深层侧钻水平井膨胀套管钻井封堵技术研究.pdf

石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 3年 第4 1 卷第2期 ●钻井技术与装备 深层侧钻水平井膨胀套管钻井封堵技术研究 唐 明 吴柳根 1 ．胜利石油管理局钻井工艺研究院2 ． 赵志国 蔡 鹏 中国石化西北油田分公司钻完井工程 处 摘要 针对塔河油田部分深层侧钻 井存在地质避水要求，且钻遇易漏和易坍塌地层 的情况， 分析 了塔河侧钻井现状及难点，优选 了技术方案并探讨其可行 性，采用膨胀套管充 当技术套管封 堵复杂层。结合深层侧钻水平井的井况条件 ，对膨胀套管关键技术进行研 究及优化 ，完善 了技术 实施方案。详细介绍 了膨胀套 管技术在 T K 6 4 6 3 C H井首次封堵应用情况 ，现场 应用结果 显示， 膨胀套管实施后能够满足钻井封堵和后续非常规小井眼钻 井要求，为其提供 了一种全新的解决方 案，也为膨胀套管技术在复杂地层钻井提供 了技术基础。 关键词 膨胀套管；E R W；无缝；复杂地层；侧钻水平井；封堵 中图分类号 T E 9 2 5 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 3 ． 0 2 ． 0 0 2 Re s e a r c h o n t he Te c h no l o g y o f Ex p a n da b l e Ca s i n g Dr i l l i n g Pl ug g i ng f o r De e p La y e r S i de t r a c k Ho r i z o n t a l W e l l Ta n g Mi n g W u Li ug e n Zh a o Zh i g u o Ca i Pe n g 1 ． R e s e a r c h I n s t i t u t e o f D r i l l i n g T e c h n o l o g y ，S h e n g l i P e t r o l e u m A d mi n i s t r a t i o n 2 ． D r i l l i n g a n d C o m p l e t i o n E n g i n e e r i n g D e p a r t m e n t ，S I NO P E C N o r t h w e s t O i lfi e i l d C o m p a n y Ab s t r a c t Ge o l o g i c a l wa t e r a v o i d a n c e i s r e q u i r e d b y s o me o f de e p l a y e r s i d e t r a c k we l l s i n Ta he Oi l f i e l d ．Mo r e o ． v e t，t h e d r i l l i n g me e t s wi t h l e a k y a n d c o l l a p s i b l e f o r ma t i o n s ． Th e r e f o r e，t h e p r e s e n t s i t u a t i o n a n d d i ffi c u l t i e s o f s i d e t r a c k we l l s i n Ta h e Oi l fi e l d we r e a n a l y z e d ． Th e t e c h n o l o g i c a l s c h e me s we r e o p t i mi z e d a n d t h e i r f e a s i b i l i t y wa s d i s c u s s e d ． T h e e x p a n d a b l e c a s i n g wa s a d o p t e d a s t h e i n t e r me d i a t e c a s i n g t o b l o c k t h e c o mp l e x l a y e r ． Re f e r r i n g t o t h e we l l c o nd i t i o n s o f d e e p l a y e r s i d e t r a c k we l l s，t h e