頁巖氣長水平井套管安全下入風險評估技術

李文哲 文乾彬 肖新宇 唐 梁 馮 偉 李 倩 劉素君

1. 四川長寧天然氣開發有限責任公司 2. 洲際海峽能源科技有限公司3. 中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院

0 引言

四川盆地長寧—威遠國家級頁巖氣示范區長寧區塊頁巖氣叢式水平井巷道間距介于300～400 m，水平段長度介于1 200～2 800 m[1]。該區頁巖氣優質儲層橫向分布不均勻，水平段軌跡調整頻繁，目的層井壁穩定性差，井漏、縮徑、垮塌嚴重，水平井套管下入困難的井占比高達80%～90%，甚至部分井無法下至預定井深，經濟損失較大。因此，開展套管下入風險評估、制定針對性下套管技術措施、降低下套管作業風險，就顯得十分重要和必要。而傳統的管柱摩阻計算模型[2-9]，由于忽略了復雜地質條件下井身質量、井眼清潔等因素的影響，摩阻系數預測困難，致使評估結果與現場施工實測數據存在著較大的誤差，不能有效指導現場下套管施工作業。

為此，筆者通過對長寧區塊頁巖氣水平井下套管現場實測數據分析，綜合利用修正三維軟桿管柱摩阻計算模型[8-9]和數據統計分析法，提出了一套適應復雜地質條件下長水平段套管下入綜合評估新方法。長寧區塊5口井現場應用的結果表明，新方法評估結果與現場施工情況吻合較好，有效地指導了下套管施工作業、降低了套管下入風險，具有較好的推廣和應用價值。

1 套管下入評估新方法

1.1 套管下入摩阻三維軟桿修正計算模型

管柱軟桿模型認為井下管柱是只受扭矩影響、不受彎距影響的軟桿。在井眼曲率變化較小，管柱剛度較低的情況下，管柱剛度對其受力影響小，可采用軟桿模型[9]。計算三維井眼管柱受力時，假設井下管柱軸線形狀與井眼軌跡相同，且為細長彈性體，將管柱離散為微單元段，在井眼軌跡曲線上取弧長為dl的微單元段，套管柱受力情況如圖1所示，根據受力平衡方程，可得：

式中Ti+1、Ti分別表示第i管柱單元上下端的軸向力，N；Mi+1、Mi分別表示第i管柱單元上下端的扭矩，N·m；Ni表示第i管柱單元與井壁的接觸法向力，N；Wi表示第i管柱單元浮重，N；μ表示摩擦系數；r表示套管單位半徑，m；α、Δα、φ、Δφ分別表示井斜角、井斜角增量、方位角和方位角增量，（°）；F表示摩阻，N；管柱向上運動時取“+”，向下運動時取“－”。

圖1 微元單位管柱受力分析圖

四川長寧區塊水平井采用“直—增—穩—扭—增—水平”復雜雙二維軌跡設計剖面，實鉆局部井眼曲率最大達到10e/30 m。對于局部井眼曲率嚴重井段，套管剛性對摩阻扭矩影響較大，不能忽略。因此，考慮套管剛性影響，受井眼約束而產生的附加接觸力正壓力NF[8]為：

修正后軟桿模型的正壓力為軟桿模型計算的正壓力和剛性管柱彎曲井眼中產生的附加接觸正壓力。

為了更加直觀的描述井眼曲率變化對套管柱下入摩阻影響的程度，引入參數累計井眼曲率，其含義為單位長度井眼曲率沿井深累計值，計算式為：

式中Kc表示累計井眼曲率，（°）/m；Ki表示單位井深井眼曲率，（°）/m。

1.2 套管下入風險評估分析流程

針對四川長寧區塊復雜地質條件下長水平段套管下入風險評估難題，利用修正三維軟桿管柱摩阻計算模型，結合鄰井實際施工數據，開展累計井眼曲率、扶正器類型、井眼清潔、井徑變異系數等因素的定性和定量統計分析。根據綜合分析結果，確定出套管下入方式和配套技術措施，使得評估結果更能準確反映復雜地質條件下套管下入的實際工況，降低套管下入風險。

