金華1井小尺寸高強(qiáng)度套管段銑技術(shù)實(shí)踐

黎 凌, 王新建， 龍愛(ài)國(guó)

(1中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 2油氣田應(yīng)用化學(xué)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司川東鉆探公司工程技術(shù)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)部)

四川地區(qū)梓潼-金華區(qū)塊主力產(chǎn)層為須家河組，由于試油求產(chǎn)后期產(chǎn)量普遍偏低，決定對(duì)區(qū)塊中各井產(chǎn)層段套管進(jìn)行部分段銑，然后打水泥塞封堵產(chǎn)層的永久棄井作業(yè)，該作業(yè)的難點(diǎn)在于段銑強(qiáng)度為P110的?114.3 mm套管。國(guó)內(nèi)外對(duì)于段銑?127 mm套管有文獻(xiàn)可參考[1-2]，但是對(duì)于?114.3 mm套管的段銑作業(yè)還沒(méi)有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道過(guò)。該類(lèi)小尺寸套管段銑與常規(guī)尺寸套管段銑存在著較大的區(qū)別：沒(méi)有專用于?114.3 mm套管的段銑器，需要重新設(shè)計(jì)新產(chǎn)品；套管強(qiáng)度高導(dǎo)致刀片磨損快或難切屑；鐵屑密度高不易攜帶；環(huán)空間隙小，鐵屑易堆積導(dǎo)致卡鉆；循環(huán)壓耗大，不能充分發(fā)揮水功率；環(huán)空帶壓，存在井控風(fēng)險(xiǎn)；鉆井液性能設(shè)計(jì)、流變性控制難等問(wèn)題[3-4]。

一、施工技術(shù)難點(diǎn)

1. 套管強(qiáng)度高

該區(qū)塊井普遍采用了P110(壁厚9.65 mm)的套管，這種小尺寸高強(qiáng)度高壁厚套管的段銑在國(guó)內(nèi)尚屬首例，為難點(diǎn)所在。

2. 鐵屑攜帶難

段銑套管過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量形狀各異的鐵屑，有絲狀、片狀、塊狀等，其不但密度高(7.85 g/cm3)，且沉降速度快。該井套管段銑期間最大的難點(diǎn)在于防止鐵屑下沉堆積，循環(huán)不充分而纏繞在鉆柱上形成“鳥(niǎo)籠狀”和鐵屑尺寸過(guò)大而無(wú)法通過(guò)環(huán)空，造成蹩泵甚至卡鉆等難題。

3. 環(huán)空壓耗大

小尺寸套管與常規(guī)尺寸套管的段銑在鉆井液水力學(xué)上的主要區(qū)別在于鉆井液在窄環(huán)空中的壓耗更大。在常規(guī)井眼中約有10%左右的循環(huán)壓力損失發(fā)生在環(huán)空中，而該井這個(gè)比例高達(dá)60%～70%，循環(huán)壓力損失相當(dāng)大，不利于水力能量的有效利用和發(fā)揮。

4. 鉆井液性能難調(diào)控

為了把段銑中產(chǎn)生的高密度鐵屑攜帶出來(lái)，要求鉆井液具有良好懸浮能力和攜帶能力?？紤]到小井眼窄環(huán)空摩阻大，在排量一定的情況下，選擇黏度適中，靜切力值高，剪切稀釋性能好的體系，同時(shí)切割套管過(guò)程中刀片與套管接觸會(huì)釋放大量熱量，瞬時(shí)溫度高達(dá)150℃，這就要求鉆井液還要具有抗高溫穩(wěn)定性能。

5. 環(huán)空帶壓

由于固井質(zhì)量差，水泥膠結(jié)弱，該區(qū)塊各井A環(huán)空帶壓30 MPa左右，B環(huán)空不帶壓的特殊情況，給段銑施工增加了難度，特別是切開(kāi)套管過(guò)程中，帶來(lái)了井控方面的問(wèn)題。由于小井眼環(huán)空間隙小，同樣的溢流量在環(huán)空中上升的速度和高度都是常規(guī)井的數(shù)倍，需要嚴(yán)格監(jiān)控氣測(cè)值變化，調(diào)整好鉆井液密度，預(yù)防段銑過(guò)程中出現(xiàn)燃爆著火事故。

二、段銑技術(shù)

1. 段銑工具設(shè)計(jì)

針對(duì)?114.3 mm高強(qiáng)度厚壁P110套管，采用自主研發(fā)的“D”型三刀翼套管段銑器。該種段銑器由上接頭、調(diào)壓總成、活塞總成、彈簧、主體、刀片總成、限位扶正套、下扶正短節(jié)等部件組成，其本體外徑為78 mm，刀片張開(kāi)外徑為120 mm，結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。其技術(shù)特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾方面：

(1)刀片總成結(jié)構(gòu)，配合低摩阻活塞總成和彈簧彈性力的合理儲(chǔ)備，使刀片總成具備優(yōu)異的防掉、防卡能力。

(2)刀片采用獨(dú)特的切削元件，能自動(dòng)斷屑并具有自銳功能，切削元件焊接可靠，壽命長(zhǎng)，磨銑速度快。

(3)工具水力結(jié)構(gòu)，可對(duì)刀片銑削部分進(jìn)行強(qiáng)制冷卻、潤(rùn)滑和清洗，配合下扶正短節(jié)導(dǎo)引部分布設(shè)的硬質(zhì)合金切削元件，可有效防止銑屑沉積。

