隨鉆數(shù)據(jù)支持在規(guī)避大斜度井下套管風(fēng)險中的實踐

孟瑄

中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司（天津 300452）

在大斜度井下套管作業(yè)施工中存在諸多風(fēng)險。2015—2016年，中國南海兩口大斜度井在下尾管作業(yè)過程中，由于實際摩阻超過鉆前模擬值較多，導(dǎo)致下放過程中至少有500 m段長懸重余量小于10 t，存在下尾管遇阻后處理手段有限的風(fēng)險；2020年，渤海兩口大斜度井由于鉆前未針對薄弱層進行激動壓力和開泵時ECD（循環(huán)當量密度）模擬，在下套管循環(huán)過程中發(fā)生漏失；2021年，渤海一口大斜度井下尾管作業(yè)由于需要克服較大摩阻，作業(yè)前決定采用旋轉(zhuǎn)下入尾管，而鉆井設(shè)計階段并未進行旋轉(zhuǎn)參數(shù)模擬，作業(yè)存在因參數(shù)選擇不當導(dǎo)致的下放懸重余量不足和旋轉(zhuǎn)扭矩超限風(fēng)險。歷史井數(shù)據(jù)對模擬計算新鉆井工程參數(shù)具有很好的參考價值，合理選取參考的歷史井、科學(xué)地分析歷史井資料，指導(dǎo)對新鉆井下套管參數(shù)進行更精確的模擬，及時發(fā)現(xiàn)風(fēng)險并提出規(guī)避方案，對保證作業(yè)安全和效率、降低作業(yè)風(fēng)險及成本有重要作用。

1 隨鉆數(shù)據(jù)支持技術(shù)思路

1.1 靜態(tài)、動態(tài)井史數(shù)據(jù)庫

WELLVIEW 靜態(tài)井史數(shù)據(jù)庫和Discovery-Web動態(tài)井史數(shù)據(jù)庫，是行業(yè)內(nèi)資料相對完善的井史數(shù)據(jù)平臺，其中存儲了自2004年以來的8 000 余口井的靜態(tài)井史資料和2014年至今4 000余口井的動態(tài)井史資料。

靜態(tài)井史數(shù)據(jù)庫包含已鉆井的地質(zhì)分層、井身結(jié)構(gòu)、井眼軌跡、鉆具組合、鉆井液性能等信息，可作為篩選相似對比井的條件。動態(tài)井史數(shù)據(jù)庫存儲了已鉆井及新鉆井已經(jīng)發(fā)生的鉆壓、轉(zhuǎn)速、扭矩、懸重等隨鉆參數(shù)，以時間軸和深度軸兩種方式呈現(xiàn)可視化隨鉆曲線，并支持隨時下載數(shù)據(jù)。

1.2 參考井的篩選

在新鉆井下套管作業(yè)前，在靜態(tài)井史數(shù)據(jù)庫中通過以下條件篩選參考井：①選擇相同區(qū)塊或相鄰區(qū)塊；②選擇近似的井身結(jié)構(gòu)，相應(yīng)尺寸井眼段長差異在10%以內(nèi)；③選擇相似的井眼軌跡，井斜角差異在15°以內(nèi)，造斜點、穩(wěn)斜點深度差異在總井深10%以內(nèi)；④選擇相同的鉆井液體系，密度差別盡量小。相較其他條件，鉆井液密度是次要影響因素；⑤選擇尺寸相同的鉆桿和加重鉆桿，相似的鉆具組合。相較鉆桿和加重鉆桿，鉆具組合其他部件的差異影響為次要。

1.3 反演與模擬過程

選好參考的歷史井后，在動態(tài)井史數(shù)據(jù)庫中下載其實際下套管的懸重數(shù)據(jù)。對懸重數(shù)據(jù)進行條件篩選，去掉大鉤或頂驅(qū)上行和接立柱時間的數(shù)據(jù)，僅保留下放懸重。在專業(yè)工程軟件中導(dǎo)入上述數(shù)據(jù)，進行摩擦系數(shù)反演。若有多口參考井，可對多組摩擦系數(shù)進行加權(quán)平均，并保留其最大和最小的兩組，用平均摩擦系數(shù)、最大和最小摩擦系數(shù)進行新鉆井的下套管懸重模擬，這樣既能夠得到下套管懸重的大概率數(shù)值，又能夠掌握其可能出現(xiàn)的極限情況，并在隨鉆下套管懸重的監(jiān)測過程中與模擬數(shù)值進行對比，以了解井眼實際情況與預(yù)想相比的復(fù)雜程度。

