深437.24m的超淺層水平井上成功實現了?139.7mm完井套管一次安全下入至設計井深,并取得固井質量優質的良好效果。對類似淺層大位移水平井施工有著重要的借鑒意義。

WB2P42井;超淺層大位移水平井;摩阻模擬分析;套管加壓;固井

WB2P42井是渭北油田2013年部署的第一口超淺層大位移水平井。該井水平位移1150.21m,垂深較淺437.24m,位垂比高達2.63,?139.7mm生產套管能否安全順利下至井底以及固井質量能否保證成為該井施工成功的關鍵。通過有限元摩阻分析對?139.7mm生產套管下入進行模擬分析計算、管柱優化,利用簡易井口加壓裝置,實現了套管一次安全下入至設計井深;通過優選 “三凝水泥漿體系”近平衡固井工藝、選擇合理的套管扶正器安放位置及注水泥施工參數,取得固井質量優質的良好效果。該井套管固井作業成功不但為渭北油田后續同類型水平井固井作業奠定了良好的基礎,更重要的是為渭北油田開發超淺層長3油藏提供了充實的依據和借鑒意義。

1 生產套管固井相關參數

1.1 完鉆情況

該井設計水平段長800m,井深1428.05m;實鉆造斜點170m,鉆至1423m,為尋找油層地質軌跡上調,水平段加深50m,完鉆井深1473m,垂深437.24m,水平位移1150.21m,最大造斜率6.73°/30m/200m,最大井斜93.46°/1430m,具體數據如表1所示。

1.2 井身結構

一開采用?311.2mm鉆頭鉆至104m,下?244.5mm套管封固第四系黃土層及志丹組漏層;二開采用?215.9mm鉆頭至B靶點,下?139.7mm生產套管固井,具體數據如表2和圖1所示。

表1 WB2P42井設計與實鉆情況對比

表2 WB2P42井井身結構

2 固井作業主要技術難點

超淺層大位移水平井固井施工難點主要體現在以下2個方面[1]:一是如何確保有足夠強度的套管柱能夠克服阻力順利下至設計位置;二是如何確保在水泥封固段內完全充填優質水泥漿。

2.1 高位垂比造成套管下入困難

WB2P42井屬于超淺層大位移水平井,垂深較淺,水平位移較大,高位垂比造成?139.7mm套管無法依靠自重提供足夠的下滑力,套管柱下至一定井深井口載荷為零,套管自重和彈性變形引起的摩阻較大,易遇卡,套管安全下入存在一定的風險[2]。

2.2 軌跡上調幅度較大

WB2P42井實鉆水平段軌跡呈上調趨勢,最大井斜93.46°/1430m,在井深1300m位置鉆遇泥巖,泥巖段容易縮徑;鉆至1423m,為尋找油層地質軌跡上調,水平段延伸50m,軌跡上調幅度較大,達10m/100m。

圖1 WB2P42井井身結構圖

2.3 套管居中難度大

該井位垂比比較大,造斜段較長608m,最大造斜率6.73°/30m/200m,套管彎曲應力較大[3];鉆井過程中為有效實現加壓,采用倒裝鉆具組合,容易產生鍵槽形成橢圓形井眼,同時延安組存在煤層,容易出現垮塌現象,給套管居中帶來一定困難。

2.4 對水泥漿要求高

該井為水平井固井,后期射孔、壓裂等高壓作業對固井質量提出較高要求[4],但為該井為低溫低壓環境,壓力系數0.6,儲層壓力2.4MPa,地溫梯度2.7℃/100m,儲層絕對溫度低,約23℃,溫度及壓力較低極易造成水泥漿強度發展緩慢,影響固井質量[5]。

2.5 固井質量難以保證

該井水平段封固段較長,全井注水泥,前置液和水泥漿紊流接觸時間較短,難以達到固井技術要求,并且水平段和造斜段極易形成巖屑床,不易循環干凈,影響固井二界面膠結質量[6]。

