東海深井長(zhǎng)水平段下部完井工藝創(chuàng)新

楊大德，秦丙林

東海深井長(zhǎng)水平段下部完井工藝創(chuàng)新

楊大德1，秦丙林2

（1. 中國(guó)石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司工程技術(shù)管理部，上海 200120；2. 中國(guó)石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司工程技術(shù)研究院，上海 200120）

東海深井長(zhǎng)水平段的下部完井工具時(shí)常出現(xiàn)遇阻遇卡等復(fù)雜情況，文章在總結(jié)和分析常規(guī)完井工藝的基礎(chǔ)上，利用對(duì)尾管懸掛器的系統(tǒng)優(yōu)化和一次性旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向馬達(dá)的應(yīng)用等，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)水平段的下部完井工藝創(chuàng)新。通過(guò)軟件模擬以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐應(yīng)用，驗(yàn)證了其有效地解決了水平井完井過(guò)程中下部完井管柱下入困難、完井液大量漏失等復(fù)雜情況，為后期大位移井鉆井過(guò)程中下套管及高難度水平井完井過(guò)程中下部完井工藝提供了參考，滿足了勘探開(kāi)發(fā)的要求。

深井長(zhǎng)水平段；下部完井工具；懸掛系統(tǒng)優(yōu)化；一次性旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向馬達(dá)

近年來(lái)，隨著東海地區(qū)勘探開(kāi)發(fā)力度逐漸增大，油氣儲(chǔ)量逐年增長(zhǎng)，先后對(duì)多個(gè)大中型油氣田進(jìn)行開(kāi)發(fā)，但是越向深部油氣資源探索和開(kāi)發(fā)，地層條件就愈加復(fù)雜，開(kāi)發(fā)工程對(duì)完井工藝技術(shù)提出了更高要求。加之東海地區(qū)普遍存在低孔低滲儲(chǔ)層，隨著開(kāi)發(fā)向深部地層發(fā)展，開(kāi)發(fā)井長(zhǎng)水平段的問(wèn)題就日益突出。

東海深井長(zhǎng)水平段復(fù)雜井況給東海完井提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，對(duì)此，經(jīng)過(guò)多次理論和實(shí)踐總結(jié)出適合使用該種井況下的下部完井工具及工藝，在東海數(shù)口高難度水平井得到了成功應(yīng)用，有效地解決了水平井完井過(guò)程中下部完井管柱下入困難，完井液大量漏失的復(fù)雜情況，為后期大位移井鉆井過(guò)程中下套管及高難度水平井完井過(guò)程中下部完井工藝提供了參考。該完井工藝大大提高了油氣勘探開(kāi)發(fā)效率，取得了良好的應(yīng)用效果和顯著的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)用前景廣闊。

1 東海常規(guī)下部完井工藝

截至目前東海下部完井工藝技術(shù)通常有兩種方式，帶中心管柱下部完井工藝和不下中心管柱下部完井工藝已在東海新開(kāi)發(fā)的氣田普遍使用，這些氣田水平井水平段短，井況正常，使用常規(guī)下部完井工藝能夠滿足工藝要求，但是偶爾也發(fā)生復(fù)雜情況。

1.1 帶中心管柱下部完井工藝

在以前開(kāi)發(fā)的油氣田常使用下入中心管柱及雙向洗井裝置的下部完井工藝，該下部完井管柱能夠?qū)崿F(xiàn)從底部低排量循環(huán)[1]。

下部完井管柱結(jié)構(gòu)（圖1）：頂部封隔器服務(wù)工具+頂部封隔器+中心管柱（外層管柱）+雙向洗井裝置（插入頭）。其中頂部封隔器可以攜帶下部完井管柱，有密封及坐掛效果，雙向洗井裝置能夠?qū)崿F(xiàn)從底部正反循環(huán)的效果。