2 大斜度井下套管作業(yè)風(fēng)險

2.1 下Φ244.5 mm套管懸重余量不足風(fēng)險

H1 井是南海一口大斜度井，Φ311.1 mm 井眼深4 723 m，下Φ244.5 mm 套管實際裸眼摩擦系數(shù)0.65，遠高于設(shè)計，下入1 500～2 200 m 段時懸重余量不足5 t。設(shè)計人員在開鉆前對下套管懸重進行模擬時采用的摩擦系數(shù)往往基于經(jīng)驗而缺乏針對性[1-2]。當實際摩擦系數(shù)高于設(shè)計時，可能發(fā)生下套管懸重余量不足而導(dǎo)致套管無法下放到位的風(fēng)險。研究認為，用下套管前反演鉆具摩擦系數(shù)來模擬下套管懸重更準確[3]。另有研究認為，由于套管與井壁的接觸面積更大，下放造成的波動壓力的影響也大于鉆具，因而用鉆具摩擦系數(shù)來模擬下套管摩阻仍具有局限性[4]。文獻[5]對渤海地區(qū)15口井的下套管與鉆具摩擦系數(shù)進行了對比，結(jié)果顯示下Φ244.5 mm 套管的摩擦系數(shù)比鉆具普遍偏高，最大可高出0.33。

2.2 下套管激動壓力造成井漏的風(fēng)險

L1 井是渤海一口大斜度井，深3 990 m，在Φ 215.9 mm 井眼內(nèi)下Φ177.8 mm 尾管時井下發(fā)生漏失，下放速度0.4 m/s 時漏速為6～10 m3/h，后降低下放速度至0.1 m/s時漏速降低至1 m3/h以下。在下套管過程中，由于套管在井筒內(nèi)流體中向下運動，會產(chǎn)生激動壓力，這種激動壓力會增加井底、管鞋和薄弱層的井筒壓力當量，在小環(huán)空間隙的下套管過程中這種激動壓力造成的影響尤為突出[6-8]。對于一些鉆井液安全密度窗口較窄的井段，如果不能準確控制套管下放速度，容易引起壓漏地層的風(fēng)險。下套管時應(yīng)控制上層管鞋等薄弱層位的井內(nèi)有效液柱壓力低于地層破裂壓力，即靜液柱壓力與套管下放產(chǎn)生的激動壓力之和低于地層破裂壓力。工程上往往難以準確掌握地層的破裂壓力，故在下套管時常采用控制有效液柱壓力低于鉆井循環(huán)時的環(huán)空壓耗與靜液柱壓力之和[9]。

2.3 旋轉(zhuǎn)下尾管扭矩超過尾管掛承受能力的風(fēng)險

大斜度井由于井斜大，鉆進時部分鉆具“躺”在井壁上運動，井眼通常存在鍵槽、臺階等不規(guī)則情況，井眼軌跡和井壁不平整性復(fù)雜，井眼清潔困難導(dǎo)致井內(nèi)巖屑清除不徹底，導(dǎo)致下尾管時懸重余量不足，遇阻和下不到位的現(xiàn)象[10]。通常處理手段有小排量循環(huán)、上提下放活動管柱。但頻繁操作又會加重井眼復(fù)雜情況[11]。因此鉆井現(xiàn)場會采用旋轉(zhuǎn)下尾管的方式，以有效改善尾管下入時受到的阻力。K3 井是渤海一口大斜度井，深4 100 m，最大井斜73°，在Φ215.9 mm 井眼內(nèi)下Φ177.8 mm 尾管時，由于鄰井存在實際下尾管懸重余量較小的現(xiàn)象，該井采用旋轉(zhuǎn)下入尾管。選取不同的旋轉(zhuǎn)速度、下放速度和泵排量，對下放摩阻和管柱旋轉(zhuǎn)扭矩的影響不同。因此有必要對不同參數(shù)下的摩阻扭矩進行模擬，以優(yōu)選合理的參數(shù)。