3 固井工藝技術措施

3.1 通井劃眼、調整泥漿性能

鉆井隊在每次測井及下套管前均進行通井,通井要采用?212mm扶正器,在阻卡井段要反復劃眼,劃眼時注意防卡和劃出新井眼。

通井后要及時增加泥漿潤滑性,通井起鉆前要注封閉漿,封閉漿性能如下:基漿性能符合工程設計要求,在基漿中加入液體潤滑劑和塑料小球,液體潤滑劑加量大于7%,塑料小球加量大于2%,且塑料小球要選用大顆粒的;封閉漿注入井段為30°井斜至B靶點。

通井后循環要及時調整泥漿性能,降低粘切,減小套管下入摩阻,并及時大排量循環,從而有效清除井底巖屑。

3.2 套管強度校核、優化管柱結構

套管在彎曲井眼內引起的彎曲應力會影響套管的抗拉強度和抗內壓強度,文獻 [7]介紹了套管柱允許下入的最大井眼曲率:

式中,Cm為套管允許通過的最大井眼曲率,(°)/30m;σs為套管管體剛材的屈服強度,MPa;D0為套管管體外徑,mm;K1為安全系數,K1=1.2;K2為套管螺紋應力集中系數,K2=2.0。

經過入井管柱強度校核計算 (見表3),優選N80鋼級圓形螺紋連接扣LTC的抗拉強度和抗彎曲破壞能力都能滿足要求。

表3 WB2P42井下套管情況

為避免套管下入過程中摩阻較大引起浮箍、浮鞋損壞,造成后期水泥漿回流,通過優化管串結構,在浮箍之上一根套管處增加西安航威GJF-140關井閥,后期高壓關閉,實現環空與管柱內部的絕對有效封隔。

3.3 有限元摩阻分析

淺層水平井由于其開發特點決定垂深淺等因素,需要考慮套管剛度的影響。采用專業固井軟件,利用有限元理論,將整體管柱分割成有限個單元體進行分析,區分直井段、造斜段和水平段不同的受力特點,模擬套管柱下入摩阻,考慮因素更加細致全面,以便有效指導現場施工[8]。考慮實鉆中的一些復雜因素,計算中選取摩阻系數0.35,對計算結果進行修正完善,通過模擬和現場實際施工對比,模擬數據與現場吻合程度較高 (見表4),有效指導現場施工。

3.4 簡易井口加壓裝置研究

為保證WB2P42井水平井完井套管安全下入,制作簡易井口加壓裝置。主要設計原理及思路如下:由于直井段短、井眼曲率大、水平段長,套管自身的重量輕,自重下滑力小、摩阻大,套管下入比較困難,無井口加壓無法保證套管下到預定位置,因此必須在下套管時為套管提供一定的外力作用,保證套管順利下入。利用井隊鉆臺兩側氣葫蘆、滑輪組和套管帽制作簡易井口加壓裝置,提供100k N左右的井口外加力,但不能循環 (見圖2)。在套管未遇阻時,與正常下套管程序相同,在套管下入遇阻時,通過加壓裝置下壓管柱,協助套管的下入。加壓裝置具有結構簡單和操作方便的特點,可提供連續柔性下壓力。

圖2 簡易井口加壓裝置

3.5 優化扶正器下入

結合WB2P42井水平井的特殊工藝要求,優選了適合于水平井井眼使用的樹脂旋流滾輪扶正器 (見圖3)。螺旋滾輪扶正器的扶正條與軸線有夾角,螺旋的扶正條比直條更為優越:一是在不規則井壁下套管過程中,對螺旋扶正產生一定橫向扭矩分力,使扶正器產生轉動從而減輕下套管的阻力;二是在管外環空中,當水泥漿穿過扶正器螺旋片產生旋轉,從而大大提高水泥漿頂替效率,這對提高固井質量十分有利;三是扶正器破壞井壁上的濾餅的可能性較小,不會產生 “雪犁”現象,堵塞井眼。實際安放位置如表5所示。

3.6 采用一次注水泥三凝水泥漿體系

圖3 樹脂旋流扶正器

WB2P42井采用一次注水泥全封固和近平衡壓力固井工藝,通過調整各段水泥漿的封固長度和采用合適的水泥漿密度來實現 “壓穩防漏”。漿柱結構為 “三凝水泥漿體系”,即領漿 (密度1.30g/cm3,封固0～280m,段長280m),過渡漿(密度1.75g/cm3,封固280～320m,段長40m),尾漿(密度1.88g/cm3,封固320～1473m,段長1153m),具體性能如表6、表7所示。

