雙層套管鍛銑技術在環空帶壓棄井中的應用

李福明孫文化葉周明范豐年倪國勝齊安華

1.中海油能源發展工程技術分公司； 2.中海石油（中國）有限公司天津分公司；3. 渤海鉆探工程有限公司井下技術服務分公司

雙層套管鍛銑技術在環空帶壓棄井中的應用

李福明1孫文化1葉周明2范豐年1倪國勝3齊安華3

1.中海油能源發展工程技術分公司； 2.中海石油（中國）有限公司天津分公司；3. 渤海鉆探工程有限公司井下技術服務分公司

中東波斯灣海域某探井出現環空帶壓，棄井期間多次嘗試在氣源層射孔擠注處理環空帶壓問題，未獲成功。在氣源層上部鍛銑?244.475 mm與?339.725 mm雙層套管，并在鍛銑井段內注防氣竄水泥塞，通過負壓測試等證實了可以利用水泥塞實現對氣源層的有效封隔。現場應用表明，環空帶壓井棄井作業中運用多層套管鍛銑注水泥塞技術能夠徹底解決射孔擠注難以處理的環空帶壓問題。

鍛銑套管； 注水泥塞； 環空帶壓； 棄井

環空帶壓簡稱SCP或SAP，多由油套管泄露、固井質量差或井下溫度效應導致水泥和套管界面膠結失效而形成［1］，不僅破壞井筒完整性，棄井時也難以處理。中東波斯灣海域某探井出現環空帶壓，棄井作業時先后采用了在氣源層射孔擠注和鍛銑套管注水泥塞等措施來處理，效果較好。

1 井身結構及環空帶壓概況

Casing program and SCP summary

該井為高溫高壓氣井，作業水深30 m，共6開井眼，依次鉆遇新生界第三系，中生界白堊系、侏羅系、三疊系和古生界二疊系和泥盆系地層。該區域新生界主要為砂泥巖和碳酸巖；中生界主要為碳酸巖夾硬石膏，局部有泥頁巖和鹽巖層；目的層古生界二疊系和泥盆系主要為砂泥巖層。該井各層套管固井水泥返高至泥面，實鉆井深及套管下深見表1。五開?311.15 mm井眼鉆進期間發現?473.075 mm和?346.075 mm套管之間環空帶壓，壓力緩慢增長，最高壓力到7.58 MPa。通過井口放壓控制環空帶壓壓力不超過7.58 MPa，安全鉆至設計井深。經綜合分析認為氣源是位于?473.075 mm套管鞋下方的碳酸巖地層。棄井時為處理環空帶壓多次嘗試在氣源層2 314.9～2 318.0 m處射孔擠注，試擠液密度1.32 g/cm3，最大擠注壓力 16.55 MPa，當量比重 1.98，試擠不成功。

表1 井身結構及套管程序Table 1 Casing program

2 鍛銑工具介紹

Introduction on milling tools

按棄井規范要求，鍛銑帶壓套管至少30.5 m，并在鍛銑井段注長度不少于91.5 m的水泥塞處理環空帶壓［2］。該井應鍛銑?244.475 mm套管和?346.075 mm套管，鍛銑上述2層高強度厚壁套管在世界范圍內尚屬首例，每層套管都包括鍛銑開窗、銑進和清刮水泥3大步驟，分別使用不同的鍛銑工具。

2.1 鍛銑?244.475 mm套管工具

Milling tool of ?244.475 mm casing

鍛銑?244.475 mm套管使用常規鍛銑工具CSM-1000，其結構示意圖如圖1。

圖1 CSM-1000示意圖Fig. 1 Schematic CSM-1000

CSM-1000鍛銑工具可配備開窗刀具、銑進刀具分別如圖2所示來進行鍛銑開窗、銑進作業。

圖2 CSM-1000鍛銑工具配套開窗刀具和銑進刀具Fig. 2 The support window cutting tool and milling tool of CSM-1000 milling tool