圖1 帶中心管柱下部完井管柱示意圖

該類(lèi)型下部完井管柱關(guān)鍵工具效果如下：

（1）頂部封隔器

頂部封隔器是用于生產(chǎn)封隔及懸掛防砂外管柱或懸掛尾管柱的下部管串的重要工具，應(yīng)用于水平井完井領(lǐng)域。能夠?qū)崿F(xiàn)小排量的循環(huán)，膠筒具有一定的抗酸、堿、油以及耐高溫的性能。

（2）雙向洗井裝置

雙向洗井裝置（圖2）是涉及防砂完井領(lǐng)域中的一種新型洗井工具，是一種可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌漿和正反雙向循環(huán)功能于一體的特殊洗井工具。

此裝置可以提供一種可根據(jù)洗井作業(yè)的需要，方便地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌漿和正、反循環(huán)洗井的功能，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的影響作業(yè)時(shí)效且容易污染周?chē)h(huán)境的問(wèn)題[2]。

（3）密封短節(jié)及浮鞋

密封短節(jié)與浮鞋配合使用，使得下部完井管柱能夠通過(guò)中心管柱實(shí)現(xiàn)一定的循環(huán)功能，浮鞋有一定的導(dǎo)向能力，可以解決輕微的阻卡。但遇到井眼情況復(fù)雜或者變化的，則無(wú)法解決。

如東海某氣田X1井為一口水平井開(kāi)發(fā)井，水平段長(zhǎng)420m，鉆遇過(guò)程無(wú)明顯阻卡情況。但在下入打孔管柱至3996m遇阻，嘗試活動(dòng)管柱，開(kāi)泵循環(huán)沖洗，最大下壓40T，緩慢下至4013m，就徹底無(wú)法通過(guò)。分析認(rèn)為裸眼段狗腿較大、地層巖性變化等因素導(dǎo)致7″打孔管未下到位。處理事故累計(jì)用時(shí)5d，嚴(yán)重影響作業(yè)時(shí)效。

1.2 不下中心管柱下部完井工藝

此工藝技術(shù)下部完井管柱結(jié)構(gòu)（圖3）：

外層管柱：頂部封隔器服務(wù)工具+頂部封隔器+死堵；中心管柱：引鞋+少量中心管。此管柱能夠起到支撐井壁的作用，僅適用于水平段短且無(wú)復(fù)雜情況的井，如下入時(shí)遇到阻卡等復(fù)雜情況，則只能通過(guò)上提下放方式解決[3]。

圖3 不下中心管柱下部完井管柱示意圖

該管柱類(lèi)型在東海另一氣田普遍使用，此類(lèi)型需要基于水平段短且井況好的情況下使用。

1.3 常規(guī)下部完井工藝常見(jiàn)問(wèn)題

該兩種下部完井管柱由于管柱特點(diǎn)及工具選型上的限制，使得在遇見(jiàn)復(fù)雜情況時(shí)處理能力弱。

（1）上提下放范圍小

采用常規(guī)的下部完井工具，尤其是頂部封隔器服務(wù)工具所能夠承受的過(guò)提及下壓能力有限，通常上提下放過(guò)載值僅為2～15t，僅能應(yīng)對(duì)一般井況。

（2）無(wú)法循環(huán)或者循環(huán)排量小

排量的大小直接影響下入過(guò)程中循環(huán)攜砂和沖洗巖屑床的能力，大排量循環(huán)的效果更佳。

不帶中心管的下部完井管柱無(wú)法實(shí)現(xiàn)從底部循環(huán)的功能，其只能適用于水平段較短且井眼規(guī)則的井；帶有中心管柱的下部完井管柱由于受到頂部封隔器性能參數(shù)的影響，其只能小排量循環(huán)。

（3）管柱無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)

下部完井管柱的材質(zhì)、扣型以及封隔器的性能是導(dǎo)致管柱無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)的重要原因[4]。

