水平井固井附件鉆除方法研究與影響因素分析

李風雷 余德望

摘 ? ? ?要：通過對直井和斜井球座及膠塞等固井附件鉆除情況的統計對比，確定井斜是鉆除球座及膠塞的主要影響因素，并對幾口水平井在鉆除固井附件時采用的鉆具組合、排量、扭矩、轉速、鉆壓、鉆時等鉆除數據進行了逐一詳細對比分析，結合具體鉆除參數的變化及鉆除效果，總結出在水平井合金套管內鉆除球座及膠塞時推薦的最佳鉆除方法，即采用合理的鉆除鉆頭、鉆具組合，適當加大鉆壓、活動鉆具以及調整鉆除參數，并且提出適合在水平井合金套管內球座及膠塞的最佳有效鉆除參數（鉆壓14～16 t，轉數40～60 r·min-1，排量1.0～1.3 m3·min-1，扭矩3～7 kft·lbs）。該方法主要體現在鉆頭、鉆具組合、鉆除參數、固井工藝等方面。并通過對后期2口具體井的具體鉆除情況進行分析討論，再次驗證了該方法的可行性和適用性;同時既縮短了水平井的鉆井周期，節省了鉆井成本，又減小了鉆穿套管的作業風險，且鉆除的效果良好，值得進一步推廣。

關 ?鍵 ?詞：球座;膠塞;鉆除方法;鉆壓;尾管固井

中圖分類號：TE 256 ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）08-1758-05

Abstract： The situation of drilling out landing collar and liner wiper plug in vertical and inclined wells was introduced， and the drilling-out data of several horizontal wells were compared and analyzed. Combined with the change of specific drilling-out parameters and the drilling-out effect， the best drilling-out method for landing collar and liner wiper plug in the alloy casing of horizontal wells was put forward， including using a reasonable combination of drilling bits and tools， and appropriately increasing the weight on bit， movable drilling tools and adjusting drilling parameters. The best drilling-out parameters were determined （bit weight 14～16 t， rotating speed 40～60 r·min-1， discharge capacity 1.0～1.3 m3·min-1， torque 3～7 kft·lbs）. Through analyzing drilling-out situation of the two horizontal wells， the results approved that the method was available and feasible. Using the method can decrease the drilling cost and avoid the work risk of the horizontal well， and it has good drilling-out effect.

Key words： Landing collar; Liner wiper plug; Drilling-out; Drilling load; Liner cementing

水平井中附件鉆除問題一直是鉆井比較關注的環節，且目前固井附件鉆除的相關技術探討比較少[1]。水平井井眼軌跡一般由直井段、造斜井段和水平井段構成，8 1/2"鉆頭鉆至設計井深，7"套管下至造斜點附近，留有900多米口袋，待7"尾管固井結束后再掃塞并進行鉆除附件（主要為球座、水泥塞、浮箍和浮鞋），然后直接下入4 1/2"篩管進行完井作業。水平井的井深一般在3 900～4 100 m之間，球座位置在3 000～3 200 m，球座處井斜角在80°～90°之間，由于該位置處于水平井的造斜點附近，加大了鉆除球座及膠塞的難度，鉆除時間也會較長，對此我們進行技術討論及分析。

1 ?球座及膠塞鉆除情況

在油田施工的水平井7"尾管固井中絕大多數井存在7"球座及膠塞鉆除困難的問題，鉆除時間較長。不僅影響了鉆井周期及鉆井成本，而且增加了長時間鉆除時鉆穿合金套管的風險，影響下步4 1/2"套（篩）管完井作業。

現主要分析存在球座及膠塞鉆除異常的水平井的情況。其碰壓、放回水正常，施工順利，可以判定球座及大小膠塞均復合在球座處[2]。固井施工后球座及膠塞的鉆除時間比較長，一般在20多個小時，鉆除情況見表1。

相比之下， 直井中的球座及膠塞鉆除時間相對較短，一般都在3～6 h，見表2。

由表1、表2可以看出，水平井和直井中的鉆時有很大差別，可見井斜是鉆除球座及膠塞的主要影響因素。故下面主要從水平井方面討論影響鉆除球座及膠塞的主要因素。

2 ?球座及膠塞具體鉆除參數對比分析

2.1 ?各水平井參數對比分析

下面對各水平井的鉆除參數進行對比分析、評價，尋找其不同點。幾口井鉆除時在鉆頭、井眼軌跡、球座位置井斜基本上都比較接近，鉆除時采取的參數也基本類似[3]。其他鉆具組合及具體參數對比情況見表3。

