李建業(yè) 郭朝輝 侯承勛 金 磊

1. 中國石化石油工程技術(shù)研究院, 北京 100101;2. 德州大陸架石油工程技術(shù)有限公司, 山東 德州 253000

0 前言

伴隨油田勘探開發(fā)的不斷深入,地下深層油氣藏的開發(fā)力度加大,油氣產(chǎn)層逐步加深,繼而井身結(jié)構(gòu)趨于復雜化,隨之而來的是小井眼、小間隙、高溫高壓等復雜井下作業(yè)環(huán)境。以塔河油田為例,順北區(qū)塊目的層平均深度超過7 300 m,使得超深井段的小井眼內(nèi)進行尾管固井工藝難度增大[1-3],尤其是超深井筒中長度短、重量輕的尾管懸掛、丟手方面,一旦短輕尾管懸掛丟手判斷不清或判斷錯誤,會對尾管固井帶來極大風險,甚至引起在尾管未丟手情況下進行固井,導致固井后尾管上移或是被提出井口的固井事故。由于小井眼內(nèi)事故處理極為困難,往往會導致井眼報廢,給鉆井工程帶來經(jīng)濟損失[4]。

文中暫且將短輕尾管范疇定義為[5]:尾管懸重在尾管柱總懸重占比小于5%。一般尾管長度小于500 m且懸重低于100 kN。通過塔河油田超深井短輕尾管懸掛技術(shù)的總結(jié),對短輕尾管懸掛丟手技術(shù)方案的制定與實施可靠性進行分析,完善短輕尾管懸掛技術(shù)措施,有效保證超深井短輕尾管懸掛及丟手的成功。

1 技術(shù)難點與對策

短輕尾管懸掛及丟手是短輕尾管固井工藝的關(guān)鍵步驟,為確保懸掛及丟手技術(shù)的成功實施,需要對其技術(shù)難點進行充分分析,并提出技術(shù)對策。

1.1 技術(shù)難點

1.1.1 超深井管柱摩阻大

在超深筒中管柱作業(yè)時,由于井眼的屈曲及管柱與井筒或井壁的摩擦接觸面大,造成管柱提放過程中摩阻較大,尤其在定向井或大位移井中,管柱提放摩阻尤為明顯[6-8]。在短輕尾管懸掛及丟手作業(yè)過程中,提放摩阻甚至高于所懸掛的尾管噸位,嚴重影響了短輕尾管的懸掛及丟手的判斷[9-13]。

1.1.2 短輕尾管懸掛力小

短輕尾管的懸掛由于其尾管噸位小,尾管懸掛器軸向懸掛力小,懸掛牢靠度低,故存在懸掛失效風險。

1.1.3 系統(tǒng)誤差的影響

尾管懸掛及丟手判斷主要通過觀察指重表的懸重變化進行。無論機械式指重表或是電子式指重表,其傳感器及顯示系統(tǒng)均存在一定的系統(tǒng)誤差,且鉆井設(shè)備本身也存在系統(tǒng)誤差。一系列的系統(tǒng)誤差導致指重表的視值與真實值存在差異,影響尾管懸掛及丟手的判斷。

1.1.4 “頂升力”的影響

一般情況下,水泥漿密度大于鉆井液密度,因而固井后尾管所受向上的浮力大于固井前所受浮力。定義固井后尾管所受垂直方向的合力為頂升力。本文以垂直向上為正方向,則頂升力為正時尾管存在上浮風險,頂升力為負時尾管無上浮風險。當尾管頂升力大時,存在尾管會跟隨送入鉆具的丟手上提而上移,無法正常丟手,造成固井事故的風險。

1.2 技術(shù)對策

針對上述技術(shù)難點,結(jié)合現(xiàn)場技術(shù)實施特點,對短輕尾管懸掛及丟手技術(shù)采取如下對策:

1)在尾管固井工藝實施過程中,始終將尾管牢固懸掛于上層套管內(nèi)壁是尾管懸掛技術(shù)目的,其關(guān)鍵在于判斷尾管的受力狀態(tài)及對比送入鉆具理論回縮距的理論數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)。

