澤43-12x井垮塌段雙封雙承托完井管柱設計與應用

王秀影 胡書寶 張勇 蔣本強 沈家訓 邱愛民

1.中國石油大學（華東）；2.華北油田公司工程技術研究院；3.華北油田公司開發事業部；4.渤海鉆探工程有限公司工程技術研究院

澤43-12x井隸屬于澤43斷塊，鉆遇地層從上到下依次為平原組、館陶組、東營組、沙河街組、孔店組、奧陶系、寒武系，含油層位為下第三系沙三段及奧陶系峰峰組、馬家溝組。該井設計井深4 200 m，三開井身結構，一開?444.5 mm鉆頭鉆進，?339.7 mm表層套管下深600 m，封固平原組；二開?241.3 mm鉆頭鉆進，揭開奧陶系3～5 m下?177.8 mm技術套管，封隔潛山頂上部地層；三開?152.4 mm鉆頭潛山專打，完井方式根據鉆開儲層情況確定。實鉆二開揭開潛山面時，通井循環過程中發生失返性漏失，孔店組泥巖蓋層井壁垮塌，給后續完井作業帶來極大挑戰。該區鄰井的鉆探表明，奧陶系儲層裂縫、溶洞發育，地層交界不整合面-風化殼鉆井過程中多次發生失返性漏失［1］，部分井繼發井涌和卡鉆等復雜事故，一旦多次通井劃眼不成功只能采取填井側鉆［2］。為此，開展了非固井封隔完井工藝研究，設計應用雙封雙承托完井管柱，保證了后續作業的順利，也為同類型井的完井積累了經驗。

1 井況概述

Well summary

澤43-12x井潛山頂斜深3 836 m，二開鉆至3835.61 m時，通井循環過程中發生失返性漏失，孔店組底部泥巖蓋層井壁垮塌，井下形成橋塞，下鉆分段循環攜砂至3 813 m，提前下技術套管至3 810.77 m，利用砂橋承壓固井［3-4］，測固井質量合格后，三開鉆至目的層位3919 m裸眼完井。根據測錄井解釋結果顯示，該井二開3 672 m以上Es3段有油層13.4 m/2層，油水同層33.6 m/8層，油頂位于3 390.6 m，油底位于3672.0 m，產層后期需射孔開發；潛山頂3 836～ 3 848 m包含3個Ⅰ類儲層和1個Ⅲ類儲層需裸眼開采。但二開底部24.84 m未封固泥巖段后期存在井壁垮塌、掩埋潛山儲層的風險。

2 完井技術難點

Technical difficulties of well completion

針對類似井以往有2種做法：（1）對未封固的第三系泥巖層采取先墊石灰乳封堵漏層，然后懸掛尾管固井［5］，封隔套管鞋至潛山的泥巖地層；（2）采用尾管加封隔器反擠水泥固井工藝［6］，即在尾管串的下部使用可鉆的盲板引鞋加封隔器，并使封隔器剛好下過潛山第一漏層非主力油層，然后自尾管喇叭口向尾管重疊段與井眼環形空間反擠水泥固井。前者易對潛山頂部儲層造成嚴重污染，后者雖避免了因石灰乳堵漏和水泥漿對儲層的傷害，但對于因垮塌而形成的“大肚子”井眼封固質量難保證，存在層間互竄的風險［7］。為此提出尾管懸掛一趟管柱多套層系非固井封隔完井方案，即在二開產層下部套管內使用雙向懸掛器懸掛管串，在未封固段上下分別組合使用壓縮式封隔器和水力擴張式封隔器對未封固段封隔，同時在未封固段底部使用承托工具承托掉落巖屑，進一步確保下部封隔器的封隔效果。該完井方案主要存在以下難點。

（1）Es3段底部與O2s段頂部儲層間距僅164 m，封隔段短，尾管懸重較輕，懸掛、丟手操作不容易判斷［8］。

（2）尾管懸掛器坐掛及封隔器坐封一體化管串，懸掛器坐掛壓力、封隔器坐封壓力、球座剪切壓力互相影響，容易發生提前坐掛、坐封等現象［9］。

（3）水力擴張式封隔器密封膠筒較長，具有較好的密封能力，但介質為非凝液體，隨著時間延長由于橡膠老化等原因，將失去密封效果［10］，而且承壓相對較低；機械壓縮式封隔器通過擠壓多段膠筒，膨脹后形成永久密封，雖承壓能力高，但膠筒短，密封段短。