3 K3井隨鉆數(shù)據(jù)模擬實例

3.1 K3井概況

K3 井各開次工程數(shù)據(jù)見表1。在K3 井的鉆井工程設(shè)計中，采用的下Φ244.5 mm 套管摩擦系數(shù)為套管內(nèi)0.30，裸眼0.40。根據(jù)下套管前最后一趟測井鉆具上提下放懸重數(shù)據(jù)反演摩擦系數(shù)為套管內(nèi)0.33，裸眼0.38。按照設(shè)計或測井鉆具反演的摩擦系數(shù)來模擬下套管懸重，均有約60 t的余量，套管可以順利下入。

表1 K3井各開次工程數(shù)據(jù)

K3 井二開鉆遇4 處斷層，具體見表2。二開鉆井液密度1.20 g/cm3，ECD 為1.27 g/cm3時井下發(fā)生漏失，漏速為6 m3/h。靜止堵漏后一直保持ECD 不高于1.27 g/cm3鉆進。因此需要以1.27 g/cm3為臨界ECD 來模擬下Φ244.5 mm 套管的安全下放速度及最大循環(huán)排量。

表2 K3井Φ311.1 mm井眼鉆遇斷層

3.2 下Φ244.5 mm套管懸重模擬

從靜態(tài)井史數(shù)據(jù)庫中通過條件篩選，選出了兩口適宜的參考井M1井和N2井，收集兩口井的軌跡、井身結(jié)構(gòu)、套管規(guī)格、鉆具組合、泥漿性能等數(shù)據(jù)，又從動態(tài)井史數(shù)據(jù)庫中采集了兩口井下Φ244.5 mm套管及下套管前測井或通井鉆具下鉆懸重數(shù)據(jù)，進行了篩選，僅保留管柱純下放時的數(shù)據(jù)。用Landmark 軟件模擬了兩口井下鉆及下套管的摩擦系數(shù)，結(jié)果見表3。由表3可知，兩口井的下套管摩擦系數(shù)比下鉆摩擦系數(shù)高出了0.2～0.22；兩口井下套管過程中多段遇阻，套管到位后懸重余量均不足10 t。

表3 M1井和N2井套管及鉆具摩擦系數(shù)

根據(jù)上述參考井數(shù)據(jù)，判斷K3井下套管摩擦系數(shù)可能比鉆具摩擦系數(shù)高出0.2～0.22，按照摩擦系數(shù)附加值對下套管懸重進行模擬，套管到位后理論懸重為-1.32 t，表明套管不能順利下放到位。于是在此摩擦系數(shù)基礎(chǔ)上提出了套管漂浮方案，按照300、400、500 m 3 種漂浮段長，摩擦系數(shù)為套管內(nèi)0.55，裸眼0.60進行下套管懸重模擬，套管到位后理論懸重余量提高到21、26、30 t。K3井下Φ244.5 mm套管采用了漂浮500 m 的方案，實際套管下放到位后懸重余量為31 t，如圖1所示。

圖1 K3井下Φ244.5 mm套管懸重模擬圖

3.3 下套管激動壓力和開泵時ECD 對薄弱層的影響模擬

通過在靜態(tài)井史數(shù)據(jù)庫中查找相同井段鉆遇F1～F4斷層的已鉆井，發(fā)現(xiàn)鉆遇F1和F3斷層的井并未發(fā)生漏失，但沒有鉆遇過F2 和F4 斷層的已鉆井，因此需要將這兩個斷層設(shè)為薄弱層，進行下套管激動壓力模擬。在相同工況下，鉆井液的流變性是泵壓和ECD 的主要影響因素。用模擬參數(shù)與實際參數(shù)擬合的方法，能夠選擇合理的鉆井液流型。選取常用鉆井液流型：賓漢模式、冪律模式和赫歇爾-巴克利（簡稱赫-巴）模式，結(jié)合Landmark 軟件模擬值與實際值對比，結(jié)果見表4。由表4 可知，采用冪律模式和赫-巴模式來模擬下套管激動壓力較為合理。

表4 3種流體類型模擬泵壓與實際泵壓對比

模擬下套管激動壓力在薄弱層的當量ECD 見表5。由表5 可知，當套管下放速度大于0.5 m/s，F(xiàn)4斷層處的ECD大于1.27 g/cm3，存在漏失風(fēng)險。因此提示現(xiàn)場在下套管時控制下放速度不超過0.5 m/s。K3 井實際下套管速度不超過0.3 m/s，過程中未發(fā)生井下漏失。