k e y t e c h n o l o g i e s o f e x p a n d a bl e c a s i n g we r e s t u d i e d a n d o p t i mi z e d ． Th e t e c h no l o g i c a l a p p l i c a t i o n s c h e me wa s p e r f e c t e d ． T he fir s t p l u g g i n g a p p l i c a t i o n o f t he t e c h n o l o g y i n W e l l TK6 4 6 3 CH wa s i n t r o d u c e d i n de t a i l ． Th e fie l d a p p l i c a t i o n s h o ws t h a t a pp l i c a t i o n o f e x p a n d a b l e c a s i n g c a n s a t i s f y t h e r e q ui r e me n t o f d r i l l i n g b l o c k i n g a n d s u bs e q u e n t n o nc o n v e n t i o n a l s l i m h o l e d r i l l i n g ． Th e r e f o r e ， a n e w s o l u t i o n i s p r o v i d e d a s we l l a s t h e t e c h n o l o g i c a l b a s i s f o r t h e e x p a n da b l e c a s i n g t e c h n o l o g y t o b e us e d i n c o mp l e x f o r ma t i o n d r i l l i n g ． Ke y wo r ds e x pa n d a b l e c a s i n g； ERW ； s e a ml e s s； c o mp l e x f o r ma t i o n； s i d e t r a c k h o r i z o n t a l we l l ； d r i l l i n g p l u g g i n g 0 引 言 膨胀套管技术作为钻井领域革命性的新兴技 术⋯，可针对钻遇异常高压、井漏和缩径等异常 情况，为特殊地层提供应急封堵方案，保障后续钻 进作业安 全，为顺 利钻达 目的层 提供 技术 手 段 2 J ，可广泛用于深井、斜井 、水平井及侧钻井 等井型的钻井和完井技术领域。在侧钻井中，特别 是深层小尺寸侧钻井中，井眼尺寸受限， 后续小井 眼钻进钻具及仪器配套困难，因此，膨胀套管技术 主要用作套管完井。国内外鲜有侧钻水平井膨胀套 基金项 目国家 8 6 3计划重大项 目 “ 膨胀管钻井技术 ” 2 0 0 6 A A 0 6 A1 0 5 。 石 油机械 2 0 1 3年第4 1卷第 2期 3 ． 2膨胀螺纹设计优化 在套管补贴膨胀 螺纹研究 的基础 上，针对深 井 、斜井及裸眼井况条件 ，以偏梯形和倒钩形为齿 形 ，加长螺纹有效长度 ，并增加螺纹加厚装置 ，改 进了膨胀螺纹的力学性能和密封性能。经过有限元 数值模拟 ，膨胀螺纹在膨胀前 、后及膨胀过程 中， 均具有良好的力学性能与密封 l生能 ，所设计 的螺纹 能够满足膨胀套管侧钻井应用的要求 。 3 ． 3 管体残余应力分析及 内涂层技术 采用弹塑性接触问题的有限元法 ，研究套管内 的残余应力问题。当膨胀锥位置沿路径移动时，套 管被膨胀段内的等效应力在逐渐减小 ，但膨胀后套 管内存在残余应力。根据膨胀套管残余应力分析， 当摩擦因数／x 0 ． 1 0时，膨胀套管残余应力已经相 当小 ，如图 1所示 。 4 0 0 3 5 0 3 O 0 2 5 0 R 2 0 0 1 5 0 ．}ll l 1 O 0 5 O 0 路 径 ／mm 图1 不同摩擦因数下膨胀套管内的残余应力 F i g ． 1 R e s i d u a l s t r e s s wi t h i n e x p a n d a b l e c a s i n g w i t h d i f f e r e n t f r i c t i o n c o e f f i c i e n t s 利用石墨 、双马来酰亚胺 、酚醛改性环氧树脂 研制的内涂层技术 ，调整膨胀锥与膨胀套管之间的 摩擦 因数 ，保持摩擦 因数介 于 0 ． 