鍛銑完?244.475 mm套管后，清刮?346.075 mm套管內壁水泥與鍛銑?346.075 mm套管后清刮水泥都使用Meudsa VSTM工具。

2.2 Meudsa VSTM工具

Meudsa VSTMmilling tool of ?346.075 mm casing

鍛銑?346.075 mm套管使用Meudsa VSTM工具，結構示意圖如圖3所示。該工具可更換與傳動連桿相連的刀片和支撐臂，從而配備開窗刀具、銑進刀具、清刮水泥刀具（圖4）來滿足鍛銑開窗、銑進和清刮套管內壁水泥作業需要。

圖3 Meudsa VSTM工具結構示意圖Fig. 3 Structural sketch of Meudsa VSTMtool

圖4 Meudsa VSTM工具配套刀具Fig. 4 Support cutting blades of Meudsa VSTMtool

2.3 鍛銑工具特色

Features of milling tool

CSM-1000為常規鍛銑工具，其刀片和Meudsa VSTM工具刀片均采用特殊抗高溫合金材質，內嵌正八邊形金剛石齒，提高刀具抗磨損強度。該材質刀具克服了常規鍛銑刀具易崩缺、本體變形、折斷，銑進速度低、單只刀片進尺少［3］的問題。

Meudsa VSTM工具工作原理為液力推動本體內的活塞下行進而推動傳動聯桿使刀具隨支撐臂張開，主要特色如下：

（1） 結構簡單，刀具及下方扶正支撐臂為一個整體，隨液力張開，扶正支撐臂緊貼套管內壁，自動扶正效果好，組合中無需另外安裝扶正器，減少銑屑在扶正器處堆積的卡鉆風險。

（2） 刀具采用多排刀片組合設計，每排3只短刀片。銑進時刀片自下而上逐排磨損，可避免只采用一組長刀片易引起的變形或折斷，安裝多排刀片可提高單次入井鍛銑進尺。

（3） 工具本體內的活塞及上方的噴射短節均有噴射孔，冷卻刀具和提供鉆井液通道，還可安裝不同尺寸水眼，增強水功率清洗效果。

3 現場應用

Field application

因射孔擠注處理環空帶壓失效，現場選擇鍛銑雙層套管注水泥塞技術處理。首先鍛銑37.8 m長的?244.475 mm套管和30.5 m長的?346.075 mm套管，再鍛銑井段底部注256.6 m長的防氣竄水泥塞，下RTTS負壓測試驗證水泥塞效果，合格。主要施工過程如下。

3.1 鍛銑準備工作

Preparation for milling

為滿足井控安全和鍛銑鐵屑上返要求，調整鉆井液密度至 1.33 g/cm3，塑性黏度＞14 mPa·s，屈服值YP＞23 Pa，漏斗黏度FV＞50 s。

3.2 鍛銑?244.475 mm套管

Milling of ?244.475 mm casing

（1） 組合開窗工具，如下：?212.725 mm 銑錐+變扣+?212.725 mm扶正器+?209.55 mm CMS-1000開窗刀具+?161.925 mm噴射短節（噴嘴12/32×3）+浮閥+?165.1 mm減震器+?165.1 mm鉆鋌×9柱+?127 mm加重鉆桿×12柱。下鉆至2 280.8 m處（校深）切割?244.475 mm套管，并繼續向下開窗至2 282 m。

（2） 起鉆至井口，更換為銑進工具組合：?212.725 mm銑錐+變扣+?212.725 mm扶正器+?209.55 mm CMS-1000鍛銑工具（刀具張開最大尺寸為?279.4 mm）+?161.925 mm 噴射短節（噴嘴12/32×3）+浮閥+?165.1 mm減震器+?165.1 mm鉆鋌×9柱+?127 mm加重鉆桿×12柱。下鉆至2 282 m，銑進?244.475 mm套管至2 318.6 m。

（3） 起鉆至井口，更換為刮銑鉆具組合：?196.85 mm MEUDSA鍛銑工具（刮銑刀具）+?196.85 mm 噴射短節（噴嘴 20/32×2，帶浮閥）+?165.1 mm鉆鋌×3柱+?127 mm加重鉆桿×12柱。下鉆，2 314.3～2 283.8 m自下而上清刮?346.075 mm套管內壁。循環，起鉆。

