川东北超深水平井压井工艺技术

刘 伟,李 丽,木合塔尔,张晓东

(1.中石化西南油气分公司工程技术研究院,四川德阳618000;2.中国石油大学(北京),北京102249;3.西部钻探工程有限公司,新疆克拉玛依834009;4.中国石油勘探与生产分公司装备处,北京100007)

川东北超深水平井压井工艺技术

刘 伟1,2,李 丽1,木合塔尔3,张晓东4

(1.中石化西南油气分公司工程技术研究院,四川德阳618000;2.中国石油大学(北京),北京102249;3.西部钻探工程有限公司,新疆克拉玛依834009;4.中国石油勘探与生产分公司装备处,北京100007)

川东北水平井具有井深、压力高、产量大、含硫化氢等特点,在钻井和测试过程中经常因气量大或措施不当需要进行压井施工。前期的压井方式和施工工艺是针对不同工况下的直井,应用于超深水平井的成功率不高。分析了川东北水平井在钻井和测试过程中的压井难点,优选出4种适合的压井方式,并提出了适用工况和应注意的问题,为超深水平井安全、快速压井提供了借鉴。通过在川东北HJ203H水平井的成功应用表明,初步形成的水平井压井工艺技术能够满足川东北超深水平井压井需要。

水平井;压井;工艺

Abstract:The characteristics of deep horizontal well in northeastern Sichuan include deep well depth,high pressure,high production and hydrogen sulfide content.Because of high gas quantity and improper measure in drilling and testing,well killing construction was needed.Erenow,well killing method and technology of horizontal well in different conditions was chosen on the basis of vertical well generally,so well killing success ratio was low.The analysis to the well killing difficulty in drilling and testing was carried on in four selected suitable well killing method with clear applicable condition and precautions.This work can provide reference for quick and safe horizontal well killing.The successful application in HJ203H of northeastern Sichuan showed that preliminary horizontal well killing technology can meet the well killing needs of ultra-deep horizontal well.

Key words:horizontal well;well killing;technology

川东北地区是中国石化重点勘探开发区域,以海相地层为主要目的层,存在井深(＞5 000 m)、压力高(＞110 MPa)、产量大(多口井无阻流量＞50×104m3/d)、含 H2S(嘉陵江组 H2S含量 1%)等特点[1],在钻井和测试过程中经常因气量大或措施不当而需要进行压井施工,河坝1、清溪1等井均进行过压井抢险作业。

随着定向井、水平井钻井数量的日益增多以及储层保护要求的逐步提高,出现井涌的几率也越来越大,相应的水平井压井工艺还未完全配套,前期的压井方式和施工工艺主要是针对不同工况下的直井,应用于超深水平井压井成功率不高。本文对川东北水平井在钻井和测试过程中的压井难点进行了分析,优选出4种适合于水平井的压井方式。

1 水平井压井难点分析

川东北深井主要目的层较深,与常规直井相比,水平井压井难度大。

a) 水平井储层泄流面积大,高压力情况下压井难度大。由于川东北多口井钻遇高产天然气流,HB区块天然气产量普遍＞100×104m3/d,完井油管尺寸 ＞ø88.9 mm,完井套管或衬管尺寸＞ø139.7 mm,相应的完钻井眼尺寸为ø241.3 mm或 ø215.9 mm,地层压力梯度 ＞2.0 MPa/100 m,最高为2.38 MPa/100 m。因此在高压、高产情况下,水平井气层泄流面积比常规直井大得多,压井难度更大。

b) 水平段气量和压井液密度难以准确确定。水平井段通常是螺旋形,甚至B靶点低于A靶点,易使气体圈闭在“顶部口袋中”[2]。对于衬管完井和裸眼完井的水平井,水平段气量尤其是“顶部口袋中”积聚的高压气体很难准确预测,起钻过程中钻具的抽吸作用容易造成溢流,必须要逐渐加重压井液。

c) 套管强度低,地层漏失压力低,井口压力控制难度大。由于水平井完井尺寸大,相应的套管尺寸较大,套管强度特别是抗内压强度低,施工时水平段承受的液柱压力不相等,存在激动压力,井底更易漏失。因此需要综合考虑套管抗内压强度、地层漏失压力、地面压井设备能力等因素,以压力最低值进行压井施工。

d) 海相地层含 H2S,压井液密度大,易压漏地层。由于 H2S的存在,压井液密度均取高限,按0.15 g/cm3计算,5 000 m垂深压力增加7.5 MPa,在密度窗口较窄地层易压漏地层。

e) 压井时需要管串下至水平段底部循环。常规直井压井只需在储层段循环,而水平井进入水平段循环也只能将管串底部以上井段的气体循环出井,很难将管串底部至井底的气体循环出来。在完成1个起下钻周期后,水平段气体将大量聚集,通过循环罐的体积难以监测,井涌风险大。

f) 水平位移增大,压井过程中的漏失几率越大。根据国内高德利等人的研究成果[3]可知,进入水平段后的地层破裂压力不变,随着水平位移的延伸,环空压耗越来越大,井底漏失压力也越大,越易压漏地层。因此压井液密度不能只按地层压力附加1个系数进行配制,还应考虑水平段长度和管串结构等,防止井底发生漏失。