(4)設(shè)計(jì)有下部穩(wěn)定器，利工作平穩(wěn)。

圖1 段銑工具結(jié)構(gòu)示意圖

2. 鉆具組合優(yōu)化

常規(guī)段銑作業(yè)往往采用修井機(jī)作業(yè)，而該區(qū)塊井套管A環(huán)空帶壓，在安全作業(yè)理念及井控風(fēng)險(xiǎn)要求下采用帶壓作業(yè)機(jī)段銑套管作業(yè)。準(zhǔn)備了兩套鉆具組合，確定段銑開(kāi)始位置后，最初下入的鉆具組合是：?78 mm段銑器+?78 mm雙母接頭+?78 mm回壓凡爾+?79.4 mm鉆鋌(6柱)+?60 mm鉆桿，通過(guò)帶壓作業(yè)機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)帶動(dòng)鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)定轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速為50 r/min，排量300～350 L/min，泵壓35.0～36.0 MPa，開(kāi)始開(kāi)窗作業(yè)，經(jīng)過(guò)2 h的磨銑，從振動(dòng)篩篩布上可以看到極少量絲狀鐵屑返出，繼續(xù)提高轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速至60 r/min，帶壓作業(yè)機(jī)工作籃開(kāi)始出現(xiàn)晃動(dòng)，出于安全方面考慮，降低轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速到50 r/min，繼續(xù)開(kāi)窗磨銑，3 h后，振動(dòng)篩篩布上任然只有少量絲狀鐵屑返出并且泵壓沒(méi)有波動(dòng)，說(shuō)明套管還沒(méi)有被割開(kāi)，如果割開(kāi)，從泵壓表上可以看到一次明顯的波動(dòng)。

通過(guò)在鉆具組合加入動(dòng)力馬達(dá)來(lái)提高鉆速，并加入雙向震擊器以便應(yīng)對(duì)段銑過(guò)程中鐵屑卡住鉆具，起到震擊解卡作用。最終確定鉆具組合為：?78 mm段銑器+?73 mm螺桿+?73 mm轉(zhuǎn)換接頭+?74 mm回壓凡爾+?79.4 mm鉆鋌(2柱)+?73 mm雙向震擊器+?79.4 mm鉆鋌(4柱)+?60 mm鉆桿，設(shè)定轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速為10 r/min，排量350～350 L/min，泵壓36.5～37.0 MPa，下鉆到初始設(shè)定位置繼續(xù)開(kāi)窗作業(yè)，經(jīng)過(guò)1 h磨銑，絲狀鐵屑大量返出，套管成功切開(kāi)。

3. 鉆具操作步驟

(1)開(kāi)窗操作時(shí)，應(yīng)該緩慢下放工具至預(yù)定位置，小排量開(kāi)泵，待泵壓和排量穩(wěn)定后，采用加小鉆壓10～15 kN進(jìn)行開(kāi)窗0.5 m，待窗口四周修正光滑后方可增加鉆壓繼續(xù)段銑。

(2)正常段銑階段，嚴(yán)格控制鉆壓在20～30 kN，切記不要追求段銑速度，而加大鉆壓，導(dǎo)致刀片吃入深而磨損快，切削下來(lái)的鐵屑尺寸過(guò)大、過(guò)多而不能及時(shí)攜帶出窄環(huán)空，進(jìn)而導(dǎo)致鐵屑堆積卡鉆。

(3)保持帶壓作業(yè)機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)低速轉(zhuǎn)動(dòng)，控制在20 r/min，防止鐵屑在馬達(dá)上部鉆具處堆積并及時(shí)破壞堆積的鐵屑。

(3)從振動(dòng)篩篩布上觀察到鐵屑大量返出時(shí)，應(yīng)暫停下放鉆具繼續(xù)段銑，待鐵屑充分循環(huán)攜帶出后且觀察到振動(dòng)篩篩布上鐵屑量減少，再緩慢下放。

(4)段銑過(guò)程中及時(shí)監(jiān)測(cè)扭矩值變化，切記不要頻繁停泵，接單根速度要快，由于鐵屑密度高，會(huì)很快沉降堆積到套管窗口造成再次開(kāi)泵時(shí)出現(xiàn)蹩泵現(xiàn)象。

(5)若上提或下放遇阻，應(yīng)該采取緩慢上提下放鉆具，慢速轉(zhuǎn)動(dòng)或者反復(fù)提劃，切記不要生拉硬放，造成工具卡死。

(6)每段銑1 m，打一段高黏段塞協(xié)助攜帶鐵屑，然后循環(huán)1～2周后，收集記錄返出鐵屑重量，待實(shí)際返出鐵屑重量與理論值接近時(shí)，再進(jìn)行下一步段銑。

4. 鉆井液配方及性能維護(hù)