表5 下Φ244.5 mm套管時F2、F4斷層處ECD

模擬下套管到位后開泵時薄弱層的ECD 見表6。由表6可知，當排量達到700 L/min 時，F(xiàn)4斷層處的ECD大于1.27 g/cm3，存在漏失風(fēng)險。因此提示現(xiàn)場在循環(huán)時控制排量低于700 L/min。K3 井實際下套管到位后循環(huán)排量為400 L/min，過程中未發(fā)生井下漏失。

表6 下Φ244.5 mm套管到位后循環(huán)時F2、F4斷層處ECD

3.4 旋轉(zhuǎn)下尾管懸重與扭矩模擬

在鉆井工程設(shè)計中，K3井下Φ177.8 mm 尾管采用的摩擦系數(shù)是套管內(nèi)0.30，裸眼0.40，模擬尾管到位后懸重余量為31.6 t，尾管能順利下放到位。根據(jù)兩口參考井M1井和N2井的實際下尾管數(shù)據(jù)反演摩擦系數(shù)，得到套管內(nèi)摩擦系數(shù)為0.46，裸眼為0.51。據(jù)此模擬K3井下尾管到位時懸重余量不足10 t。

模擬旋轉(zhuǎn)下尾管，在給出不同下放速度、旋轉(zhuǎn)速度下，模擬的旋轉(zhuǎn)下尾管懸重與下入深度關(guān)系如圖2 所示，模擬旋轉(zhuǎn)尾管時的扭矩沿管柱深度分布如圖3 所示，表7 為模擬懸重和扭矩結(jié)果。由圖3、表7 結(jié)果可知，3 種旋轉(zhuǎn)工況的最小懸重均超過30 t，懸重余量足夠。由于3 種旋轉(zhuǎn)工況下的尾管懸掛器處扭矩均已接近懸掛器允許最大扭矩，故推薦采用扭矩相對較小的工況即下套管速度6 m/min、轉(zhuǎn)速15 r/min、排量500 L/min。K3 井實際下尾管采用推薦參數(shù)，最終尾管順利下放到位，最小懸重余量與最大扭矩與模擬值誤差在3%以內(nèi)。

圖2 K3井下Φ177.8 mm尾管懸重模擬圖

表7 K3井下Φ177.8 mm尾管參數(shù)

圖3 K3井下Φ177.8 mm尾管扭矩模擬圖

4 結(jié)論

1）建立靜態(tài)和動態(tài)井史數(shù)據(jù)庫，在新鉆大斜度井下套管前通過條件篩選找出適合的參考井，調(diào)研參考井的摩阻、薄弱層等數(shù)據(jù)，再用以模擬新鉆井下套管參數(shù)，比僅依靠新鉆井設(shè)計和下套管前起下鉆數(shù)據(jù)得到的結(jié)果更準確，對現(xiàn)場作業(yè)選取合理參數(shù)、采取合理作業(yè)手段具有更好的指導(dǎo)作用。

2）在分析下套管摩阻時，可遵循“四步走”的分析程序：①反演得出本井下套管前下鉆摩擦系數(shù)a（若下鉆數(shù)據(jù)過少、參考性差，可采取起鉆摩擦系數(shù)）；②反演得出參考井下鉆（或起鉆）摩擦系數(shù)b和下套管摩擦系數(shù)c；③若a與b相差在0.05 以內(nèi)，則本井下套管摩擦系數(shù)可直接采用c進行摩阻預(yù)測；④若a與b相差大于0.05，則考慮計算b與c的差值作為附加量，在a的基礎(chǔ)上進行附加進行摩阻敏感性預(yù)測。

3）對存在薄弱層的裸眼段下套管前，應(yīng)模擬激動壓力和開泵ECD 是否存在壓漏薄弱層的風(fēng)險。模擬前應(yīng)先根據(jù)不同排量對應(yīng)的泵壓來校核選取的流體類型，再進行激動壓力和開泵ECD模擬。

4）在大斜度井旋下尾管之前應(yīng)進行懸重和扭矩的模擬，并結(jié)合尾管掛要求的扭矩極限，合理選擇尾管下放速度、管柱旋轉(zhuǎn)速度和泵排量，避免發(fā)生尾管下放不到位和扭矩超過管柱及配件極限的風(fēng)險。在Φ215.9 mm 井眼內(nèi)下Φ177.8 mm 尾管，推薦下入速度6 m/min，轉(zhuǎn)速15 r/min。