（4）沙河街砂巖儲層需采用射孔開采，奧陶系儲層采用裸眼開采，多套儲層并存且巖性不一，完井管柱長度受儲層限制。

（5）紫紅色泥巖蓋層由于剝落垮塌，造成井徑異常擴大［11］（預計井徑大于?300 mm），常規過?177.8 mm套管的?152.4 mm裸眼管外封隔器，膠筒坐封最大外徑僅為220 mm，不能有效阻擋泥巖段的剝落掉塊。

3 完井技術對策

Technical countermeasures of well completion

3.1 尾管懸掛器優選及校核中和點

Selection and check neutral point of liner hanger

根據該井的井身結構，采用?177.8 mm 套管，懸掛鋼級N80、壁厚9.19 mm、?127 mm尾管，加固后內通徑為108.6 mm。優選具有兩套坐掛機構的雙獨立液缸、兩組三排卡瓦系統反向裝配的雙向錨定尾管懸掛器，以確保有足夠的摩擦力保證懸掛和倒扣作業的順利進行，確保一次坐掛成功率［12］。通井刮管時，對上部鉆具重力測量；下完套管后校核管串中和點及摩阻，為丟手判斷提供可靠數據。

3.2 工具壓力級別設計

Design of pressure level of tools

為防止管串入井過程中懸掛器提前坐掛，懸掛器坐掛壓力不能過低，根據經驗，懸掛器坐掛壓力設定為8 MPa。為避免懸掛器坐掛及封隔器坐封前球座剪釘先剪斷，管串采用同通徑階梯壓力［13］設計，懸掛器坐掛壓力、封隔器坐封壓力、球座銷釘剪切壓力依次壓力差應達到4 MPa、6 MPa，分別為尾管懸掛器8 MPa、封隔系統及巖屑支撐系統12 MPa、球座憋脫壓力18 MPa。

3.3 地層封隔系統設計

Design of formation sealing system

垮塌段上部采用壓縮式封隔器與水力擴張封隔器組合使用，綜合壓縮式封隔器承壓能力高、水力擴張式封隔器補償性好、密封性好、使用簡便的優點，確保管串封隔效果。

3.4 巖屑承托與壓縮式封隔器一體式工具設計

Design of integrated tool of cuttings retainer and compression packer

承托工具在上部，起到封隔上部垮塌井眼，防止上部垮塌泥巖落入井筒的作用；壓縮式封隔器在下部，膠筒膨脹后可以實現封隔潛山裸眼段地層及阻擋巖屑下落雙效功能，結構見圖1。

該工具總長1.5 m，本體和膠筒最大外徑148 mm（小于外層套管內徑），坐封最大外徑487 mm，內通徑108.6 mm（匹配尾管內徑），接頭連接絲扣匹配尾管絲扣，完成坐封最小壓力12 MPa，本體材質P110（同尾管鋼級）。

承托工具設計采用65Mn、0.8 mm彈簧鋼精密鋼帶［14］，帶寬30 mm，使用鋼片232根，具有承托力大、承托面積大的特點，坐封后最大外徑可達487 mm，承托力最低50 kN（表1），能夠滿足該井施工要求（24.84 m泥巖體按最大外徑487 mm、巖石密度2.55 g/cm3計算，重約44 kN），外緣可隨井壁情況進行自動調節。其工作原理為：管串到位以后，投入坐封球，憋壓至設定壓力，同時剪斷剪銷5與剪銷11，2組活塞系統同時推動承托傘7與壓縮膠筒13，打開巖屑承托系統和封隔系統，完成永久坐封。圖2為承托工具坐封后狀態。

圖1 巖屑承托與壓縮式封隔器一體式工具Fig. 1 Integrated tool of cuttings retainer and compression packer

表1 坐封外徑與承托巖屑能力的對應關系Table 1 Relationship between setting external diameter and cuttings support capacity

圖2 承托工具坐封后狀態Fig. 2 State of retaining tool after setting

壓縮式封隔器具有彈性保護套，膠筒膨脹后最大外徑可達213 mm，在?152 mm井眼段可以實現有效的地層封隔及阻擋巖屑下落。其坐封后狀態見圖3。

3.5 憋脫式引鞋球座設計

Design of ball seat of hold-off guide shoe

憋脫式引鞋球座本體上設計有45°導引坡角［15］（見圖4），起下油管不受影響。 管串下入導引及各工具憋壓操作時起承壓作用，所有工具作用實現后，通過憋壓使導引球芯落入井底，無需鉆除。