表5 WB2P42井扶正器加放

計算尾漿塞流臨界排量:Vc=0.22m/s,Qc=6.14L/s。為防止固井漏失,全程采用小排量塞流頂替,同時兼顧平衡地層壓力和固井頂替效率。

3.7 注水泥技術措施

①注水泥前管線試壓15MPa,罐注水泥,水泥漿密度允許偏差范圍為±0.02g/cm3;②小排量塞流頂替;③注替過程均使用水泥車操作,保證計量準確;④采用超量注水泥。

表6 WB2P42水泥漿性能

表7 WB2P42水泥漿流變性

4 WB2P42水平井固井情況

4.1 管串結構

浮鞋+2根套管+浮箍+1根套管+關井閥+套管串+水泥頭。

4.2 下套管過程

測井前后及下套管均進行通井作業,通井起鉆前在基漿中加入液體潤滑劑和塑料小球,增加潤滑性,泥漿性能調整后密度降低至1.08g/cm3,黏度45s。

該井為81/2 in井眼下51/2 in套管,套管下放速度在36s左右一根,在下至5根時頂通套管驗證浮箍浮鞋開關正常。由于該井位垂比2.63,能提供的懸重有限,下套管過程中勢必會遇阻。該井套管下到83根時懸重為16t,按照常理,理論計算懸重在22t左右,說明套管貼井壁,刮擦產生泥餅較多,造成下放阻力較大。遇阻后井隊接方鉆桿循環,循環后繼續下套管,下至102根時再次遇阻無法下入,井隊再次接方鉆桿循環,循環后繼續進行下套管作業,下至124(1315m)根時套管無法下入,循環也不起作用,此時井隊使用加壓裝置,最終下入套管共138根(1439.85m,含3根短節),仍有3根無法下入。按照鉆井設計井深(1428m),該井已經實現套管安全順利下入,并延伸了11.85m,但是地質軌跡調延長50m,調整幅度過大,加壓后井口套管出現屈曲,最后3根套管無法入井。

4.3 循環洗井

開泵大排量循環,排量和壓力分別為30L/s和3.5MPa,環空返速1.07m/s。停泵后無回壓,巖屑及泥皮返出情況正常,有效清除井底巖屑及泥皮。

4.4 注水泥及替漿過程

①管線試壓:15MPa;②注前置液:水泥車注入清水4.5m3;③注水泥:單車注低密度水泥漿10m3,平均密度1.32g/cm3;過渡漿2m3,平均密度1.69g/cm3;注尾漿36m3,平均密度1.87g/cm3;④開擋銷、倒閘門,水泥車以500L/min的排量壓塞1m3后,水泥車以600L/min的排量替11m3,水泥車以300L/min的排量替13m3,水泥車降至以180L/min的排量替漿至碰壓,共替17.5m3,替漿壓力0～3MPa,碰壓由3MPa上升到10MPa;⑤放回水壓力回零,回吐0.2m3斷流,開井候凝,48h后測固井質量。

4.5 固井質量評價

該井通過井眼條件和管柱結構優化、套管有限元摩阻模擬分析、簡易井口加壓裝置研制、優化扶正器安放位置及注水泥施工參數,實現了完井套管的安全下入設計井深,保證了套管居中度,全井固井質量優質。

5 結論

1)良好的井眼條件為固井作業的順利完成奠定了基礎。采用原鉆具帶扶正器下鉆通井和添加液體潤滑劑和塑料小球,模擬下套管作業為套管安全下入提供了可靠保證。

2)下套管模擬計算分析為管柱安全、順利下入提供了科學的依據。采用簡易套管井口加壓裝置是可行的,但對于水平位移更長的淺層水平井還需要增加加壓裝置的加壓能力。

3)在井眼情況復雜時應用綜合配套固井技術措施,保證了水泥漿封固質量取得了良好的效果。

4)該井?139.7mm完井套管固井作業的成功實施為今后同類型的超淺層水平井的固井施工提供了非常有意義的依據和借鑒。

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[編輯] 洪云飛

TE256.1

A

1673-1409(2014)20-0051-05

2014-03-04

梅潔(1974-),女,工程師,現主要從事鉆完井工藝技術方面的研究工作。