超深井修井作業(yè)減載技術(shù)研究

彭政德， 戚亞東， 彭先波， 宋玉良

(1.中國(guó)石油集團(tuán) 川慶鉆探鉆采工程技術(shù)研究院， 四川 廣漢 618300； 2.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司， 天津 300459； 3.西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610500)

1 超深井修井現(xiàn)狀調(diào)研分析

隨著油氣田勘探開發(fā)的力度越來越大，油田的開采向著更深的地層鉆進(jìn)，隨之而來的就是修井作業(yè)的難度也越來越大，國(guó)內(nèi)修井難度大的油井基本都有“三高一超一小一長(zhǎng)”特征[1]，即高溫、高壓、高含H2S、超深井(特深井)、裸眼小、裸眼段長(zhǎng)，對(duì)井下作業(yè)提出了新的要求[2]。國(guó)內(nèi)一般將井深超過4 500 m的油氣井定義為深井，井深超過6 000 m的井定義為超深井，如塔里木盆地越來越多的油氣井井深已超8 000 m[3-5]。陸地最大修井機(jī)型號(hào)為XJ850，其作業(yè)范圍能覆蓋7 000 m以內(nèi)的超深井，對(duì)于井深超過8 000 m的超深井常規(guī)修井機(jī)不能滿足修井安全載荷要求。在目前大多數(shù)擁有超過8 000 m超深井的油田，如中石油塔里木油田、中石化西北油田都面臨著修井機(jī)及配套修井工藝而臨鉆具強(qiáng)度低、修井機(jī)負(fù)載高等諸多修井問題[6]，尤其是8 000 m以上的超深井，常規(guī)的修井機(jī)已經(jīng)滿足不了作業(yè)需求，目前超深井修井作業(yè)主要采用“鋼鉆桿+大型鉆機(jī)”進(jìn)行修井作業(yè)，作業(yè)成本巨大[7]。西北某油田區(qū)塊進(jìn)行修井作業(yè)4次，主要作業(yè)類型是打撈和處理坍塌，由于井深超過8 000 m，修井機(jī)不能滿足作業(yè)需求，只能采用ZJ50型鉆機(jī)進(jìn)行作業(yè)，鉆機(jī)作業(yè)日費(fèi)約為修井機(jī)的2.2倍以上，單井作業(yè)費(fèi)用超過千萬，費(fèi)用巨大[8]。鉆機(jī)及修井機(jī)的性能參數(shù)見表1。

表1 鉆機(jī)及修井機(jī)性能參數(shù)

針對(duì)目前超深井修井作業(yè)面臨的常規(guī)修井機(jī)載荷不足、鉆具安全系數(shù)低和作業(yè)成本巨大等問題，急需進(jìn)行超深井修井作業(yè)輕量化研究。為此，提出“兩減一增”對(duì)策，“一增”是指在井下加入井下增力器等設(shè)備，“兩減”是指采用新型輕質(zhì)鉆桿替代原有的鋼鉆桿，減輕地面大鉤載荷，提高安全系數(shù)。

2 超深井修井減載技術(shù)

2.1 井下增力器技術(shù)

超深井修井作業(yè)面臨常規(guī)修井機(jī)提升載荷不足的問題，目前大多采用鉆井修井的方式解決普通修井機(jī)的提升能力不足的問題，這也就勢(shì)必增加修井費(fèi)用。提出一種井下液壓增力修井技術(shù)[9-10]，該技術(shù)改變常規(guī)在井口施加打撈力的理念，通過地面增壓設(shè)備打壓的方式，將液壓力通過鉆桿傳遞到井下增力器上并在井下產(chǎn)生上提力，因此不受作業(yè)設(shè)備(修井機(jī))提升載荷限制，有效解決了常規(guī)作業(yè)設(shè)備在超深井作業(yè)設(shè)備打撈能力受限的問題[11]。同時(shí)，該技術(shù)不受井身結(jié)構(gòu)的影響，尤其適合大斜度井及水平井落物打撈。常規(guī)修井機(jī)或鉆機(jī)打撈作業(yè)是在大修設(shè)備井口加力，提升力及扭矩傳遞效率低，而井下液壓增力打撈是在小修水平段直接增力，液壓力全部直接作用于井下魚頂[12]，如圖1和圖2所示。