套管下入評估分析流程如圖2所示，具體步驟為：①利用修正三維軟桿摩阻計算模型進行套管柱下入摩阻系數敏感性分析。首先，確定井身結構、井眼軌跡、鉆井液性能、套管串組合（包括扶正器類型和安放間距）等數據。其次，按常規下套管、旋轉下套管以及漂浮下套管等方式建立大鉤懸重—摩阻系數敏感性關系圖版。②分析累計井眼曲率，并與鄰井進行對比，找出累計井眼曲率隨井深剖面的變化差異，為判斷套管柱下入摩阻增加趨勢提供依據。③定性分析井眼清潔程度，根據完鉆前后鉆柱摩阻變化、鉆井液性能以及井眼凈化操作措施等，將井眼清潔程度劃分為3個等級，即好、中等、差，其摩阻系數分別按0、5%、10%增加。④分析井徑變異系數，以每10 m井段為井徑觀察數據窗口，計算井徑變異系數，并與鄰井進行對比，找出影響套管下入摩阻的井徑變異系數臨界值。⑤利用鄰井套管下入實測數據，進行鄰井套管下入摩阻系數敏感性分析，確定出區域套管下入摩阻系數范圍[10]，為確定預測井摩阻系數提供參考依據。⑥基于以上分析數據結果，推斷預測井不同套管下入方式的摩阻系數，從而確定出不同套管下入方式風險以及相關配套技術措施。

圖2 套管下入評估分析流程圖

2 套管下入影響關鍵因素評估

2.1 井眼軌跡

研究表明，套管與井壁接觸的形態即自由狀態、點接觸、線接觸和面接觸，決定了套管下入摩阻的大小[8-9]。井眼軌跡直接影響套管與井壁接觸的形態，當套管下入到水平井彎曲段后，套管與井壁之間的接觸形態快速由點接觸向面接觸轉變，且接觸面積隨著井斜角增加而增大，套管受到的摩阻也隨之增加，彎曲井段造斜率越高，井眼曲率半徑越小，水平段越長，下套管的摩阻越大。以長寧區塊頁巖氣XXH14-5和XXH22-3井實鉆軌跡數據為例（圖3、4、5），利用修正三維軟桿摩阻計算模型，結合現場實測數據分析井眼軌跡對套管下入影響程度[8-11]。兩口井均采用“直—增—穩—扭—增—水平”復雜維軌跡剖面，XXH14-5井水平段井斜角介于89°～92°，XXH22-3井水平段井斜角介于91°～99°。XXH14-5井井眼曲率小于7.5e/30 m，XXH22-3井井眼曲率小于8.9e/30 m。XXH14-5井累計井眼曲率為332e/m，XXH22-3井累計井眼曲率為273e/m。

圖3 實鉆井斜對比圖

從XXH22-3井現場施工實測數據可以看出（表1），在井深介于0～2 800 m，井眼曲率小于9e/30 m，井斜角小于90°，累計井眼曲率為173e/m，大鉤懸重持續增加，摩阻系數基本無變化。在井深介于2 800～3 850 m，井眼曲率小于3e/30 m，井斜角介于91°～99°，累計井眼曲率達到273e/m，大鉤懸重開始快速降低，至井深3 850 m，大鉤懸重降低至350 kN，摩阻系數為0.45左右。

從XXH14-5井現場施工實測數據可以看出（表2），在井深介于0～3 000 m，井眼曲率小于8e/30 m，井斜角小于90°，累計井眼曲率為170e/m，大鉤懸重持續增加，摩阻系數基本無變化。在井深介于3 000～5 000 m，井眼曲率小于6e/30m，井斜角介于89°～92°，累計井眼曲率達到332e/m，大鉤懸重開始快速降低，至井深5 000 m，大鉤懸重降低至300 kN，摩阻系數為0.45左右。從兩口井現場實測大鉤懸重數據對比可以看出，造斜段以上井段摩阻系數基本沒變化，摩阻系數介于0.10～0.12，進入水平段后，套管下入摩阻快速增加，摩阻系數均在0.45左右，兩井井眼曲率在井深剖面上分布基本一致。但兩井套管下入摩阻和累計井眼曲率在井深剖面上分布有較大差異。XXH22-3井累計井眼曲率小于XXH14-5井，采用常規方式XXH14-5井套管可下至井深5 000 m，而XXH22-3井僅下至3 850 m。由此可見，累計井眼曲率較井眼曲率更能直觀反映套管下入摩阻影響程度。