1 0～0 ． 1 5之间 ， 使膨胀套管在最小膨胀力下完成膨胀 ，且膨胀套管 内的残余应力较小。研制的内涂层技术具有耐高温 和减摩效果 ，可降低摩擦力和膨胀力％ ～ ，并对 膨胀套管进行防腐保护。 3 ． 4固井工艺及附件研究 研制出抗硫酸盐 、抗高温性能良好 的超缓凝水 泥浆体系，可满足膨胀套管固井施工要求。按正常 要求进行固井， 但注水泥量应控制在环容的 8 0 ％以 内，为确保膨胀套管施工安全及固井质量，要控制 好水泥浆的稠化时间。由于塔河油田侧钻井多为深 井、斜井，膨胀套管在钻井过程中充当技术套管时， 固井胶塞在深井中正常顶替碰压面临较大考验。胶 塞碰压是保证顺利实现液压膨胀的技术关键，因此 设计开发出膨胀套管专用的固井胶塞。为了后期钻 塞方便 ，将浮鞋改进优化成 内置式专用浮鞋。 3 ． 5 膨胀套管深井施工工艺研究 针对深井膨胀套管施工情况 ，优化膨胀套管内 管柱结构 ，保证 内管抗拉力和内管通径一致性 ，进 行管柱下人安全性分析 ，采用固井一膨胀一候凝方 式作业。在深井中考虑到内管柱抗拉力 ，上部采用 8 8 ． 9 m m钻杆 ，但其 接箍无法 进入膨胀套 管 内， 下部膨胀套管 内选择的 7 3 mm加厚油管与膨胀套 管 内管工具 内径一致 ，以减少 固井胶塞 因变径磨 损 ，保障顺利碰压。 根据膨胀套管管柱安全工作的要求 ，分析管柱 下入过程中管柱的载荷情况及下人时受力情况 ，内 管柱变形而产生 的横向力不足以破坏螺纹结构。管 柱下入前采用专用通井规通井 ，下入时若遇阻 ，上 提增加悬重不得超过 2 0 0 k N，管柱可安全下人 。 4 现场 应用 4 ． 1 基本情况 T K 6 4 6 3 C H井是中石化西北油 田分公 司利用 开窗侧钻水平井开发塔河油田奥陶系剩余油 的一 口 重点试验井 ，由胜利石油管理局钻井工艺研究院完 井所负责实施。 该井窗 口锻铣位置 5 1 2 0～5 1 5 0 m，一开采用 1 4 9 ． 2 m m钻头钻进 ，完钻井深 5 5 0 9 ． 9 3 m，钻井 液密 度 1 ． 3 0 g ／ 3 m ；裸 眼 段 采 用 钻 后 扩 眼 至 1 6 5 ． 0 m m以上 ，下入 l 3 9 ． 7 mm7 ． 7 2 m m膨胀 套管封堵后 进行二开钻进 。二开采 用 1 3 0 ． 0 m m 钻头钻进 ，完钻井 深 5 7 4 0 m，垂深 5 5 4 9 ． 5 2 m， 井斜 9 2 ． 7 。 ，钻井液密度 1 ． 1 3 g ／ c m ，裸眼完井 。 完井管柱如图 2所示。 l _ 原井技 术套 管 1 7 7 8 mm1 1 ． 5 1 mm 喇 叭口 5 0 8 0m 上窗 口 51 2 0m 造斜点 5 1 3 3 m 2 i _ 膨 器 z m m 下 窗 口 5 1 5 0 m 一 ⋯一 ’ 。，_ -- _ __ 一。 一 小 井眼 1 3 0 ． 0 m m 钻头 5 7 4 0 m ／ 图2 T K 6 4 3 6 C H井完井管柱示意图 F i g ． 2 C o mp l e t i o n s t r i n g d i a g r a m o f W e l l T K 6 4 3 6 CH 4 ． 2 井眼施工准备 2 0 1 2年 3月 2 6日，该井采用钻后扩眼方式将 2 0 1 3年第4 1 卷第2期 唐 明等深层侧钻水平井膨胀套管钻井封堵技术研究 井 眼尺寸扩眼至 e 1 6 5 ． 0 mm，井眼条件满足膨胀管 下人要求 ，扩眼井段 5 1 3 3～ 5 5 0 9 m。2 0 1 2年 4月 7日，下人 1 4 8 m m磨鞋 1 5 1 m m通井规通井 至 井底 ，无遇阻显示 ，打人封 闭浆 ，投入 8 8 ． 9 m m 钻杆胶塞 ，顶替碰压后 ，对钻杆进行试压 4 0 MP a ， 验证 了钻杆胶塞的可靠性 。图 3为碰压试验后的钻 杆胶塞。 图 3碰 压 试 验 后 的钻 杆 胶 基 F i g ． 3 Dn l l p i p e r u b b e r p l u g a f t e r b u mp p r e s s u r e t e s t 4 ． 3 膨胀套管作业 2 0 1 2年 4月 9日 1 8 0 0下人 e 1 3 9 ． 