圖1 常規(guī)打撈工具作業(yè)示意圖

圖2 液壓增力打撈工具示意圖

液壓增力打撈技術(shù)的技術(shù)原理：在油管內(nèi)進(jìn)行打壓，錨定工具實(shí)現(xiàn)定位，多級(jí)液缸產(chǎn)生大負(fù)荷拉力，每打壓一次行走一個(gè)行程，走完行程自動(dòng)卸壓，為沖、撈、松、拔4個(gè)步驟的循環(huán)[13]。

液壓打撈工具根據(jù)作業(yè)需求不同分很多系列，各個(gè)系列的具體性能參數(shù)見表2。

表2 液壓打撈工具各系列性能參數(shù)

超深井修井作業(yè)中使用井下液壓增力器可以提供40 t以上的上提力，該技術(shù)不受作業(yè)設(shè)備限制，打撈管柱以上油管或者鉆桿受力小，對(duì)下入管柱強(qiáng)度要求低，可以配合修井機(jī)使用，降低作業(yè)成本[14]。

2.2 鈦合金鉆具減載技術(shù)

油氣田開發(fā)面臨提高采收率和提質(zhì)增效的雙重壓力，井況復(fù)雜的井越來越多。大位移井井筒的傾斜角、環(huán)空和鉆柱的尺寸、鉆桿的偏心率等因素造成井眼軌跡復(fù)雜，摩阻、扭矩分布規(guī)律掌控、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井穩(wěn)斜控制難度大[15]；高溫、高壓對(duì)鉆具、井下工具、儀器要求苛刻；短半徑水平井造斜井段短，造斜率高，測(cè)點(diǎn)滯后，井眼不規(guī)則，易發(fā)生鉆柱“自鎖”[16]；老井開窗側(cè)鉆水平井鉆井泵壓高、摩阻大、托壓現(xiàn)象突出、鉆壓傳遞困難。面對(duì)以上問題，普通鉆桿施工產(chǎn)生的交變應(yīng)力很大，常常引起鉆桿疲勞斷裂。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者嘗試研制鈦合金鉆桿替代普通鉆桿。鈦合金材料由于具有高比強(qiáng)度、低彈性模量，優(yōu)異的韌性、疲勞性能和耐蝕性[17]，已經(jīng)成為嚴(yán)酷工況環(huán)境下油井管和海洋開發(fā)工具的熱門候選材料，鈦合金鉆桿在油氣田開發(fā)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，鈦合金具體尺寸參數(shù)見表3。

表3 鈦合金鉆桿具體性能參數(shù)

鉆桿極限下深計(jì)算公式[18]為

(1)

式中：σmin為鉆桿材料最小屈服強(qiáng)度，MPa；ρe為鉆桿材料密度，kg/m3；ρm為鉆井液密度，kg/m3；Sf為安全系數(shù)。

根據(jù)式(1)，取常規(guī)鋼鉆桿屈服強(qiáng)度為380～1 030 MPa，鈦合金鉆桿屈服強(qiáng)度為190～1 080 MPa，安全系數(shù)為1.5，得到鈦合金鉆桿和鋼鉆桿的極限下深如圖3所示，在鉆井液密度為1.0～2.0 g/cm3時(shí)，常規(guī)鋼鉆桿的極限下深為10 218～11 965 m，鈦合金鉆桿極限下深為20 732～28 895 m。鈦合金鉆桿的極限下深約為普通鋼鉆桿的2倍以上，因此，考慮鉆桿本身強(qiáng)度、修井機(jī)載荷等因素，鉆合金鉆桿比鋼鉆桿更適用于超深井修井作業(yè)。

圖3 鈦合金鉆桿和常規(guī)鋼鉆桿的極限下深對(duì)比

以西北某油田修井作業(yè)為例，該井作業(yè)深度為8 500 m，由于作業(yè)井較深，修井機(jī)載荷不足，現(xiàn)場(chǎng)采用“鋼鉆桿+鉆機(jī)”進(jìn)行修井作業(yè)，作業(yè)鉆具組合數(shù)據(jù)見表4。