圖3 壓縮式封隔器坐封后狀態Fig. 3 State of compression packer after setting

圖4 憋脫式引鞋球座Fig. 4 Ball seat of hold-off guide shoe

4 現場應用

Field application

澤43-12x井二開技術套管利用砂橋承壓固井合格后，三開采用控壓鉆井技術，?152.4 mm 鉆頭鉆至3 919 m。為防止井壁垮塌掩埋儲層及固井對潛山儲層的污染，應用雙封雙承托完井管柱對?177.8 mm套管、坍塌井段及?152.4 mm潛山裸眼共3種不同直徑的井眼進行封隔，管柱自上而下分別為：液壓式雙作用尾管懸掛器+套管+壓縮及水力擴張復合式地層封隔器系統＋套管＋巖屑承托與壓縮式封隔器一體式工具+憋脫式引鞋球座，完井管串入井深度見圖5。

4.1 施工過程

Construction process

在?177.8 mm套管內利用尾管懸掛器下?127 mm尾管至潛山界面處，將二開未封固井段進行封隔，建立潛山儲層油氣通道，完井管串頂部即懸掛器位于Es3油底以下；在懸掛器下方?177.8 mm井筒內下入雙地層封隔系統，封固?177.8 mm與?127 mm套管環空；在二開垮塌裸眼段底部下入巖屑承托與壓縮式封隔器一體式工具，承托掉落巖屑。

（1）坐掛雙作用尾管懸掛器：投球、低泵沖小排量開泵憋壓至10 MPa，穩壓2 min，下放懸重740 kN下壓至550 kN，坐掛成功。

（2）坐封雙封系統及巖屑承托與壓縮式封隔器一體式工具：憋壓14 MPa，穩壓4 min；繼續打壓至16 MPa，穩壓 3 min。

圖5 完井管串入井深度示意圖Fig. 5 Schematic setting depth of completion string

（3）憋脫球座：憋壓18～20 MPa，壓力突降，判斷球座已憋脫。

（4）丟手：倒扣，轉盤每轉10圈，回轉2.5～3.5圈，累計共轉30圈，上提懸重由1 060 kN變為1 020 kN（下入鉆柱浮重），判斷倒扣成功。

4.2 施工效果

Construction results

澤43-12x 井于2016年7月采用非固井封隔完井后自噴投產，投產初期?7 mm油嘴日產油60.8 t/d，?20 mm孔板日產氣24 405 m3/d；?9 mm油嘴日產油124.4 t/d，?25.4 mm孔板日產氣53 221 m3/d。截至2016年12月累計產油2 531.66 t，累計產氣983 310 m3，2017年8月因生產管柱卡進行修井施工時，進行了探人工井底，未發現出砂現象，證明封隔工藝成功。目前該井仍正常生產。

5 結論與建議

Conclusions and suggestions

（1）雙封雙承托完井工藝有效解決了因蓋層井壁垮塌無法實現地層有效封隔的完井難題，突破了固井封隔思維的局限，達到了預期的效果，為同類油藏的開發積累了經驗。

（2）巖屑承托與壓縮式封隔器一體式工具是實現地層有效封隔及阻擋巖屑、保障油氣井正常生產的關鍵。

（3）同通徑階梯壓力完井管串設計，施工簡單可靠，對今后多工具組合設計具有借鑒意義。

［1］鄭有成，李向碧，鄧傳光，馬光長.川東北地區惡性井漏處理技術探索［J］.天然氣工業，2003，23（6）：84-85.

ZHENG Youcheng, LI Xiangbi, DENG Chuanguang,MA Guangchang. Techniques of treating seriously lost circulations in Northeast Sichuan［J］. Natural Gas Industry, 2003, 23（6）: 84-85.

［2］李燕，呂興輝，常領，張樂啟.勝利油田樁西潛山構造深井鉆完井技術現狀與建議［J］.鉆采工藝，2011，34（1）：86-89.

LI Yan, LYU Xinghui, CHANG Ling, ZHANG Leqi.The recommendation of zhuangxi buried hill structure deep well drilling and complication technology for Shenli Oilfield ［J］. Drill & Production Technology, 2011, 34（1）:86-89.

［3］丁紅，陳杰，王恩合，寇明富，李國興.長7井復雜地層優快鉆井技術［J］.石油鉆探技術，2010，38（1）：37-41.

DING Hong, CHEN Jie, WANG Enhe, KOU Mingfu,LI Guoxing. Well Chang-7 drilling measurements used in drilling complex zones［J］. Petroleum Drilling Techniques, 2010, 38（1）: 37-41.

［4］白興偉.淺析固井現場常見復雜情況處理綜述［J］.西部探礦工程，2013（4）：65-68.