2)超深井短輕尾管丟手技術(shù)關(guān)鍵在于準確掌握管柱懸重及上提下放懸重,因此理論計算與實測跟蹤及分析對比是必要手段。

2 技術(shù)方案與措施

2.1 工藝實施

2.1.1 送入鉆具稱重

對尾管送入鉆具提放的噸位和摩阻的精準掌握是超深井短輕尾管懸掛及丟手成功的關(guān)鍵。在下尾管前的通井或刮管作業(yè)時,對送入鉆具在尾管懸掛井深位置的上提下放稱重是后續(xù)尾管懸掛及丟手判斷的重要依據(jù)[14-15]。

2.1.2 懸掛井段刮管

短輕尾管噸位小,懸掛力低,卡瓦與上層套管咬合力弱。為保證短輕尾管懸掛成功,優(yōu)選性能可靠的尾管懸掛器,并在工藝上對懸掛處外層套管內(nèi)壁進行刮管,使卡瓦與管壁良好咬合,確保懸掛成功。

2.1.3 校核指重表

鉆井設(shè)備中的指重表是鉆完井作業(yè)的關(guān)鍵儀器,保持送入鉆具稱重和下尾管作業(yè)過程中指重表的精確靈敏尤為重要,且避免中途校表。同時,可結(jié)合綜合錄井儀器的數(shù)值監(jiān)控,多方面對送入鉆具稱重并對尾管懸掛及丟手噸位校核,以降低短輕尾管懸掛及丟手判斷的困難。

注意觀察指重表在晝夜溫差大時的誤差,以及游車在高低處懸重基數(shù)差等一系列誤差。

2.1.4 “頂升力”計算

在短輕尾管固井設(shè)計中,要考慮固井后頂升力的影響,必要時可設(shè)計固井替漿時尾管內(nèi)為重漿以降低固井后尾管內(nèi)外的壓差,保證固井后尾管不上浮。

TD=TCC-(TC+TM)

(1)

其中,

TD<0,尾管不上浮

TD>0,尾管上浮

式中:TD為固井后尾管頂升力,N;TCC為固井后水泥漿對尾管產(chǎn)生的浮力,N;TC為尾管自重力,N;TM為固井后尾管內(nèi)液體重力,N;D為尾管外徑,m;d為尾管內(nèi)徑,m;L為尾管長度,m;Wc為尾管單位長度質(zhì)量,kg/m;ρc為水泥漿密度,g/cm3;ρm為固井后尾管內(nèi)液體密度,g/cm3;g為重力加速度9.81,N/kg。

2.2 懸掛丟手判斷原則

2.2.1 “上提懸掛,下壓丟手”原則

在短輕尾管懸掛施工時,由于尾管懸重輕、懸掛力小,存在懸掛不牢的風險,因此在短輕尾管懸掛時保持尾管處于上提拉伸狀態(tài),即尾管懸掛器處于拉伸狀態(tài),增大尾管懸掛器懸掛噸位,避免短輕尾管在下放壓縮狀態(tài)下進行懸掛,導致懸掛不牢。

常規(guī)尾管懸掛器的丟手裝置為左螺旋式反扣機械丟手結(jié)構(gòu),因此需保證丟手時尾管懸掛器處于受壓狀態(tài),防止尾管懸掛器在受拉狀態(tài)下丟手成功瞬間,送入鉆具帶動尾管上提導致尾管上提甚至懸掛失效尾管下落[16-18]。

2.2.2 尾管懸掛判斷

懸掛成功的主要判斷依據(jù)是下放管柱節(jié)點在尾管懸掛器位置,即下放管柱顯示遇阻且下壓單位力時送入鉆具下放距離與理論計算的送入鉆具單位力拉或壓時的回縮距相同,同時小于尾管下到位后整個管柱上提下放單位力的活動距離。

(2)