3.3 鍛銑?346.075 mm套管

Milling of ?346.075 mm casing

（1） 組合開窗工具。?196.85 mm Meudsa VSTM開窗刀具+?196.85 mm 噴射短節（噴嘴14/32×2，帶浮閥）+?165.1mm減震器+?165.1mm鉆鋌×3柱+?127mm加重鉆桿×12柱。下鉆至2 283.8 m處（校深）切割?346.075 mm套管，并繼續向下開窗至2 285.1 m。

（2） 起鉆至井口，更換為銑進鉆具組合。?196.85 mm Meudsa VSTM銑進刀具+?196.85 mm 噴射短節（噴嘴18/32×1+20/32×1，帶浮閥）+?165.1 mm減震器+?165.1 mm鉆鋌×3柱+?127 mm加重鉆桿×12柱。下鉆并銑進?346.075 mm套管至2 314.3 m。

（3） 起鉆至井口，更換為刮銑鉆具組合。?196.85 mm Meudsa VSTM刮銑刀具（最大張開尺 寸 ?508 mm）+?196.85 mm 噴 射 短 節（噴 嘴18/32×1+20/32×1，帶 浮 閥）+?165.1 mm 減 震器+?165.1 mm鉆鋌×3柱+?127 mm加重鉆桿×12柱。下鉆，2 314.3 m～2 283.8 m自下而上清刮?473.075 mm套管內壁，循環，起鉆。

鍛銑上述2層套管的主要技術措施有：

（1） 工具許可范圍內盡可能增大排量，提高鉆井液攜巖能力，控制銑進速度和監測返出鐵屑的數量和形狀，并正確處理阻卡問題［4］。

（2） 嚴密監測鐵屑返出量并稱重對比，結合鍛銑進尺、純鍛銑時間、泵壓和扭矩等參數來判斷井眼及刀具狀況。

（3） 每 銑 進 0.6～1.0 m 清 掃 稠 漿（漏 斗 黏 度FV≥110 s）攜帶鐵屑，必要時停鉆循環。

3.4 鍛銑井段注水泥塞

Placement cement plug in milling window

（1） 坐橋塞于 ?473.075 mm 套管內 2 312.3 m，設置機械屏障封堵氣源壓力，同時承托鍛銑井段的水泥塞。起甩下橋塞工具。

（2） 下注水泥塞管柱至橋塞頂，管柱自下而上：?127 mm旋流短節+?127 mm鉆桿+旋塞閥+旋轉水泥頭+旋塞閥+短鉆桿。試壓合格后，保持鉆具旋轉 20 r/min，注水泥塞（2 312.3～2 072.6 m），共計泵入13.4 m3，密度為1.98 g/cm3的水泥漿。

（3） 拆甩旋轉水泥頭等，緩慢起鉆至2 072.6 m，循環并排放受污染的泥漿，降低排量在放多余的水泥漿。繼續緩慢起鉆至2 022.6 m處，候凝。

3.5 驗證封隔效果

Veri fi cation of isolation effect

（1） 候凝36 h后，下鉆探水泥塞塞頂，在2 076.6 m處遇阻25 kN。

（2） 循環排量3 785 L/min調整鉆井液性能，出口密度 1.32 g/cm3，漏斗黏度 40 s，YP=10 Pa。

（3） 循環均勻后，通過錄井監測鉆井液中的氣全量，氣全量為0。

（4） 組合RTTS負壓測試管串如下：?244.475 mm RTTS+循環短節+安全接頭+?127 mm加重鉆桿×9柱。下RTTS至1 982.1 m處，循環，向鉆具內替入海水，造負壓3.45 MPa，坐封RTTS于?244.475 mm套管內，負壓測試。在鉆具上安裝壓力表觀測并記錄壓力表讀數。因頂替進鉆具內的海水在井筒內受熱膨脹，鉆具內壓力上漲，通過定期記錄壓力數值，可發現在相同周期內壓力上漲趨勢明顯降低，最大值逐漸減少。

