收稿日期:2005-06-09
作者简介:孙莉(1973-),女,工程师,1994年毕业于四川外语学院英语专业,现从事科技情报调研和编辑工作。地址:(618300)四川广汉市,E-mail:Flybird-sl@yahoo.com.cn
钻井工艺国内水平井固井技术及发展孙 莉,黄晓川,向兴华(四川石油局钻采工艺技术研究院)
摘 要:受水平井客观条件的影响,水平段的套管扶正问题,水平井的水泥浆体系设计问题,都是水平井固井的最大难点,也是影响水平井固井最关键的因素。国内水平井固井技术在“八五”研究成果的基础上,理论研究和施工技术方面又有一些拓展和完善,形成了一套较为成熟的水平井固井综合配套技术。对国内外水平井固井工艺技术进行了全面、细致的调研,介绍了国外水平井和大斜度井固井工艺、水平井和大斜度井水泥浆参数设计、井眼清洁、套管扶正、固井新技术、新工具等,以及现场应用和效果,可供现场工程技术人员借鉴,以提高国内水平井固井工艺技术和整体效益。关键词:水平井固井;关键技术;套管居中;扶正器;水泥浆体系中图分类号:TE24312 TE256 文献标识码:B 文章编号:1006-768X(2005)05-0023-04
一、国内水平井固井的关键技术1.水平井固井套管设计长半径水平井和某些中半径水平井可以下套管固井。在水平井套管设计中的主要问题是套管是否安全地穿越弯曲井段。1.1 套管强度设计水平井套管受力情况复杂,在套管下入过程中,
承受轴向弯曲载荷、超压常的上提和下压载荷。因此,水平井套管设计较常规直井(或定向井)套管设计强度要高一等级,如直井用钢级J55壁厚7.72
mm套管,水平井则用钢级N80壁厚7.72mm套管,抗拉强度设计,除计算正常轴向载荷外,还应计算弯曲附加轴向载荷,上提最大吨位,抗拉强度安全系数不低于1.80,上提最大吨位时的套管抗拉安全系数不低于1.5。1.2 套管下入过程中各种阻力计算套管下入过程中的阻力主要由两部分组成,其一是通过急弯时的局部阻力,由井眼条件决定,主要影响因素是该井的最大全角变化率;其二是套管与井壁的摩阻力,由相当于水平位移长度的套管重力和套管与井壁的摩擦系数决定。套管能否顺利下入,取决于套管自重力(浮重)是否大于上述两部分阻力。仅靠套管自重力下入套管时,在靖安油田,垂深1900m,水平井位移可达到600m,套管能顺利
入井。利用地锚增加轴向下压力则能大大增加水平段的长度。套管一次性下到设计井深,是固井施工的前提,
在四川,下套管之前,采用理论设计和模拟通井技术,很好地解决了下套管问题,具体做法如下。1.2.1 套管可通过最大井眼曲率的计算在水平井中,由于井眼曲率较高,套管能否下入是一个重要的问题,必须对套管管体允许的弯曲半径进行计算,而且套管允许的弯曲半径应小于井眼实际的弯曲半径,否则应重新校核。大斜度井、水平井套管管体允许的弯曲半径应用下式进行计算。
R=ED200YpK1K2
式中:R—允许的套管弯曲半径,cm;
E—钢材弹性模量,2.1×106kPa;
D—套管的外径,cm;
Yp
—钢材的屈服极限,kPa;
K1—抗弯安全系数,推荐K1=1.8;
K2—螺纹连接处的安全系数,推荐K2=3。
根据罗家11H井资料数据代入上式经过计算套管管体允许的弯曲半径小于150.99m,而该井的井眼设计的弯曲半径为180.48m。通过最大井眼曲率这一条件来权衡,套管能下入井底。1.2.2 通井
・32・第28卷 第5期
Vol.28 No.5
钻 采 工 艺DRILLING&PRODUCTIONTECHNOLOGY
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net罗家11H井钻至设计井深3995m分别在下入177.8套管139.7套管井段内进行了通井循环,确保井眼畅通、无挂卡及刚性卡钻、无垮塌、无沉砂。(1)177.8套管井段内,使用以下钻具结构进行一次通井:215.9钻头×0.25m+430×410A×0.6m+195腰鼓形成过渡接头×0.49m+411A×410×0.49m+139.7钻杆1根×9.23m+411A×410×0.49m+195腰鼓形成过渡接头×0.49m+411A×410×0.49m+139.7钻杆1根×9.20m+411A×410×0.49m+195腰鼓形成过渡接头×0.49m+411A×410×0.49m+127加重钻杆×141/3柱×395.26m+159随钻振击器+127钻杆×80柱×2337.5m。(2)在139.7套管井段内,使用以下钻具结构进行一次通井:215.9钻头×0.25m+430×410×0.6m+411×520×0.49m+139.7钻杆×3根×28.40m+521×410×0.47m+127加重钻杆15柱×413.72m+127钻杆×1261/3柱×3689.83m。通过罗家11H井采用139.7钻杆(接箍外径190.4mm)模拟139.7套管通井,通井过程中采用不小于30L/s大排量洗井,在水平段及大斜度段进行分段充分循环,现场确保了井眼干净、无垮塌、无沉砂、无后效,为后期水平段套管的顺利下入奠定了基础。2.