不钻塞选择性完井工艺在塔里木油田的应用

李 宁， 胡光辉， 黎 强， 艾正青， 李早元

(1.中国石油塔里木油田分公司油气工程研究院，新疆库尔勒 841000；2.中国石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院，四川广汉 618300；3.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(西南石油大学)，四川成都 610500)

塔里木油田碳酸盐岩油气藏丰富，碳酸盐岩储层是塔里木油田快速上产的重要区域[1]。水平井是开发碳酸盐岩区块的有效方式，能够大幅度提高油气井产量。由于酸盐岩储层下部存在裂缝性漏失地层、油气洞穴、水层等，常规的水平井固井方式无法满足封隔漏失层段、保护油气储层不受水泥浆污染和长期分段开采的要求，严重制约了碳酸盐岩储层的规模开发进程。国内外一些油田采用“管外封隔器+液压式分级箍”管串结构的选择性完井工艺,选择性封固造斜段和水平段，封隔水层、漏失层及防止水泥浆下沉污染储层[2-6]，但液压式分级箍在超深水平井中存在循环孔不易打开关闭、密封不严，固井后套管内留有水泥塞等问题。塔里木油田采用深井、超深水平井开发碳酸盐岩储层[7-9]，完井管柱下入最大深度超过7 000 m，井底最高温度大于160 ℃，压力超过70 MPa，完井作业受到井底高温高压、井身结构、井眼条件等因素的影响，因此对完井操作流程及工具可靠性提出了更高要求。笔者通过前期技术研究，提出在碳酸盐岩储层采用“筛管+盲板+管外封隔器+固井开孔短节”的不钻塞选择性完井工艺，固井开孔短节采用金属密封，其循环孔通过内管工具可以反复打开关闭，固井后套管内不留水泥塞，降低了施工成本，缩短了完井周期，提高了完井施工的安全性和经济性。

1 碳酸盐岩储层水平井完井设计

塔里木盆地包含多套含油层系，是典型的叠合盆地，具有多期构造叠加、多期改造的特点，其中奥陶系古潜山碳酸盐岩是油气富集的含油层系之一，也是勘探的主要目的层系[8-9]。在早期成岩作用和后期构造破裂作用共同控制下，该地区形成了一套非均质性极强的碳酸盐岩缝洞型储层结构，储层类型为溶洞裂缝体系，其中以裂缝性储层为主，孔洞型储层次之。该类储层是由多个缝洞体在空间上叠加形成的复合油气藏，具有多重孔隙特征、非均质性、成藏复杂等特点，有利于油气的运移、成藏和保存，易形成高产油气井[10-13]，目前已基本形成轮古、英买力、塔中和哈拉哈塘等4个碳酸盐岩主力区块。但由于碳酸盐岩储层结构复杂多样，常规的固井完井工艺难以满足储层保护、多层系油气藏开发及后期多段改造等要求。

1.1 水平井完井工艺设计

水平井是提高单井产量的重要手段。为了最大限度地增大储层油气渗流面积，提高单井产量，碳酸盐岩储层主要采用水平井进行开发[14-15]。为了满足多种生产措施的要求，提高综合效益，前期开发碳酸盐岩储层时采用了裸眼完井工艺、“筛管+盲板+旋流短节”的完井工艺及“筛管+盲板+管外封隔器+固井开孔短节”的不钻塞选择性完井工艺等(见图1)。3种完井工艺对比(见表1)表明，不钻塞选择性完井工艺不仅可以在A点以上注水泥，也可以防止水泥浆下沉污染储层，还可以选择封固部分水平段，从而实现分段酸化，同时为后期找水、堵水留下了作业通道。

图1 塔里木碳酸盐岩水平井完井艺Fig.1 Horizontal well completion in carbonate reservoir in the Tarim Oilfield

完井工艺封固层段工艺特点裸眼完井封固A点以上的套管层段 储层不受水泥浆污染,裂缝性灰岩储层投产或改造后裸眼易垮塌,不能实现封隔水层、漏失层、分段开采及分段酸化“筛管+盲板+旋流短节”完井封固A点上部的井段 水泥浆封固的层段不具备选择性,存在水泥浆下沉污染储层堵死筛管的风险,不能实现封隔水层、漏失层、分段开采及分段酸化“筛管+盲板+管外封隔器+固井开孔短节”完井封固A点上部井段、封固水平井段 水泥浆封固层段具备了选择性,可以防止水泥浆下沉污染储层,可以实现封隔水层、漏失层、分段开采及分段酸化

1.2 选择性完井工艺满足不同开发模式需求

选择性完井设计可以选择封固复杂层段，避开水层对主力储层的影响，实现复杂储层的选择性开采。在钻井过程中，若在封堵目的层上部或A点附近钻遇水层，其后在水平段钻遇油气时，管外封隔器可以安放在水层与油层之间，采取选择性完井进行筛管顶部注水泥作业，封堵水层，油气显示井段不固井(见图2(a)和(b))；在B点附近钻遇水层时，管外封隔器通常安放在水层的顶部，选择性完井封固油气显示井段，隔开后部水层，后期射开油气显示段进行开采(见图2(c))；水平段内整体油气显示活跃，而尾部进入油气洞穴，管外封隔器可以安放在洞穴上部(或前部)，选择封固前部油层，后部采用筛管完井(见图2(d))。