2 下部完井工藝技術(shù)創(chuàng)新

2.1 尾管懸掛系統(tǒng)優(yōu)化

（1）尾管懸掛器選型

東海水平井完井過(guò)程中通常使用的頂部防砂封隔器通常有膠皮耐沖蝕差、坐封壓差小、下入過(guò)程不能旋轉(zhuǎn)管柱等特點(diǎn)。這使得頂部封隔器無(wú)法滿足長(zhǎng)水平段等特殊井況下的完井要求。

水平井裸眼段水層及泥巖段封隔技術(shù)目前主要采用套管外封隔器與套管連接的方式來(lái)封隔套管與井壁間環(huán)形空間，保證套管外環(huán)空的密封，有效封隔油氣水層，所以針對(duì)井眼軌跡復(fù)雜的超深長(zhǎng)水平井，需要操作性強(qiáng)的工具來(lái)懸掛打孔管或篩管。而采用的封隔器整合尾管掛用于懸掛下部完井工具，該封隔器既是尾管掛又是封隔器。這種管柱結(jié)構(gòu)必須滿足地質(zhì)及采油工藝技術(shù)要求，從而達(dá)到施工工藝目的。完井管柱的內(nèi)徑盡可能一致，其內(nèi)通徑要滿足后期作業(yè)要求；具有適當(dāng)?shù)目箖?nèi)壓、外擠、軸向拉伸強(qiáng)度，適當(dāng)?shù)墓苤鶆偠群屯鈴揭员ＷC管柱順利下入到位[5]。

管外封隔器應(yīng)用于層間分隔的典型完井管柱結(jié)構(gòu)（圖4），是一種套管外封隔器與套管連接，其組合順序依次為：引鞋+篩管+配長(zhǎng)套管+管外封隔器+配長(zhǎng)套管+定位筒+尾管懸掛器。

圖4 管外封隔器應(yīng)用于層間分隔時(shí)管柱結(jié)構(gòu)

這種管柱結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于分層開(kāi)采和防水防砂，可以利用多個(gè)套管外封隔器實(shí)現(xiàn)分層開(kāi)采。在套管外封隔器下部安裝密封筒時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)各種封堵要求。當(dāng)某層出水時(shí)可以利用封堵管柱與密封筒配合實(shí)現(xiàn)層位封堵或者將管柱回接到技術(shù)套管以便滿足采油要求。

a） 密封件選擇

根據(jù)東海氣井特殊工況以及長(zhǎng)期作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，封隔器類(lèi)型選擇必須達(dá)到API11D-V0檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)貝克休斯封隔器膠筒材質(zhì)選擇圖版，最終選擇AFLAS材質(zhì)作為密封件材料。該材質(zhì)膠筒具有較好的抗高溫高壓以及防腐性能，能夠滿足東海當(dāng)前井況的要求[6]。

b） 材質(zhì)選擇

對(duì)于井下管材材質(zhì)選擇，需要確定地層CO2含量作為材質(zhì)選擇重要參數(shù)。

氣井工況下，腐蝕氣體分壓以CO2為例按下式計(jì)算：

式中：PCO2為 CO2分壓， MPa；P為井筒壓力，MPa；XCO2為 CO2摩爾數(shù)， mol；X為總氣體摩爾數(shù)，mol。

油井工況下，當(dāng)井筒壓力低于泡點(diǎn)壓力時(shí)，腐蝕氣體分壓參考上式計(jì)算。當(dāng)井筒壓力高于泡點(diǎn)壓力，腐蝕氣體分壓（以CO2為例）按下式分別計(jì)算，腐蝕氣體分壓值取計(jì)算結(jié)果中值大者。