套管居中2.1 扶正器2.1.1 扶正器的种类目前国内使用的套管扶正器有三种:刚性扶正器,扶正力为最大,有导流功能,可提高顶替效率,但刚性也最大;双弧弹性扶正器,其扶正力为单弧扶正器的两倍;单弧弹性扶正器,其扶正力比双弧弹性扶正器较小。国内水平井固井在水平井的水平段多选用刚性扶正器和双弧弹性扶正器间隔加入的方法,每20m加一只刚性扶正器和一只弹性扶正器,其扶正力足以支撑平躺套管的重力,从理论计算和实际施工结果看可以保证套管居中度大于水平井固井水泥浆体系的要求。另外国内还有一种旋流式扶正器,它是以弹性扶正器为基础进行研制的。旋流式扶正器有3个导向叶片,在导向叶片角度为35°～40°,张开角为100°～115°时可以得到最佳旋流导流效果。旋流式扶正器使水泥浆在环空中形成一定的旋流场,且主流速越大,旋流场强度越大,形成的环向流速也越大。试验结果表明,越靠近井壁处旋流强度越大;在返速是0.8m/s时,实测旋流场的有效范围达5m。现场实际返速远大于0.8m/s,所以旋流场的有效范围也相应增大。卫2—25井在水平段井眼内全部使用旋流扶正器,每根套管加1个,共加50个;其它位置加30个。无可置疑,旋流扶正器的使用对提高顶替效率是有帮助的。提高注水泥顶替效率的最好方法是活动套管和紊流顶替。然而,在实际施工中活动套管因种种困难难以实施。对于大斜度井更是如此。使用旋流扶正器等机械辅助方法来提高注水泥顶替效率是近年来一个新的发展方向。借鉴这些技术,国内设计了刚性旋流式扶正器。其目的是一方面支撑大斜度井段靠在井眼下侧的套管,防止粘卡和增大间隙居中套管,同时又可以迫使流过旋流扶正器的钻井液和水泥产生旋流以提高顶替效率。室内模拟试验表明,旋流扶正器可以在很低的排量下使流体产生旋转,并且随着排量增长,有效旋流长度维持的距离也越长。流体通过旋流扶正器之后流态发生变化,旋转向上的液体具有一定的离心力对提高管边和大肚子井眼滞留泥浆的顶替效率有显著改善。2.1.2 扶正器安放设计通过室内台架试验与理论研究,对水平井套管设计与强度校核中套管抗弯强度安全系数的取值与水密封性能及套管扶正器安放间距设计的新方法进行了研究。研究认为:(1)在最高复合应力达857VME,
20°/30m狗腿严重度下,选用合适的螺纹密封脂,水密封性能良好,可满足水平井需要。(2)采用国外钻井承包商推荐的套管抗弯安全系数取值进行水平井套管强度设计与校核可满足水平井固井技术要求。(3)采用具有初变曲的纵横弯曲连续梁理论较好地解决了扶正器正确安放间距计算问题,从而修订了API规范与SY-5334-88把本属于静不定的问题作为静定问题来处理的错误做法。2.1.3 套管扶正器的正确位置套管扶正器的正确位置,是保证斜井与水平井固井质量的前提。在全面分析安装有多个扶正器套管柱的力学特性的基础上,采用了有初弯曲连续梁的力学模型,用初弯曲纵横弯曲梁理论和三弯矩方程组成的多元线性联立方程组,从理论上解决了斜井和水平井套管扶正器安装位置的正确计算方法。2.2 套管居中技术由于井斜角影响,水平井中套管、钻井液、水泥
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Sep.2005
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net浆和隔离液,所受重力方向已不再是轴向而是径向,
这一重力极易使套管偏心,一旦套管偏心对水泥浆顶替存在以下2点难点:(1)水泥浆紊流顶替能确保最佳的固井质量,但随套管偏心度增加,其临界排量逐渐增大。图1 水泥浆紊流临界顶替排量与套管偏心度的关系从图1可以看出,当套管居中度由100%下降至67%和50%时,套管环空紊流顶替排量分别增加1倍和3倍。研究表明,水泥浆最佳顶替流态为紊流,因此为降低水泥浆紊流顶替临界排量,提高水泥浆顶替效率,需提高套管居中度。(2)在套管偏心的环空中,宽环间隙边的水泥浆流动阻力总小于窄环间隙边,造成宽环间隙边水泥浆流动速度总是小于窄环间隙边,从而形成水泥浆窜流。2.3 套管居中计算居中度%=环空最小间隙/(R井眼-R套管)×100%大量实验证明,保证环空钻井液被有效顶替,套管居中度应等于或大于67%。当小于67%时,钻井流动的困难会大大增加。道威尔———斯伦贝谢公司提出,套管居中度大于70%,套管与井眼间隙应大于25.4～37.1mm顶替效率将会更高。为了有效地驱替钻井液,必须使套管居中。如果套管偏心度增大,则驱替钻井液的难度几乎按指数律增加,此时再好的注水泥设备也是没有多大用处的。为此,特别需要对扶正器进行逐项细致的检查。规定在244.8套管内起动力不小于2744N(280kg);在试验架上将弹簧片反复压缩12次,每个弹簧片永久变形量小于3mm,合格后方可下井。另外,为使套管更好地居中,利用套管漂浮法固井理论,以减少套管下沉力。即在水平段套管内以顶替水泥浆,命名水平段套管在压差作用下产生一个上浮力,减轻对套管扶正器的负荷,使水平段套管更有利于居中。顶替时实注柴油5m
3
,计算上浮力
为98kN。从现场活动套管观察,初期活动套管悬重833kN,替泥浆后期下降到707kN,说明浮力确实对套管起到了一定的扶正居中作用。居中套管是保证固井质量最基本的措施。过去油田所使用的套管扶正器多数未进行全性能测试,