BAI Xingwei. The Analysis of the common solution measurements for cementing complex situation in construction site［J］. West-china Exploration Engineering, 2013（4）: 65-68.

［5］郝賀鵬，孫志和，孫俊虎，康鎖柱，劉瑞學.西20-1X井尾管固井工藝技術［J］.石油鉆采工藝，2002，24（6）：21-22.

HAO Hepeng, SUN Zhihe, SUN Junhu, KANG Suozhu,LIU Ruixue. Liner cementing technology for Well Xi 20-1X［J］ . Oil Drilling & Production Technology, 2002,24（6）: 21-22.

［6］王合林，李合龍，侯篙興，譚逢兆.潛山井尾管反擠水泥固井工藝［J］.石油鉆采工藝，1999，21（3）：45-48.

WANG Helin, LI Helong, HOU Songxing, TAN Fengzhao. Reverse cement squeezing technique for liner cementing in buried hill reservoir［J］. Oil Drilling &Production Technology, 1999, 21（3）: 45-48.

［7］李丹陽，閔鵬，徐鎧昀，李桂方，康鵬.選擇性固井技術在塔里木漏失性油田的應用［J］.鉆采工藝，2015，38（5）：111-112.

LI Danyang, MIN Peng, XU Kaijun, LI Guifang, KANG Peng. The application of selective cementing technology in Tali Oilfield［J］. Drill & Production Technology,2015, 38（5）: 111-112.

［8］孫澤秋，金磊，馬錦明，李強.基于Bow-Tie模型的輕尾管固井中懸掛器失效分析［J］.石油礦場機械，2015，44（3）：63-68.

SUN Zeqiu, JIN Lei, MA Jinming, LI Qiang. Based on Bow-Tie model of the hanger failure analysis of light-liner cementing［J］. Oil Field Equipment, 2015, 44（3）: 63-68.

［9］劉猛，董本京，張友義.水平井分段完井技術及完井管柱方案［J］.石油礦場機械，2011，40（1）：28-32.

LIU Meng, DONG Benjing, ZHANG Youyi. Segregated completion technology and completion string for horizontal well［J］. Oil Field Equipment, 2011, 40（1）:28-32.

［10］韓振強，蔣本強，周冀，王益山，張京華，劉新哲.懸掛封隔技術在海外套管修復井中的應用［J］.石油鉆采工藝，2014，36（2）：122-125.

HAN Zhenqiang, JIANG Benqiang, ZHOU Ji, WANG Yishan, ZHANG Jinghua, LIU Xinzhe. Application of suspension packing technique in oversea casing repair well［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2014,36（2）: 122-125.

［11］王永全，呂利強.云南侏羅系“紅層”復雜情況的處理方法［J］.中國煤炭地質，2015，27（3）：52-54.

WANG Yongquan, LYU Liqiang. Yunnan Jurassic “red beds” complications processing［J］. Coal Geology of China, 2015, 27（3）: 52-54.

［12］馬蘭榮，馬開華，鄭曉志，陳志峰，王建全.川東北地區特殊尾管懸掛器的研發與應用［J］.石油鉆探技術，2008，36（3）：16-19.

MA Lanrong, MA Kaihua, ZHENG Xiaozhi, CHEN Zhifeng, WANG Jianquan. Development and application of special liner hanger suitable for Northeast Sichuan Area［J］. Petroleum Drilling Techniques, 2008, 36（3）:16-19.

［13］劉祖林，張向寧，陳波，唐海兵，梁開峰，祝效華.帶金屬護肩封隔器的密封特性研究［J］.石油機械，2015，43（5）：96-100.

LIU Zulin, ZHANG Xiangning, CHEN Bo, TANG Haibing, LIANG Kaifeng, ZHU Xiaohua. A study on sealing properties of a packer with metal shoulder pad［J］. China Petroleum Machinery, 2015, 43（5）: 96-100.

［14］莊娜，胡澤明，范眾維 . ?6.5 mm 65Mn彈簧鋼盤條的研發［J］.金屬制品，2010，36（6）：39-42.

ZHUANG Na, HU Zeming, FAN Zhongwei. Research and development of diameter 6.5 mm 65Mn spring steel wire rod［J］. Metal Products, 2010, 36（6）: 39-42.

［15］王濤，劉建軍，曾雨辰，史向陽.達平3復雜事故水平井修井實踐［J］.油氣井測試，2012，21（5）：61-64.

WANG Tao, LIU Jianjun, ZENG Yuchen, SHI Xiangyang. Workover practice of Daping 3 complex accident horizontal well［J］. Well Testing, 2012, 21（5）: 61-64.