2 压井方式优选

压井方法是关系到压井成败的关键。目前,国内外的压井方法分为常规压井法与非常规压井法。常规压井法主要有司钻法、工程师法、循环加重法等[4],在特殊情况下还使用立管压力法、体积控制法、硬顶法等,普遍采用U形管压力平衡理论进行压井施工。水平井具有储层泄气面积大、气量大等特点,压井施工时,需要对压井方式进行优选,笔者通过调研川东北大斜度定向井、超深井压井施工经验,提出了适合于水平井完井施工的压井方式。

2.1 正常情况下

由于在水平井压井过程中需要循环多次才能排出水平段中的气体,在压井过程中很难控制立压的下降值。因此在正常情况下,建议用循环法对水平井压井,循环时间较直井长。循环压井时不能将压井液密度一次配制到位,应逐步提高,防止压井过程发生井底漏失。

2.2 特殊情况下[5]

在常规循环压井难以凑效的特殊情况下,可选择3种压井方式。

a) 当管柱下部刺漏、断裂或测试时封隔器失封时,首选建立循环,采用循环法压井。

b) 遇到管柱从中、上部断裂时,首选循环法压井;若不能建立循环,则通过放喷泄压至35 MPa以内,采用直推法压井或套管内置换法压井。

c) 流体中含 H2S、严重井涌或无法开采时,应考虑套管抗压能力和地面泵注设备压力情况,采用直推法压井或循环压井,进入暂时封井步骤。

3 水平井压井工艺技术

常用的水平井压井方法主要有管串内循环法压井、管串内直推法压井、套管内直推法压井和套管内置换法压井4种方法。若在钻井过程中压井,井内管串为钻具;若在完井测试过程中压井,井内管串为油管串。

3.1 管串内循环法压井

管串内循环法压井是经常采用的压井方式,在能够建立循环的情况下,首选管串内循环法压井。

a) 从钻杆或油管内注入压井液,边循环边脱气,直到油压和套压相等。

b) 调整压井液密度,从管串内注入,完成1～2个循环周期,直到油压和套压为零。

3.2 管串内直推法压井

管串内直推法压井的目的是将流体压回地层。

a) 根据井内体积计算压井液用量。

b) 采用清水+CMC隔离液+压井液+堵漏浆+压井液的浆柱结构。

c) 降低井口压力至地面泵注设备许用压力以下(川东北以35 MPa为限)。

d) 从管串内正注清水→CMC→压井液等,计算好施工用量,在压井液刚进入地层时结束泵注。

e) 若管串位于上部井段,压井后将管串下至井底循环观察,根据观察结果确定下一步施工方案。

3.3 套管内直推法压井

3.3.1 施工条件和方案

a) 若管串从上部断裂,井口压力不高,环空压井液自动进入断裂部位以下,即井内尚有较高液柱时,按照管串内直推法方案进行压井。施工中应确保井口压力小于套管承压能力的80%,同时尽量保证井底回压不超过地层破裂压力。

b) 当管串断裂位置较深、断裂处以上压井液被喷空、井口压力较高时,调整压井液密度,采用压井液重浆+堵漏浆+压井液浆柱结构套管内直推法压井。

3.3.2 施工程序

a) 采取连续放喷降压措施将井口压力降至35MPa以下。

b) 向井内连续注入设计压井液。

c) 压裂车操作人员连续观察和报告施工压力,并控制套压小于套管抗内压的80%。

d) 若判断地层漏失,则灌注堵漏浆。当堵漏浆进入气层时,降低注入排量至0.5 m3/min,并观察压力变化;当堵漏浆被全部挤进地层后,停泵观察压力变化并连续记录压力值。

e) 根据施工情况及时分析资料数据,判断井内是否喷漏。

3.4 套管内置换法压井[6]