式中：Pb為泡點(diǎn)壓力，MPa；M為井流物總摩爾數(shù)， mol。

c） 井眼情況

對(duì)于超長(zhǎng)水平段完井，常常面對(duì)以下幾方面困難：① 井眼軌跡復(fù)雜，甚至?xí)尸F(xiàn)“W”型井眼軌跡；② 地層的煤層和泥巖段發(fā)育，井壁容易垮塌；③ 鉆井過(guò)程中造成“大肚子”和縮徑的情況，造成井眼二次復(fù)雜情況。針對(duì)以上難點(diǎn)，下部管柱的懸掛器需要具有承受一定轉(zhuǎn)動(dòng)的性能。

d） 服務(wù)工具選型

服務(wù)工具的選型直接影響到坐封方式及下入能力，服務(wù)工具主要分為液壓和機(jī)械兩種。

新型完井工藝選擇的服務(wù)工具能夠在水平井實(shí)現(xiàn)無(wú)鉆壓坐封，服務(wù)工具（圖5）接于頂部封隔器或坐掛襯套頂部延伸筒內(nèi)，用于送入下部完井管柱，坐掛尾管掛，并從尾管掛內(nèi)脫手。

圖5 尾管懸掛器服務(wù)工具示意圖

其基本脫手方式為液壓脫手和備用機(jī)械脫手方式。服務(wù)工具需要承受所有下部完井管串的重量，在入井過(guò)程不能倒扣。并且坐封工具能夠承受更高的扭矩和壓縮載荷，適用于將尾管下到井底這類(lèi)要求更高的情況，如劃眼通過(guò)嚴(yán)重坍塌地層。

（2）防漏失閥的確定

防漏失閥是一種單作用反向活瓣閥，用于保護(hù)地層不受井靜液壓力影響，防止在下入篩管或礫石充填后出現(xiàn)漏失。防漏失閥下到封隔器和下部完井管串之間，而易碎的活瓣在下入篩管和礫石充填過(guò)程中通過(guò)沖管固定在打開(kāi)位置。作業(yè)工具和沖管從井中起出時(shí)，活瓣恢復(fù)關(guān)閉位置，封隔地層。完井期間，活瓣閥是可以保持活瓣完好，也可以將其破碎。通常使用機(jī)械裝置沖擊破碎活瓣，也可以通過(guò)施加超過(guò)其壓差水力作用力將閥打開(kāi)。

防漏失閥由本體和閥瓣密封總成組成（圖6）。

圖6 防漏失閥示意圖

防漏失閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，主要有以下特點(diǎn)：

a）機(jī)械式防漏失功能，防止完井液漏失，保護(hù)油氣藏；

b）與完井管柱相連接，使用方便；

c） 閥瓣用鑄造黃銅、陶瓷或鋁合金材質(zhì)，易破碎；

d）閥瓣既能承壓又可以通過(guò)水力或機(jī)械破碎為較小碎塊，不影響后續(xù)作業(yè)。

防漏失閥已成功應(yīng)用于東海某油氣田，如某氣田的一口水平井，完鉆井深4100m，垂深2744m，主力產(chǎn)層位于水平段。該井在水平段下入優(yōu)質(zhì)篩管和中心管后，下入防漏失閥、頂部封隔器和封隔器坐封工具，此時(shí)防漏失閥處于開(kāi)啟狀態(tài)。下鉆到位后在水平段替入破膠液破膠，測(cè)得漏失量為9m3/h，確認(rèn)破膠成功后，坐封頂部封隔器后起出封隔器坐封工具及中心管，此時(shí)防漏失閥關(guān)閉。在起服務(wù)管柱和下生產(chǎn)管柱的過(guò)程中阻止了完井液繼續(xù)向地層漏失，這樣既保護(hù)了儲(chǔ)層，又降低了成本。

（3）密封短節(jié)的確定

密封短節(jié)是用于下部管串下部，引鞋上部。配合插入定位密封使用，具有高效的密封性能，滿足高壓差需求。可實(shí)現(xiàn)打孔管柱從底部大排量循環(huán)。