由表3可以看出，對比參數中不同點是：球座以上留水泥塞高度不同， S15井球座處有水泥塞，鉆除時間短。其中，S04井在鉆除前期鉆壓基本控制在4～9 t，后期2 h采用了加大鉆壓（15 t）的方法。

2.2 ?S04井具體鉆除參數舉例

S04井前期鉆除進尺緩慢，更換鉆頭后發現鉆頭磨損程度較小，見圖1，其他水平井鉆除時鉆頭磨損情況也相同。說明鉆壓沒有有效加在附件上，不能起到良好的鉆除效果。

S04井鉆除時間共計62.5 h，前60.5 h共進尺0.27 m，后2 h進尺0.08 m。前期考慮到PDC鉆頭在長時間鉆除或牙輪鉆頭在大鉆壓下鉆除都很可能會鉆壞甚至鉆穿合金套管，故采用牙輪鉆頭小噸位鉆除[4]。在鉆除后期嘗試性采用加大鉆壓鉆除，效果明顯。具體鉆除情況見表4。

3 ?原因分析

針對以上各水平井的鉆除球座及掃塞的具體情況，從鉆頭、鉆具組合、固井工藝、鉆除參數等各方面進行詳細分析，總結其主要原因及解決辦法[5]。

3.1 ?鉆頭的選型

球座及膠塞的材質主要為合金鋁和橡膠，油田現場一般采用PDC及牙輪鉆頭鉆除。在油田的直井中多采用ST316、M1375等PDC鉆頭，在水平井中除考慮井斜的影響，還考慮到PDC鉆頭可能鉆壞或鉆穿合金套管，建議采用MD517牙輪鉆頭鉆除。

3.2 ?鉆具組合對鉆除的影響

對F13、S15、S04、S18井采用的鉆除鉆具組合進行對比，計算鉆具組合中加重鉆桿部分的井斜變化率，見表5。從結構上分析，加重鉆桿越多，鉆具的整體剛性越強，井斜變化率越小，在鉆塞時附加在附件上的力就越穩定，鉆除越有效。

由表5可以看出，鉆具組合差別不大，沒有明顯的規律性，并不是鉆除異常主要的影響因素。

3.3 ?球座處壓塞水泥漿的影響

前5口水平井在施工時都沒有設計水泥漿壓塞，只保留管線內約200L水泥漿進行壓塞。除S15井球座以上有水泥塞外，鉆除時間相對較短，其他井球座以上無水泥塞，鉆除時間相對長[6]。見表6。

從表6中可以看出，S15井球座以上有水泥塞，其鉆除時間相對較短。故球座處的水泥封固是影響鉆除的一個重要因素。

3.4 ?球座本身材質和結構因素

球座及膠塞為合金鋁和橡膠制品。在使用牙輪鉆頭鉆除時，合金鋁和膠皮易粘連，塑性強，不易破碎，鉆除時間相對較長。若用PDC鉆頭相對牙輪鉆頭而言更容易鉆除合金鋁和膠皮。球座設計有防轉機構但長時間鉆除很容易導致防轉機構被破壞，鉆除的附件及散件易跟鉆頭一起轉動，影響鉆除效果（圖2）。

3.5 ?鉆除鉆壓的控制和影響

現場考慮到使用牙輪鉆頭加大鉆壓或者使用PDC鉆頭都存在著鉆壞下部合金套管的風險，所以首先采用牙輪鉆頭小鉆壓（現場控制在9 t以內）鉆除，故處理起來難免時間較長。不能有效地將鉆壓加在附件上（扭矩反映不明顯）是鉆除時間長的主要原因。所以現場合理的控制鉆除的鉆壓是非常關鍵的問題，需綜合考慮所鉆除附件的具體情況及對周邊套管的影響，否則將直接影響其鉆除結果。

S04井后期加大鉆壓（10～15 t）后有明顯效果，鉆速較之前明顯提高。S15井除有6 m水泥塞外，其鉆壓相對也大，故鉆除時間相對較短。故水平井鉆除球座膠塞困難的主要原因是鉆除的有效鉆壓不夠，達不到良好的鉆除效果[7]。