從表4中看出，采用S135鋼鉆桿進(jìn)行超深井修井作業(yè)，最大鉤載超過了200 t，只能采用ZJ50鉆機(jī)進(jìn)行作業(yè)，且安全系數(shù)較低。

表4 鋼鉆具修井作業(yè)鉆具組合數(shù)據(jù)

由于鈦合金較為昂貴，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)可采用“鈦合金鉆桿+鋼鉆桿”的組合方式進(jìn)行修井作業(yè)。以西部某油田修井作業(yè)為例，該井作業(yè)深度8 500 m，設(shè)計(jì)采用“鈦合金+鋼鉆桿”的方式進(jìn)行修井作業(yè)，作業(yè)鉆具組合見表5。

表5 鈦合金與鋼鉆具組合數(shù)據(jù)

從表4中可以看出，采用“S135鋼鉆具+鈦合金”的組合方式進(jìn)行修井作業(yè)，相同的尺寸組合，“鈦合金+鋼鉆具”的鉆具組合下最大鉤載僅有119.6 t，可以搭配XJ750修井機(jī)進(jìn)行作業(yè)，從而取代“鋼鉆桿+鉆機(jī)”的作業(yè)模式，大大減少修井成本。

鈦合金鉆桿可以搭配修井機(jī)使用，發(fā)展鈦合金在石油鉆井行業(yè)的應(yīng)用，不僅可以節(jié)省成本投入，更能提高應(yīng)對(duì)復(fù)雜條件的能力，特別是對(duì)于三維叢式水平井與大位移井、連續(xù)管作業(yè)等，鈦合金鉆桿更能提升作業(yè)能力，對(duì)于石油鉆井行業(yè)具有重要的意義。

2.3 鋁合金鉆桿減載技術(shù)

鋁合金鉆桿最早由俄羅斯開始研發(fā)設(shè)計(jì)，早在20世紀(jì)50年代，蘇聯(lián)就開始進(jìn)行鈦合金鉆桿的研究應(yīng)用，并將鋁合金鉆桿成功應(yīng)用于井深高達(dá)12 262 m的俄羅斯科拉半島的SG3井，該井井底溫度達(dá)220 ℃[19]。而在國(guó)內(nèi)對(duì)鋁合金鉆桿的相關(guān)研究也已開始，已有多個(gè)廠家可以生產(chǎn)相應(yīng)規(guī)格的鋁合金鉆桿，鋁合金鉆桿相比于鋼鉆桿其優(yōu)點(diǎn)有：

1)密度低。鋁合金鉆桿的密度約為鋼鉆桿的一半左右，在相同的作業(yè)環(huán)境下，鋁合金鉆桿相比于鋼鉆桿可以鉆進(jìn)更深的地層，同時(shí)大大減輕鉆具或者修井機(jī)載荷，提高修井作業(yè)效率[20]。

2)優(yōu)異的耐腐蝕能力。鋁合金鉆桿有著較強(qiáng)的抗酸堿能力，可以適用于井下環(huán)境惡劣、含H2S的超深井[21]。

3)應(yīng)用面廣。鋁合金鉆桿由于鉆具材料彈性模量低，有著較強(qiáng)的延展性和可塑性，因此鋁合金鉆桿可以應(yīng)用于各種直井、斜井和水平井[22]。

取常規(guī)鋼鉆桿屈服強(qiáng)度為380～1 030 MPa，鋁合金鉆桿屈服強(qiáng)度為400～500 MPa，安全系數(shù)為1.5，根據(jù)式(1)對(duì)鋁合金、鈦合金和鋼鉆桿的極限下深進(jìn)行比較，結(jié)果如圖4所示。

圖4 鋼鉆桿鈦合金和鋁合金鉆桿極限下深對(duì)比

從圖4可以看出，當(dāng)鉆井液密度為1.0～2.0 g/cm3時(shí)，常規(guī)鋼鉆桿的極限下深為10 218～11 965 m，鋁合金鉆桿極限下深約為19 089～43 562 m，鋁合金鉆桿的極限下深約為普通鋼鉆桿的4倍左右。當(dāng)條件一定時(shí)，鋼鉆桿、鈦合金鉆桿和鋁合金鉆桿的極限下深比較為：鋁合金鉆桿>鈦合金鉆桿>鋼鉆桿。