（4）打孔管型號(hào)的確定

a） 每根打孔管10ft布孔面積大于2倍的橫截面積；

b） 打孔管管體的最低屈服力不低于與打孔管管體相同規(guī)格的油/套管最低屈服力的80%。油/套管最低屈服力值取API 5C2中規(guī)定的管體最低屈服力；

c） 打孔管的抗彎曲性能不應(yīng)低于8°/30m。

2.2 一次性旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向馬達(dá)應(yīng)用

一次性旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向馬達(dá)用于尾管或最后一層套管底部，可只通過(guò)開(kāi)泵完成擴(kuò)孔或鉆進(jìn)以幫助尾管或最后一層套管下至預(yù)定井深。一次性旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向馬達(dá)上部接有破裂盤(pán)短節(jié)（圖7，圖8），破裂盤(pán)壓力在工具出廠前可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定。鉆頭堵塞時(shí)，破裂盤(pán)打開(kāi)，新的循環(huán)通道建立，另外，工具內(nèi)部裝有浮閥，可防止泥漿回流，避免泥沙進(jìn)入管柱內(nèi)部。

圖7 破裂盤(pán)短節(jié)示意圖

圖8 一次性旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向馬達(dá)示意圖

一次性旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向馬達(dá)接在下部完井管柱的最下端，其工具性能參數(shù)如表1和圖9，能夠通過(guò)管柱循環(huán)帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)；即在無(wú)需轉(zhuǎn)動(dòng)管柱的情況下，用水馬力實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，在下鉆遇阻情況下可清除井壁阻礙部分，協(xié)助下部完井管柱下入；有避免產(chǎn)生新井眼能力；并且?guī)в邪踩Ｗo(hù)裝置，防止在堵水眼的情況下，造成過(guò)大的壓力激動(dòng)，提前座封懸掛封隔器；同時(shí)在憋停情況下，不會(huì)造成泵壓上升，有效防止頂部封隔器提前坐封。

2.3 新型下部完井管柱結(jié)構(gòu)及性能評(píng)價(jià)

新型下部完井管柱結(jié)構(gòu)（圖10）從上至下分別是服務(wù)工具，尾管懸掛器總成，密封延伸筒，防漏失閥，防砂或打孔管柱，中心管柱，一次性旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，舊牙輪鉆頭。

新型下部完井管柱具有良好的可下入能力，在下入過(guò)程中遇阻可以靠開(kāi)泵帶動(dòng)底部馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)劃眼下鉆，甚至可以靠轉(zhuǎn)動(dòng)管柱來(lái)下鉆磨銑井壁，有效降低井壁摩阻。本工藝雖然有一定的劃眼通過(guò)能力但不會(huì)制造出新的井眼。

表1 一次性導(dǎo)向馬達(dá)工具參數(shù)

圖9 扭矩轉(zhuǎn)速性能參數(shù)圖

圖10 新型下部完井管柱圖

a） 開(kāi)泵循環(huán)對(duì)下入的影響

某井井斜變化大，在水平段多次增斜降斜，井況復(fù)雜。利用WELLPLAN軟件對(duì)開(kāi)泵情況下進(jìn)行上提下放懸重分析，從表2和圖11可以看到開(kāi)泵500L/min情況下上提與下放懸重均比無(wú)任何處理情況下低，可操作性增強(qiáng)。并且隨著泵壓的增加，處理復(fù)雜情況的能力越強(qiáng)。

表2 開(kāi)泵循環(huán)情況下懸重對(duì)比

圖11 開(kāi)泵循環(huán)情況下懸重對(duì)比

b） 旋轉(zhuǎn)管柱對(duì)下入的影響

對(duì)開(kāi)轉(zhuǎn)速進(jìn)行懸重模擬分析，從表3和圖12可以看到開(kāi)轉(zhuǎn)速20r/min情況下上提與下放懸重均比無(wú)任何處理情況下低，證明開(kāi)轉(zhuǎn)速更有利于下鉆，并且在開(kāi)鉆的情況下，通過(guò)井底的舊牙輪鉆頭磨銑井壁不規(guī)則處，而不產(chǎn)生新的井眼，下部完井管柱得以順利下入。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)下部完井工藝創(chuàng)新，解決了深井長(zhǎng)水平段的尾管下入問(wèn)題。