選擇黏度適中，靜切力值高，剪切稀釋性能好，同時(shí)流變性能易調(diào)控的聚磺鉆井液體系，確定鉆井液配方如下：

淡化水+3%～5%膨潤(rùn)土+0.2%～0.3%NaOH+0.1%Na2CO3+3%～5%SMP-2+0.5%～1.0%抗高溫降失水劑RSTF+0.2%～0.5%攜砂劑XS-1+2%潤(rùn)滑劑RH-220+0.1%～0.2%XCD+重晶石(調(diào)節(jié)密度至需求值)。

在段銑過(guò)程中鉆井液性能維護(hù)注意以下：①控制膨潤(rùn)土含量在25～30 g/L左右，勤測(cè)定鉆井液的漏斗黏度，保持漏斗黏度在70～80 s，塑性黏度20～40 mPa.s動(dòng)切力14～18 Pa，初終切力(3～5)/(8～15)Pa，動(dòng)塑比0.5～0.7；②注意觀察振動(dòng)篩面鐵屑返出情況，并進(jìn)行稱重，及時(shí)調(diào)整段銑參數(shù)和流變參數(shù)以保證鐵屑的高效攜帶；③每段銑20 cm套管后可以打1 m3左右的高黏段塞并結(jié)合鉆具旋轉(zhuǎn)及時(shí)清除鐵屑；④在分配槽子和過(guò)渡槽子分別放在強(qiáng)力磁鐵，除去小顆粒的鐵屑保證鉆井液清潔，防止鐵屑進(jìn)入泥漿泵；⑤監(jiān)測(cè)氣測(cè)值，及時(shí)調(diào)整鉆井液密度。

三、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

金華1井井身結(jié)構(gòu)為?508 mm導(dǎo)管下入20 m，?339.7 mm表層套管下入664 m，?250.8 mm技術(shù)套管下入2 559 m封隔上部復(fù)雜地層，井口掛?127 mm變?114.3 mm轉(zhuǎn)換接頭，最后下入?114.3 mm高強(qiáng)度油管至3 557 m產(chǎn)層，采用射孔完井。對(duì)金華1井須家河組須四段的?114.3 mm套管，采用抗高溫高密度聚磺膨潤(rùn)土鉆井液并配合“D”型段銑器對(duì)井段2 477～2 481.44 m成功施工，段銑進(jìn)尺4.44 m，平均段銑速率0.11 m/h，施工周期5 d，鐵屑攜帶率高達(dá)91%，期間無(wú)井控事故、無(wú)卡鉆蹩泵現(xiàn)象。攜帶出鐵屑見(jiàn)圖2，實(shí)際段銑階段鉆井液性能見(jiàn)表1。

圖2 攜帶出鐵屑形態(tài)

井號(hào)段銑井段/m密度/(g·cm-3)FV/sPV/mPa·sYP/PaG′/G″/PaFL30min/mLpH固含VsJH12477～2491．441．78～1．8565～8624～4114～262～4/5～164～68．5～9．533%

四、結(jié)論

(1)針對(duì)?114.3 mm小尺寸套管研發(fā)的?78 mm“D”型三刀翼套管段銑器具有刀片總成防掉卡能力，刀片有自銳功能、磨銑速度快，特殊的水力結(jié)構(gòu)可以對(duì)銑削部分進(jìn)行強(qiáng)制冷卻、潤(rùn)滑和清洗。

(2)通過(guò)在鉆具組合中加入動(dòng)力馬達(dá)和雙向震擊器，提高了切削效果并且起到了應(yīng)對(duì)段銑過(guò)程中鐵屑導(dǎo)致卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)。

(3)開(kāi)窗初始階段，應(yīng)該緩慢下放工具至預(yù)定位置，小排量開(kāi)泵，待泵壓和排量穩(wěn)定后，采用加小鉆壓10～15 kN進(jìn)行開(kāi)窗，正常段銑階段，嚴(yán)格控制鉆壓在20～30 kN，切記不要追求段銑速度，而加大鉆壓。

(4)應(yīng)選擇黏度適中，靜切力值高，剪切稀釋性能好，同時(shí)具有抗高溫穩(wěn)定性能的鉆井液體系，控制黏度在70～80 s，初終切力(3～5)/(8～15)Pa，動(dòng)塑比0.5～0.7范圍內(nèi)。

(5)每段銑20 cm套管后可以打1 m3左右的高黏段塞并結(jié)合鉆具旋轉(zhuǎn)及時(shí)清除鐵屑。

[1]李群山.提高套管段銑效率的途徑[J].石油鉆探技術(shù)，1999,27(4)：17-18.

[2]鞏同標(biāo)，魏金新，趙淑芬，等.塔河油田長(zhǎng)段套管磨銑工藝[J].石油鉆采工藝，2008,30(2)：111-114.

[3]陳天成，李岱林.井下不同鋼級(jí)套管段銑技術(shù)[J].西部探礦工程，2001,13(5)：47-49.

[4]王俊良，袁小波.高強(qiáng)度防硫化氫厚壁套管的高效段銑側(cè)鉆技術(shù)[J].鉆采工藝，2002，25(3)：1-4.