綜上所述，水平井鉆除球座及膠塞困難的主要原因是鉆除的有效鉆壓不夠，其次是球座處無水泥封固，沒有起到良好的鉆除效果。

4 ?推薦鉆除方法

通過以上各種情況及原因分析，我們總結了水平井合金套管內鉆除球座及膠塞的最佳的鉆除方法，為今后的水平井的附件鉆除具有一定的指導意義。

1）采用合理的鉆除鉆具組合，鉆鋌長度建議在20 m以上，加重鉆桿長度在200 m以上，且連接在鉆鋌后面。

2）固井時在鉆桿膠塞后注1 m3水泥漿壓塞，并及時替漿確保球座處的封固質量。

3）建議使用牙輪鉆頭，鉆進時適當加大鉆壓至12～15 t，并適當活動鉆具以及調整鉆除參數。

同時，提出適合在水平井合金套管內球座及膠塞的最佳有效鉆除參數為：鉆壓14～16 t，轉數40～60 r·min-1，排量1.0～1.3 m3·min-1，扭矩3～7 kft·lbs（即反映到井口的合理扭矩范圍在4.1～9.5 kN·m）。

5 ?后期尾管井實例驗證

后期水平井按照新的推薦方法進行鉆除，主要從鉆壓和壓塞水泥漿方面入手。主要措施為固井時注壓塞水泥漿（1 m3），鉆除時提高鉆壓（15 t左右），排量1.0 m3·min-1以上。具體鉆除參數見表7。

從表7中鉆塞情況來看，后期水平井鉆除時間相對很短，尤其是S18井，其鉆除球座及膠塞時間為1.8 h。主要的區別在于：除了球座以上有水泥塞外，主要是采用了較大的鉆壓（15～16 t）。S20井鉆除時鉆壓由4 t逐漸加到16 t，間歇活動鉆具，鉆壓基本控制在15～16 t進行鉆除;后期水平井在鉆除時參數基本維持在：排量1.0～1.3 m3·min-1，鉆壓12～15 t，并在施工時注有1 m3壓塞水泥漿。其中S24井鉆除鉆壓較小，致使鉆除時間為18.5 h，其余井鉆除時間基本在3 h左右，說明鉆壓在水平井鉆除中是主要的影響因素，其次球座以上有水泥塞也是重要因素。

利用磨阻扭矩計算軟件對使用井進行模擬計算，來檢驗鉆除參數的合理性。由磨阻扭矩計算軟件來推算出實際鉆除時鉆頭處的鉆除參數，其地面與井下鉆除扭矩參數的對比看，鉆頭處扭矩較小的井，其鉆除時間相對較長。說明前期鉆壓和扭矩偏小，鉆除時實際的有效鉆除不夠。在提高鉆壓后，扭矩提高，增加了有效鉆除。尤其是后期水平井相對其他井而言明顯提高了鉆壓，而且對下部合金套管沒有造成損傷，這也是牙輪鉆頭在水平井合金套管內長時間、大鉆壓鉆除附件的一個探索。

從后期水平井的實際鉆除情況來看，鉆除效率明顯提高，解決了現場鉆除球座及膠塞困難的難題。同時縮短了鉆井周期，減小了鉆井成本，為水平井附件鉆除提供了很好的參考依據。也驗證了鉆壓和水泥塞對鉆除的重要影響，再次證明鉆除困難的原因分析及推薦方法的合理性。

6 ?結論與建議

1）從鉆除參數、固井留塞設計、鉆頭、鉆具組合、球座結構及材質等各方面進行了對比優化和綜合分析，總結出較好的鉆除球座及掃塞的鉆除方法。

2）通過采用合理的鉆除鉆頭、鉆具組合，適當加大鉆壓、活動鉆具以及調整鉆除參數的方法，對水平井合金套管內的附件鉆除起到良好效果，不僅縮短了鉆除時間，節省了鉆井成本，避免了鉆壞或鉆穿套管的風險，更為后期篩管完井作業做了充分的準備工作。

3）在其他水平井的附件鉆除方面，該鉆除方法具有一定的參考意義，值得進一步推廣。

4）建議在球座的防轉機構、材質等可鉆性方面有更新的改進與提高。

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