图2 选择性完井开发模式Fig.2 Development mode with selective completion technology

2 选择性完井工艺

2.1 选择性完井工艺管柱设计

选择性完井工艺是将在筛管上部依次连接盲板、管外封隔器、固井开孔短节和尾管悬挂器的尾管串下至设计位置，利用加压设备依次坐挂尾管悬挂器及胀封管外封隔器，然后起出下入管柱，下入内管工具操作固井开孔短节开关，对水平段注水泥浆，封固管外封隔器上部井段。典型的选择性固井工艺完井管柱组合为：筛管+盲板+套管+管外封隔器+短套管+固井开孔短节+套管+尾管悬挂器+钻柱(见图3)。

2.2 主要工具的工作原理

2.2.1 液压式尾管悬挂器

液压式尾管悬挂器主要用于尾管悬挂及定位。

图3 选择性完井管柱示意Fig.3 Diagram of selective completion string

尾管悬挂器连接尾管串下至坐挂位置，利用下入管柱从井口憋压，管内与管外形成压差，推动活塞下行剪断液缸销钉，带动卡瓦沿锥体上行、并贴近上层套管内壁，此时下放管柱使卡瓦卡在套管壁上，实现尾管悬挂。液压式尾管悬挂器的主要优点是可以在大斜度井或超深井内实现尾管坐挂。

2.2.2 管外封隔器

管外封隔器主要由橡胶筒、中心管、阀箍等组成，用于封隔水层、漏失层或者进行分段开采和分段压裂等。其工作原理是：下放到位后，利用地面加压设备小排量憋压，达到开启压力时剪断进液阀的销钉，高压流体介质打开单流关闭阀，经关闭阀进入胶筒的膨胀腔内；在压力作用下，管外封隔器胶筒膨胀变形与井壁紧密接触形成密封，待膨胀腔内压力达到关闭阀关闭压力时，关闭阀的销钉剪断，回压推动关闭阀将进液孔堵死，实现永久坐封。

2.2.3 固井开孔短节

固井开孔短节主要由本体、滑套、循环孔等组成。滑套可以上下活动，利用内管工具上的锁块下压或者上提滑套内壁的凸块来打开或关闭循环孔。它与管外封隔器一起使用，形成固井作业时的循环通道。

与液压控制的分级箍相比，固井开孔短节具有不受井斜角的限制、可安放在大斜度井段以及水平井段的特点；滑套为金属密封，可以更好地保证套管的气密性，特别是气密封套管的固井；循环孔利用内管工具进行开关控制，安全可靠性高；循环孔关闭后即可试压，避免了循环孔关闭不严的问题；施工结束后套管内不留水泥塞，节省了扫塞时间。

2.2.4 内管工具

内管工具主要由皮碗、锁紧滑块、球座、铺球短节、循环孔等部分组成。内管工具是固井开孔短节配套工具，用其锁紧滑块控制固井开孔短节的滑套，打开或关闭循环孔。打开固井开孔短节的循环孔时，锁块的凹槽挂住开孔短节内壁上的凸块，下压50 kN，滑套下行，循环孔打开；关闭固井开孔短节的循环孔时上提50 kN，滑套上行，循环孔关闭。

在下入内管工具的过程中可循环钻井液，内管工具下放到位后，投球坐落在铺球短节，可利用皮碗和内管工具循环孔的配合，在内管工具与固井开孔短节之间建立密封空间，通过内管工具与环空之间的循环通道进行固井作业。

3 工艺流程

选择性完井工艺需要两趟钻完成操作，第一趟下入尾管，利用送入管柱坐挂尾管悬挂器、胀封管外封隔器；第二趟下入内管工具，通过内管工具打开和关闭固井开孔短节，进行施工作业。

3.1 第一趟钻

利用送入管柱将“筛管+盲板+套管+管外封隔器+短套管+固井开孔短节+套管+尾管悬挂器”的管串组合下至预定位置。由于设定的管外封隔器的胀封压力高于液压式尾管悬挂器的坐挂压力，因此可以利用加压设备(如水泥车或压裂车)缓慢加压，依次坐挂尾管悬挂器和胀封管外封隔器，具体施工步骤为：

1) 地面管线试压合格后，先缓慢加压至尾管悬挂器坐挂压力的50%，稳压2 min，加压至尾管悬挂器的坐挂压力坐挂尾管悬挂器，然后，钻具下放至中和点位置，进行泄压；