7 m m膨胀 套管 4 3 7 ． 2 2 m，4月 1 0日1 2 3 0膨胀套管系统下 至 5 5 0 8 ． 0 4 m。该系统包括 固井附件 、膨胀套管总 成和内管工具 ，固井附件包括内置式浮鞋 、球座及 固井胶塞等 ，膨胀套管总成包括膨胀启动器、膨胀 套管、膨胀悬挂器、膨胀 出口和螺纹加厚装置等 ， 内管工具包括膨胀工具 、对扣接头、安全接头和挡 泥器等 3 J 。采用的 1 3 9 ． 7 m m膨胀套管膨胀前外 径 1 3 9 ． 7 m m，内径 1 2 4 ． 2 m m，初 始 壁 厚 7 ． 7 2 m m；膨胀后外径 1 4 9 ． 3 mm，内径 1 3 4 ． 5 m m，通 径 1 3 1 ． 3 m m，抗内压i4 5 MP a ，抗外压 ／2 5 M P a 。 4月 1 0日1 8 0 0固井 ，注灰 6 m ，投塞 ，替 浆 1 9 ． 4 m ，排量 4 0 0～6 0 0 L ／ m i n ，泵 压 1 8～l 9 MP a ，碰压 2 0 MP a ，停泵检查浮箍 良好。 1 9 3 5膨胀作业 开始 ，正常膨胀压力 1 8～2 0 M P a ，2 20 0膨 胀 结束 ，压 力 由 2 0 MP a降 为 8 M P a ，出口开始返浆。起出膨胀工具，工具正常。 4 ． 4 后续配套施工 2 0 1 2年 4月 1 5 日下人 1 3 0 m m P D C钻头和 9 5 m m直螺杆 ，特制钻杆 和常规钻 杆组合伴 送 ， 调整钻井液密度 1 ． 1 3 g ／ c m ，钻穿水泥塞和浮鞋后 继续钻进2 m，进行膨胀套管承压试验合格。电测 固井质量为优良。电测膨胀套管内径为 1 3 4 ． 5 m li l ， 顶部位于 5 0 8 0 1T I ，套管缩短率 2 ． 0 ％。 二开采用 1 3 0 m m P D C钻头钻进 ，采用 1 0 5 m m M WD仪器，并定制 D S N C 3 1特制钻杆和 1 0 5 m m无 磁 钻 铤 ，增 大 环 空 面积 ，提 高机 械 钻 速。 2 0 1 2年 5月 2日，二 开完钻 ，总进尺 2 3 0 ． 0 7 m， 完钻井深 5 7 4 0 m，垂深 5 5 4 9 ． 5 2 m，井斜 9 2 ． 7 。 ， 顺利钻达 目的层 ，满足地质避水要求。 5 结论与建议 1 设计 出一套适用于塔河油 田深层侧钻井 膨胀套管及后续非常规工艺的钻井方案。 2 国产膨胀套 管技术 首次在 国内深层侧钻 水平井中作 为技术套管使用 ，并创造 了国产直径 1 3 9 ． 7 m m膨胀套管单次作业最长 4 3 7 ． 2 2 m和作业 最深 5 5 0 8 ． 0 4 m 2项纪录。 3 膨胀套管在侧钻水平井 中充当技术套管 ， 能够实现坐挂 、封隔双重功能，成功封隔高压层和 易塌地层 ，其抗 内压 、抗外压和耐磨性均可满足后 续钻井及地质避水要求 ，性能可靠 ，保障了后续小 井眼钻进安全。 4 膨胀套 管技术 为钻井过程 中封堵复杂地 层 提 供 了 新 的 技 术 手 段 ，也 为 解 决 塔 河 油 田 1 7 7 ． 8 m m套管开窗侧钻水平井 的技术瓶颈奠定 了 基础 ，建议进一步进行推广试验。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 参考文献 杨传勇 ．国外可膨胀套管技术的发展及应用 [ J ]． 石油机械 ，2 0 0 6 ，3 4 1 0 7 4 7 7 ． 唐明，唐成磊，宁学涛，等 ．实体膨胀管技术在 油田开发 中 的应用 [ J ]．钻采工 艺，2 0 0 8 ，3 1 3 7 0 7 2 ． 张东海 ． 膨胀管技术的现状及未来 [ J ]．特种油气 藏，2 0 0 7 ，1 4 1 3 6 ． 龙斌 ．实体膨胀管技术在塔河 T K 1 0 5 1井的应用 [ J ]．西部探矿工程，2 0 0 9 9 4 6 4 8 ． 高向前 ，李益 良，李涛，等 ．侧钻水平井膨胀套 管完井新技术 [ J ]．石油机械 ，2 0 1 0 ，3 8 1 1 8 一 】 9． 第一作者简介唐明，高级工程师，生于 1 9 6 9年， 1 9 9 1 年毕业于上海交通大学机械工程系，现从事膨胀管技 术研究推广和完井工具技术开发工作。地址 2 5 7 0 1 7 山东 省东营市。Em a i l t o m m y s d 1 6 3 ． o o m。 收稿 日期 2 0 1 21 0 0 8 本文编辑刘峰