以西部某油田修井為例，該井井深8 500 m，假設(shè)該井用鋁合金鉆桿進(jìn)行修井作業(yè)，具體作業(yè)鉆具組合參數(shù)見表6。

從表6中可以看出，采用4 1/2 in和3 1/2 in鉆桿進(jìn)行修井作業(yè)，在井深滿足作業(yè)需求下，最大鉤載僅為132.8 t，可以輕松使用XJ750型修井機(jī)進(jìn)行修井作業(yè)，長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，采用鋁合金鉆桿作業(yè)將大大節(jié)省修井成本。

表6 鋁合金鉆桿修井作業(yè)鉆具組合數(shù)據(jù)

3 修井作業(yè)減載技術(shù)性評(píng)價(jià)

3.1 修井作業(yè)減載技術(shù)優(yōu)劣性分析

針對(duì)“兩減一增”的對(duì)策，對(duì)各種修井作業(yè)減載方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見表7。

表7 修井機(jī)減載技術(shù)評(píng)價(jià)

3.2 修井作業(yè)減載技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

以西北某油田修井作業(yè)為例，該井井深8 500 m，需要進(jìn)行打撈修井作業(yè)，通過對(duì)比不同修井減載方法，對(duì)不同減載作業(yè)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，作業(yè)方式及費(fèi)用見表8。

表8 不同作業(yè)方式及費(fèi)用

若作業(yè)天數(shù)為x，則對(duì)于鋼鉆具配合鉆機(jī)修井作業(yè)，設(shè)總花費(fèi)為yg，則總花費(fèi)約為

yg=7.8x

(2)

對(duì)于鈦合金鉆具，配合XJ750完成修井作業(yè)，設(shè)總花費(fèi)為yt，則總花費(fèi)為

yt=2.8x+2 621.5

(3)

對(duì)于鋁合金鉆具，配合XJ750完成修井作業(yè)，設(shè)總花費(fèi)為yl，則總花費(fèi)為

yl=2.8x+1 990.8

(4)

不同的鉆具進(jìn)行超深井修井作業(yè)，所需的費(fèi)用如圖5所示。

圖5 不同類型鉆具修井作業(yè)費(fèi)用

從圖5中可知，當(dāng)超深井修井作業(yè)施工周期較短時(shí)，鋼鉆桿配合ZJ50等鉆機(jī)作業(yè)費(fèi)用較為經(jīng)濟(jì)；當(dāng)作業(yè)周期較長(zhǎng)，超過400 d時(shí)，選用鋁合金鉆桿或者鈦合金鉆桿配合XJ750等修井機(jī)作業(yè)更節(jié)約成本，長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，就超深井修井作業(yè)經(jīng)濟(jì)性而言：鋁合金鉆桿>鈦合金鉆桿>鋼鉆桿。

4 結(jié)論

1)針對(duì)線超深井修井作業(yè)面臨的問題提出了“兩減一增”的對(duì)策，即通過液壓增力器進(jìn)行井下增力、通過采用鋁合金鈦合金等減載鉆具對(duì)地面進(jìn)行減載的措施。

2)以實(shí)際修井作業(yè)案例為參考，提出了采用鈦合金鉆具和鋼鉆具、鋁合金與鋼鉆具的新型鉆具組合，兩種鉆具組合均可滿足常規(guī)修井機(jī)作業(yè)，替代了原有的鉆機(jī)和鋼鉆桿作業(yè)，解決了特深井修井作業(yè)中鉆具強(qiáng)度低、修井機(jī)負(fù)荷高的難題。

3)超深井短期修井作業(yè)采用鋼鉆具配合鉆機(jī)較為經(jīng)濟(jì)，長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，就超深井修井作業(yè)經(jīng)濟(jì)性而言：鋁合金鉆桿>鈦合金鉆桿>鋼鉆桿。分析和總結(jié)了超深井修井作業(yè)的難點(diǎn)，提出了“兩減一增”的修井作業(yè)減載技術(shù)，研究結(jié)果可為8 000 m以上的超深井修井提供參考。