2) 再加压至管外封隔器开启压力的50%，然后阶梯加压，每加2 MPa稳压2 min，直至压力达到进液阀的开启压力，关泵，观察压力变化，若压力下降说明液体开始进入胶筒的膨胀腔，此时开泵缓慢加压至关闭压力，停泵，观察进液量(进液量需达到胶筒部位与裸眼井段环形空间体积的80%)，完成胀封；

3) 为验证管外封隔器的进液阀组是否锁死，可将加压设备泄压至0 MPa，再缓慢加压至关闭压力，观察是否有进液现象；

4) 在液压式尾管悬挂器成功坐挂和管外封隔器胀封后，完成倒扣作业，起出送入管柱。

3.2 第二趟钻

将连接“钻杆+内管工具”管串组合下入井内，利用内管工具控制固井开孔短节打开关闭循环孔，完成固井作业，具体施工步骤为：

1) 在内管工具接近固井开孔短节前一根套管时先小排量(0.5 m3/min)开泵，冲洗球座15 min；

2) 投球，等球入座或球被泵送入座后，憋压至7 MPa对内管工具的皮碗进行试压，试压合格后泄压；

3) 缓慢下探至固井开孔短节位置(如没有过压则上提2 m正转一定圈数直至有过压显示)，下压50 kN打开固井开孔短节的循环孔，循环孔打开后上提1 m左右正转一定圈数，使内管工具能顺利通过固井开孔短节；

4) 内管工具通过固井开孔短节后，下放管柱，保证内管工具的循环孔与固井开孔短节的循环孔连通，开泵循环(排量小于0.5 m3/min，循环时监测气测值，以判断皮碗是否密封)，一切正常后进行固井作业(排量小于0.5 m3/min，替浆过程中要注入高密度钻井液平衡管内外压差，以免关闭循环孔困难或循环孔关闭不严影响起钻)；

5) 固井施工完成后缓慢上提关闭循环孔，对固井开孔短节加压至7 MPa，验证密封性；

6) 起钻反循环或正循环出管内残余水泥浆，起出内管开关工具。

4 现场施工效果

LG41C井是一口侧钻水平井，造斜点井深5 395.00 m，完钻井深5 712.26 m，裸眼段井径152.4 mm，最大井斜角89.5°，井底温度130 ℃，固井开孔短节位于井深5 590.00 m处，该处井斜角78.0°，管外封隔器位于井深5 606.80 m处，该处井斜角83.0°，采用不钻塞选择性完井工艺封堵产层上部水层。该井采用的尾管串结构为：φ114.3 mm引鞋+φ114.3 mm筛管+盲板+φ114.3 mm管外封隔器+φ114.3 mm固井开孔短节+φ127.0 mm套管+φ127.0 mm液压式尾管悬挂器。

尾管串下至预定位置后，利用固井泵进行加压，成功坐挂液压式悬挂器和胀封管外封隔器后，起出送入钻具，下入内管工具，打开固井开孔短节的循环孔进行固井作业，施工结束后利用内管工具顺利关闭循环孔。试压结果表明，固井开孔短节密封性良好，井口无返出，整个固井过程施工顺利。

现场试验获得成功后，2012年在塔里木油田碳酸盐岩区块5口井进行了不钻塞选择性完井工艺施工，具体施工情况见表2。

现场严格按照上述操作程序施工，作业顺利且安全可靠，满足了生产作业需求。选择性完井不钻塞筛管顶部注水泥工艺在现场成功应用，达到了有效封隔水层、漏失层以及碳酸盐岩分段开采、分段酸化等目的，满足了碳酸盐岩储层的开发需求。

5 结论与建议

1) 塔里木油田碳酸盐岩储层复杂多样，选择性完井工艺能够选择封固井段，能满足碳酸盐岩水平井多种开发模式的需求，可为碳酸盐岩油气藏的开发及产能挖潜提供技术方案。

表2不钻塞选择性完井工艺施工情况

Table2Applicationofplug-drilling-freeselectivecompletiontechnology

井号井深/m管串结构施工结果YM2-H306 637.00 盲板+固井开孔短节+管外封隔器+管外封隔器+固井开孔短节+管外封隔器+管外封隔器+尾管悬挂器成功YM322-4CH5 572.00 筛管+盲板+管外封隔器+短套管+固井开孔短节+尾管悬挂器成功YM321-7H5 574.00 盲板+管外封隔器+短套管+固井开孔短节+尾管悬挂器成功RP702C7 079.00 盲板+管外封隔器+短套管+固井开孔短节+尾管悬挂器成功YM7-14CH5 508.00 盲板+管外封隔器+短套管+固井开孔短节+尾管悬挂器成功

2) 不钻塞选择性完井采用“盲板+管外封隔器+固井开孔短节”的管串结构，工艺操作精度要求高，需要严格按照操作程序进行，才能保证各个工具均能正常工作，发挥选择性完井的技术优势。

3) 选择性完井工艺在施工过程中需两趟钻完成固井施工作业，影响了施工进度，因此建议进一步开展施工工具及工序的优化研究和现场试验。

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