其中,

2.2.3 尾管丟手判斷

固井后丟手區(qū)別于固井前丟手,主要在于固井前送入鉆具完全處于鉆井液環(huán)境下,固井后送入鉆具部分處于固井前置液和水泥漿中,因此固井前后送入鉆具上提懸重在不同浮力作用下會存在差值,可通過固井施工實際注液量計算出固井前后送入鉆具的浮力差,結(jié)合固井前丟手送入鉆具上提懸重計算得出固井后丟手送入鉆具理論上提懸重。

尾管丟手判斷以下列公式為依據(jù):

TRP

(3)

TCRP=TRP±TFD

(4)

式中:TRP為固井前丟手送入鉆具上提懸重,kN;TSD為尾管下到位時整個管柱上提懸重,kN;TCRP為固井后丟手送入鉆具上提懸重,kN;TFD為固井前后送入鉆具浮力差,kN。

2.3 牽制短節(jié)技術(shù)

近年來,為解決超深井短輕尾管懸掛及丟手判斷的困難,部分廠商研制了一種輔助工具——尾管牽制短節(jié),連接在尾管懸掛器下方配合尾管懸掛器使用。在不影響尾管懸掛的同時,尾管牽制短節(jié)可以對短輕尾管有一定的上提牽制作用,既可以鎖定尾管,防止懸掛后的尾管柱上移,又可避免牽制短節(jié)提前鎖定無法解鎖的事故發(fā)生,輔助丟手判斷,增大尾管丟手判斷力,提高施工可靠性[19]。

以圖1大陸架公司尾管牽制短節(jié)為例,其基本工作原理是:與液壓式尾管懸掛器配合使用,尾管懸掛器投球憋壓懸掛成功后,繼續(xù)憋壓通過液壓實現(xiàn)反向錨定,對短輕尾管給以向上的牽制作用;在遇到特殊井況,需要解鎖牽制短節(jié)錨定時,可通過上提一定噸位解除錨定。其技術(shù)特點:具有錨定、解鎖功能;卡瓦內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)設(shè)計,錨定后過流面積大;模塊化設(shè)計,可與各種液壓懸掛或丟手裝置配合使用[20]。

圖1 尾管牽制短節(jié)示意圖Fig.1 Schematic diagram of hold-down sub

3 技術(shù)應(yīng)用

QG-X 1井是塔河油田的一口開發(fā)井,該井三開完鉆井深6 270 m,尾管下深5 940 m,懸掛點井深5 522 m,鉆井液密度1.28 g/cm3,水泥漿密度1.88 g/cm3,Φ 165.1 mm固井裸眼段長113 m(5 827～5 940 m),設(shè)計采用 Φ 139.7 mm 尾管固井方式封固泥巖井段,為后期油氣開發(fā)提供有利條件。針對該井超深井筒、易漏失、溫度高、壓力大、尾管輕等技術(shù)難點,優(yōu)選了大陸架公司的NDYX-CQ型Φ 193.7 mm×Φ 139.7 mm內(nèi)嵌卡瓦尾管懸掛器配合牽制短節(jié)使用,以確保該井的固井工程安全優(yōu)質(zhì)高效。

尾管柱結(jié)構(gòu)“浮鞋+尾管(Φ 139.7 mm×TP 140 V×7.72 mm×TP-G 2)3根+1#浮箍+尾管(Φ 139.7 mm×TP 140 V×7.72 mm×TP-G 2)3根+2#浮箍+尾管(Φ139.7 mm×TP 140 V×7.72 mm×TP-G 2)4根+球座+尾管(Φ 139.7 mm×TP 140 V×7.72 mm×TP-G 2)28根+尾管懸掛器+提升短節(jié)+送入鉆具(Φ 88.9 mm×S 135×9.35 mm)5 518 m”。

結(jié)合上述技術(shù)方案與措施,該井尾管懸掛及丟手成功,施工順利，具體數(shù)據(jù)見表1。依據(jù)式(2)送入鉆具理論回縮距、懸掛時回縮距及管柱回縮距相互參考對比即可判斷尾管的懸掛。而精確判斷尾管丟手,依據(jù)式(3),需要前期送入鉆具的稱重和管柱到位后的稱重。