表3 旋轉(zhuǎn)管柱情況下懸重對(duì)比

圖12 旋轉(zhuǎn)管柱情況下懸重對(duì)比

下部完井工藝創(chuàng)新，主要是通過(guò)尾管懸掛系統(tǒng)的優(yōu)化和一次性旋轉(zhuǎn)倒向馬達(dá)等工具的創(chuàng)新應(yīng)用，采用類(lèi)似鉆井處理方式如開(kāi)泵循環(huán)、提鉆速及上下活動(dòng)來(lái)處理復(fù)雜情況；為超深井、長(zhǎng)水平段提供了下部管柱下入的有效方式，降低了下部管柱遇阻、遇卡的風(fēng)險(xiǎn)；不僅更大程度上滿足了油藏開(kāi)發(fā)的要求，而且操作簡(jiǎn)單，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)小。

（2）在模擬和實(shí)踐基礎(chǔ)上形成了整體的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)規(guī)范。

在總結(jié)常規(guī)下部完井工藝的同時(shí)，根據(jù)井況選擇服務(wù)工具及下部管串的類(lèi)型，通過(guò)超深長(zhǎng)水平段復(fù)雜井況的下部完井工藝優(yōu)化，在數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)成功實(shí)踐應(yīng)用的基礎(chǔ)上，針對(duì)深井長(zhǎng)水平井況的下部完井工藝相應(yīng)地形成了一系列的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)規(guī)范，為后期相同或類(lèi)似的作業(yè)提供了寶貴的參考。

[1]邢洪憲， 牟小軍， 徐榮強(qiáng)， 等. 水平分支井鉆井及完井技術(shù)[J].鉆采工藝， 2008， 31（3）： 21-24.

[2]葉金勝， 閆麗麗， 李娜， 等. 國(guó)內(nèi)外水平井完井技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量， 2014（3）： 51.

[3]高軍飛. 油田水平井完井工藝技術(shù)研究[J]. 中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量， 2012（5）： 98.

[4]宋偉. 高產(chǎn)氣井的典型永久完井管柱[J]. 油氣井測(cè)試， 2004，13（6）： 42-43.

[5]李三喜， 田繼宏， 閆波， 等. 低孔低滲油氣藏多分支水平井裸眼射孔工藝技術(shù)研究與應(yīng)用——以東海平湖油氣田BB5井為例 [J]. 中國(guó)海上油氣， 2013， 25（2）： 74-78.

[6]郭士生， 許耀銓?zhuān)?胡志平， 等. 東海平湖油氣田水平井完井技術(shù) [J]. 中國(guó)海上油氣（工程）， 2000， 12（6）： 38-41.

Innovation of Well Completion Technology in the Deep Well with Long Horizontal Section in East China Sea

YANG Dade1, QIN Binglin2
（1. Engineering Technology Department,SINOPEC Shanghai Offshore Oil&Gas Company, Shanghai 200120, China;2. Institute of Petroleum Engineering, SINOPEL Shanghai offshore Oil & Gas Company, Shanghai 200120, China）

The bottom completion of the deep well with long horizontal section in the East Sea gets blocked frequently. Based on the summary and analysis of the conventional completion process, through optimization of the liner hanger system and application of disposable rotary steerable motor, this paper presents an innovation method in the bottom completion of the deep well with long horizontal section.Through the simulation by using software and fi eld practice application, it is proved to be effective to solve the diffi culties of the completion string entry and the large loss of completion fl uid. This provides a powerful reference for running case during the well drilling process of late large displacement and bottom completion of the deep well with long horizontal section, and can meet the requirements of exploration and development.

long horizontal section of deep well; bottom completion tool; suspension system optimization; disposable rotary steerable motor

TE257

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2017.03.062

1008-2336（2017）03-0062-05

2016-10-10；改回日期：2016-11-01

楊大德，男，1986年生，碩士，完井/測(cè)試工程師，從事石油與天然氣工程、完井、測(cè)試、采油氣等工作。

E-mail：277200761@qq.com。