在管柱断裂且断裂位置较高、无法进行有效循环、采用强制压回法压井井口操作压力超过套管抗内压强度时,采用套管内置换法压井。

a) 控制套压小于套管抗内压强度的80%,向井内灌注压井液。

b) 当井口压力不能满足要求时,停泵关井,置换井内压井液。

c) 当套压达到规定值时,开井泄压至35 MPa或喷口返浆后关井;当套压上升缓慢时,开井泄压至零或喷口返浆后关套压。施工中应根据井内情况添加堵漏浆和调整压井液密度。

d) 重复上述步骤,施工中密切注意套压情况,当井口油、套压均为零时,表明压井成功。

4 应用实例分析

川东北 HJ203H井是针对嘉陵江组的一口超深水平井,完钻井深5 767 m,水平段长500 m,预测地层压力1.94 MPa/100 m,钻井液密度2.13～2.15 g/cm3,采用贯眼完井方式,水平段以上为ø177.8 mm油层套管,水平段为ø139.7 mm衬管。在钻扫水泥塞及盲板后起钻作业时发现溢流0.6 m3,井内为700 m的ø73 mm钻杆,立即下钻具,当下入第3根钻杆柱时返浆量增大涌出钻台及防喷器,关闭防喷器上半封闸板实施关井。管串底井深786.52 m,返出压井液密度为2.15 g/cm3,总量7.38 m3(含下入3根钻杆柱应返压井液0.41 m3)。关井后,套压在10 min从零迅速上升至5.5 MPa,在7 min从5.5 MPa缓慢上升至6.5 MPa,到6.5 MPa时未继续上升。根据井内情况和水平井压井特点,采用2.4～2.5 g/cm3重浆+堵漏材料实施正循环压井 ,排量0.25～0.4 m3/min,泵压15～21 MPa,出口压井液密度2.14～2.31 g/cm3,循环11 min后主放喷口点火成功,火焰高8～10 m,循环2 h后逐渐降至3～5 m,共泵入压井液49 m3,返出39.38 m3,漏失9.62 m3。停泵后发现环空流体涌势明显,不具备下钻具的条件。分析井内情况发现,在钻具底部只能循环上部气体,很难将钻具以下井段进行循环脱气。改用压回法进行压井,边循环边加大控制回压造成井下微漏,让重压井液下行到目前钻具以下2 000 m后再下钻具,压井液密度2.37～2.41 g/cm3,最高立压16 MPa,套压7.5 MPa,排量0.4 m3/min,循环2 h后井内稳定,立即下钻具至水平段。采用循环法压井解除了溢流情况。

5 结论

1) 建立在直井、定向井压井工艺基础上的川东北水平井压井工艺技术虽然在多口井应用成功,但需要足够的重浆和清水储备作保证。

2) 选择合理的压井方式有助于安全、快速压井,将安全风险降至最低。

3) 水平井压井应以循环法压井为首选,采取逐级加重方式,防止井底漏失后井喷。

4) 通井时应下至水平段底部循环,这一点与直井截然不同。

[1] 刘 伟,李 丽.通南巴深井优快钻井技术[J].石油矿场机械,2008,37(9):78-82.

[2] 王瑞娥,汪海阁.水平井压井方法[J].钻采工艺,2005,28(2):11-13.

[3] 覃成锦,高德利.南海流花大位移井井身结构设计方法[J].石油钻采工艺,2006,28(1):13-14,28.

[4] 井控培训教材编写组.钻井井控工艺技术[M].东营:中国石油大学出版社,2008.

[5] 雷宗明,李 强.直推法压井技术[J].天然气工业,2000,20(3):54-56.

[6] 李运辉,黄 船,崔 进,等.置换法压井技术在川东北河坝1井的成功应用[J].油气井测试,2008,17(4):45-46.

Well Killing Technology of Ultra-deep Horizontal Well in Northeastern Sichuan

LIU Wei1,2,LI Li1,MU HETAER3,ZHANG Xiao-dong4
(1.Engineering Technology Reserch Institute,Southwest Oil and Gas Branch Company of Sinopec,Deyang618000,China;2.China Univercity ofPetroleum(Beijing).Beijing102249,China;3.Western Drilling Engineering Company,Karamay834009,China;4.Petrochina Exploration and Production Company,Beijing100007,China)

TE355.6

B

1001-3482(2010)10-0089-04

2010-04-11

西南油气分公司重点攻关项目“河坝区块定向井钻井工艺技术应用研究”(GJ-109-0821)

刘 伟(1981-),男,四川成都人,工程师,在职硕士研究生,2003年毕业于成都理工大学,现从事钻、完井工程设计与科研工作,E-mail:liuw1999@163.com。