圖4 實鉆井眼曲率對比圖

圖5 實鉆累計井眼曲率對比圖

表1 XXH22-3井實測與計算大鉤懸重值對比表

表2 XXH14-5井實測與計算大鉤懸重值對比圖

2.2 扶正器類型

為了保證下入套管在井眼中的居中度，需要在套管上安裝扶正器[12-13]，加扶正器套管在彎曲井眼內的下入摩阻受到扶正器類型、扶正器間距等多種因素的影響。筆者主要討論在同等條件下彈性扶正器和剛性扶正器在長寧區塊應用效果。

在開始實際的Milk-run設計之前，必須對實施Milk-run的條件進行調整，以確定是否滿足了允許在工廠內使用Milk-run生產系統的3個要求：布局、安全和物料。

XXH14-4井和XXH22-7井兩口試驗井均為三開井身結構，244.5 mm技術套管下至1 100 m左右，水平段井眼直徑為215.9 mm，水平段長為1 400 m，水平段井斜角介于78°～86°，累計井眼曲率為230～240e/m（表3）。

XXH22-7井在2 555～4 580 m井段每10 m安放一個整體式彈性扶正器，其最大外徑215.9 mm，內徑143 mm，總長325 mm（圖6-a），該扶正器67%偏移間距比復位力為5.78 kN。XXH14-4井在2 500～4 480 m井段每10 m安放一個滾珠式剛性扶正器，其最大外徑為205 mm，內徑為143 mm，總長度為150 mm（圖6-b）。

表3 下入不同扶正器井參數對比表

圖6 整體式彈性扶正器和滾珠式剛性扶正器圖

從現場施工實測大鉤懸重數據可以看出（表4、5），進入水平段后，套管摩阻快速增加，但XXH22-7井較XXH14-4井增幅緩慢，XXH22-7井套管下至井深4 500 m，摩阻系數增加至0.30，而XXH14-4井套管下至井深4 480 m，摩阻系數增加至0.40。由此可見，該區塊使用彈性扶正器減阻效果較剛性扶正器性好。

表4 XXH22-7井實測與計算值大鉤對比表

表5 XXH14-4井實測與計算大鉤懸重值對比表

筆者分析認為，在水平段由于井眼不規則，下井壁有較厚巖屑床，隨著套管柱沿水平段方向延伸，扶正器附近巖屑因管柱向前滑動而逐漸增厚。滾珠式扶正器的滾珠全部或者部分被巖屑床堆積覆蓋無法實現滾動，管柱下入阻力越來越大。而整體式彈性扶正器啟動力低，當遇較厚巖屑床增加摩阻后，其具備較高的彈性復位力，可以有效降低巖屑堆積和井眼不規則的影響。

因此，套管下入風險評估時，預測井若使用彈性扶正器，其摩阻系數可在使用剛性扶正器的基礎上降低幅度介于10%～15%。

2.3 井眼清潔

鉆井實踐證明：當井斜角大于45°時，巖屑上返過程中沿井眼軸線方向的速度小于零而滑向井眼低邊方向，并逐漸堆積在井眼下井壁形成巖屑床[14-17]。下套管過程中，環空間隙較小，帶扶正器套管柱因巖屑床大幅增加了摩阻，導致套管下入困難，甚至出現套管不能下入至預定井深。因此，強化井眼清潔，對降低套管下入風險至關重要。

套管下入風險評估時，根據完鉆前后鉆柱摩阻變化、鉆井液性能以及井眼凈化實際操作措施等情況，可將井眼清潔程度定性劃分為3個等級，即好、中等、差，摩阻系數分別按0、5%、10%幅度增加。