表1 QG-X 1井短輕尾管懸掛及丟手數(shù)據(jù)表

Tab.1 Short-light liner hanging and releasing dates of Well QG-X1

尾管理論懸重/kN送入鉆具稱重(上提/下放)/kN頂升力TD/kN理論送入鉆具以50 kN為單位力的壓縮距L'D/m懸掛時送入鉆具50 kN單位力的回縮距L'DS/m尾管柱到位后50 kN單位力的活動距離L'SD/m尾管柱到位后上提懸重TSD/kN固井前丟手上提懸重TRP/kN固井后丟手上提懸重TCRP/kN851 040/1 040-1030.50.50.61 1501 0401 040

在短輕尾管懸掛固井工藝中,懸掛是重點,丟手是關(guān)鍵。表2是近三年塔河油田部分超深井短輕尾管懸掛及丟手技術(shù)實施情況表。表中超深井中Φ 139.7 mm油層尾管長度一般小于500 m,浮重80～100 kN,而專封鹽膏層 Φ 206.4 mm 技術(shù)尾管長度一般小于200 m,浮重80～90 kN,對于尾管懸掛器的可靠性及懸掛、丟手的判斷極具挑戰(zhàn)。依據(jù)上述方案措施,做好短輕尾管懸掛施工前技術(shù)準備及施工中管柱回縮距及噸位監(jiān)測,形成技術(shù)方案,在技術(shù)實施過程中,可以提高丟手判斷成功率,保證施工安全。

表2 近三年塔河油田部分短輕尾管懸掛及丟手技術(shù)實施情況表

Tab.2 Technical implementation of parts of short-light liner hanging and releasing wells in Tahe Oilfield in the recent 3 years

井名井深/m尾管長/m尾管規(guī)格/mm尾管懸重/10kN懸掛時/尾管柱到位后50kN回縮距/m送入鉆具稱重/10 kN尾管柱下到位稱重/10 kN固井前丟手懸重/10 kN固井后丟手上提懸重/10 kN頂升力為負是否用牽制短節(jié)懸掛丟手情況順北-X 17 271468.0139.79.00.41/0.44194/178215/178192/180195是是成功順北-X 27 470457.6139.79.00.55/0.60169/164179/172168/164165是是成功順北-X 37 257458.0139.78.90.53/0.58135/120146/132133/126133是是成功TP-X 16 209214.1139.74.40.56/0.59110/110116/112110/110110是是成功TP-X 25 716182.0206.42.30.28/0.31182/175190/182180/176180是是成功TP-X 35 744150.0206.49.00.28/0.31186/180200/184184/182184是是成功TP-X 45 692157.0206.49.00.28/0.31198/182210/190195/186194是否成功TH-X 15 911171.0206.49.50.28/0.32192/190216/186192/192190是否成功TH-X 25 839133.2206.48.20.28/0.31194/190198/185194/188194是是成功TH-X 35 777409.1139.74.30.37/0.40152/148162/150150/148150是否成功

4 結(jié)論

超深井短輕尾管懸掛及丟手技術(shù)是在實踐應(yīng)用中不斷分析總結(jié)得出的,在塔河油田的成功應(yīng)用也驗證了該技術(shù)的可靠性。

1)超深井短輕尾管懸掛及丟手技術(shù)是復雜的系統(tǒng)工作,懸掛及丟手的成敗關(guān)乎整個油氣井的成敗,不但需要可靠的井下工具,更需要技術(shù)人員不斷分析總結(jié)經(jīng)驗,降低工藝實施風險。

2)工藝實施上,“上提懸掛,下壓丟手”是短輕尾管懸掛丟手實施的原則,“理論計算,實測跟蹤”是短輕尾管懸掛丟手實施的基本手段,“多方面考慮,多角度驗證”是短輕尾管懸掛丟手實施的成功保障。

3)短輕尾管固井設(shè)計中,需要計算頂升力,保證工藝實施安全。

4)牽制短節(jié)工藝簡單、操作方便可靠,有助于超深井短輕尾管丟手判斷。