根據零氣全量和負壓測試結果，可以認定鍛銑井段的水泥塞封隔效果較好，成功封堵了氣源。注水泥塞完成后的井身結構見圖5。

4 結論

Conclusions

（1） 該井開創性地使用雙層套管鍛銑技術，從根源上成功解決了射孔擠注處理失敗的多層套管環空帶壓問題，為環空帶壓井的棄井處置提供了解決方案和實踐經驗。

（2）依據氣源地層深度選取鍛銑套管位置是成功處理環空帶壓的必要條件。

（3） 鍛銑套管作業周期長，風險較高，應優選鍛銑工具和底部鉆具組合。

（4） 注水泥塞的水泥漿體系應具有良好的防氣竄和界面膠結性能，控制失水性能及泊松比。此外，應提高附加量以減少混漿，確保固井質量。

圖5 鍛銑套管注水泥塞后井身結構示意圖Fig. 5 Schematic casing program after casing section milling and cement plug

（5） 建議在鍛銑帶壓套管的底部坐棄井橋塞封隔氣源及壓力傳遞通道，設置機械封隔屏障，同時承托鍛銑井段水泥塞。

［1］ 齊奉忠，劉碩瓊，袁進平.氣井環空帶壓的原因分析及解決措施淺析：2008年全國固井技術研討會論文集［C］. 2008：195-200.QI Fengzhong, LIU Shuoqiong, YUAN Jinping. Reason analysis & solution discussion of sustained annular pressure gas wells: Well Cementing Techniques Seminar 2008 ［C］. 2008: 195-200.

［2］ Qatar Petroleum Drilling Department. Suspension and abandonment of drilling operations manual［S］.

［3］ 樊曉萍，楊曉莉，汪友松，譚寧川．套管鍛銑工藝技術研究［J］.石油鉆探技術，2002，30（4）：23-24.FAN Xiaoping, YANG Xiaoli, WANG Yousong, TAN Ningchuan.Study on casing milling technology［J］.Petroleum Drilling Techniques, 2002, 30（4）: 23-24.

［4］ 李群山.提高套管鍛銑效率的途徑［J］.石油鉆探技術，1999，27（4）：17-18.LI Qunshan. Ways to improve section milling effciency of casing ［J］ . Petroleum Drilling Techniques, 1999, 27（4）: 17-18.

（修改稿收到日期 2017-06-24）

〔編輯 薛改珍〕

Application of dual casing section milling technology to the abandoned wells with sustained casing pressure

LI Fuming1, SUN Wenhua1, YE Zhouming2, FAN Fengnian1, NI Guosheng3, QI Anhua3
1. EnerTech-Drilling & Production Co., CNOOC Energy Technology & Services Limited, Tianjin 300452, China;2. Tianjin Branch of CNOOC China Ltd., Tianjin 300452, China;3. Downhole Technology Service Ltd., CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited, Tianjin 300452, China

SAP (sustained annular pressure) was observed in a exploration well in Persian Gulf. And during its abandonment, perforation and cementing in the gas source layers was tried many times to kill the SAP, but no success is ever achieved. In this paper, the dual casing (?244.475 mm and ?339.725 mm) in the upper part of gas source layers was milled, and gas block cement plug was set in the milled section. It is verifed by negative pressure test that cement plug can isolate the gas source layers effectively. Field application shows that multi-layer casing milling and cement plug technology can solve completely the SAP problem which cannot be dealt with by the conventional perforation and cementing technology.

Casing section milling; cement plug; annulus pressure; abandoned well

李福明，孫文化，葉周明，范豐年，倪國勝，齊安華.雙層套管鍛銑技術在環空帶壓棄井中的應用［J］ .石油鉆采工藝，2017，39（4）：460-463.

TE243

A

1000 – 7393（ 2017 ） 04 – 0460 – 04

10.13639/j.odpt.2017.04.012

:LI Fuming, SUN Wenhua, YE Zhouming, FAN Fengnian, NI Guosheng, QI Anhua. Application of dual casing section milling technology to the abandoned wells with sustained casing pressure［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(4):460-463.

李福明 （1984-），2007年畢業于長江大學機械設計制造及其自動化專業，主要從事海洋石油鉆完井監督工作。通訊地址：（300452）天津市塘沽區渤海石油路688號海洋石油大廈B座B809。電話：022-25807552。E-mail：lifm2@cnooc.com.cn