2.4 井徑

井眼縮徑或者垮塌導致井眼不規則，井徑呈鋸齒狀分布，沿水平井眼方向出現“高低臺階”。在水平井段由于套管柱趟在下井壁，套管下入過程中，需跨越這些“臺階”（圖7）。井徑變化越劇烈，套管下入摩阻增加幅度越大，尤其是當井斜角大于90°時，這種趨勢越明顯。傳統分析模型中采用平均井徑擴大率無法準確描述井徑波動對套管下入影響。

圖7 水平段套管柱下入示意圖

因此，筆者引入了統計學參數變異系數，用每10 m井段井徑觀察值變化來表征井徑擴大、縮小程度即：

式中CV表示井徑變異系數；σ表示標準方差；B表示平均值。

通過4口井井徑變異系數分析和現場施工結果表明（圖8），XXH22-7井、XXH14-5井和XXH8-3井井徑變異系數均小于2%，采用常規下套管方式，順利將套管下至預定井深，摩阻系數介于0.30～0.40。XXH22-3井在1 500～2 500 m井段井徑變異系數小于2%，在2 500～4 955 m井段井徑變異系數介于3%～6%，采用常規下套管方式，套管僅能下至井深4 000 m，后采用旋轉下套管方式，將套管下至井深4 955 m，其下套管過程中，扭矩波動較大，頻繁蹩停頂驅（頂驅設定值25 kN·m）。由此可見，井徑變化對套管下入摩阻影響較大，若井徑變異系數大于2%，需要根據井下情況，采用特殊下套管方式以降低套管下入摩阻。

圖8 井徑變異系數對比圖

3 應用效果

利用套管下入綜合評估方法，在長寧區塊評估分析5口水平井，均采用三開井身結構，技術套管直徑為244.5 mm，三開井眼直徑為215.9 mm，水平段長度介于1 350～2 300 m，采用滾珠扶正器或者彈性扶正器。

通過累計井眼曲率、井徑變異系數、井眼清潔、摩阻系數敏感性等因素評估分析，確定出了套管下入風險和推薦套管下入方式。為了降低套管下入摩阻，主要采取以下幾個方面措施：①下套管之前提高鉆井液靜切力，將旋轉黏度計六轉讀數調整至介于8～11，增強鉆井液懸浮巖屑能力。②排量大于等于35 L/s，轉盤轉速大于或等于120 r/min，循環時間不少于5個遲到時間。③分段循環破壞巖屑床，將井眼內被鉆桿攪起的巖屑攜帶出井眼，保證井眼清潔。④根據井下工況，在下套管前可采取通井作業，使井壁光滑、平整、無鍵槽。⑤在常規方式下入套管風險較大時，選擇旋轉方式下入套管，在套管下入過程中，旋轉套管并循環鉆井液，將滑動摩擦轉換為旋轉摩擦，同時降低巖屑床影響程度，確保套管順利下入。

從現場施工結果來看（表6），預測評估分析結果與現場施工情況基本一致。實踐證明，該方法能有效提高預測精度，降低套管下入風險。

4 結論

1）累計井眼曲率較井眼曲率更能直觀反映套管下入摩阻影響程度，當累計井眼曲率大于170e/m，套管下入摩阻開始快速增加。因此對于井眼曲率較大的水平井，需要避免井眼軌跡頻繁調整，降低套管下入難度。

2）井徑變異系數能夠精確描述井徑沿水平井眼方向上的變化幅度，對于地質條件復雜，井眼縮徑、垮塌嚴重的水平井，通過統計分析井徑變異系數來評估套管下入摩阻的影響，能有效提高預測精度。實踐表明，當井徑變異系數小于2%，套管下入摩阻影響較小，井徑變異系數大于等于2%，套管下入摩阻影響大。

表6 現場應用井情況統計表

3）復雜工況下長水平套管下入風險評估需要在傳統管柱摩阻分析模型基礎上，利用統計分析方法定量或者定性分析井徑、井斜角、井眼曲率、井眼清潔、扶正器等因素影響。同時參考鄰井套管下入實測數據，綜合評估套管下入風險，最終確定出合適的套管下入方式以及相關配套技術措施，為現場施工提供參考依據，確保套管順利下至預定井深。