宁东工区二级结构水平井固井工艺应用现状与分析
2014-11-10刘铁军
刘铁军
摘 要：为进一步提高钻井效率，宁东工区二级结构水平井二开直接钻进至B点完钻，采用水平段下入筛管（或裸眼）+套管的管柱结构，应用管外封隔器（或水泥伞）将水平段与A点上部地层分隔开来并通过分级注水泥器实现上部注水泥作业。该文通过6口井的应用实验，总结分析了该工艺技术的工艺难点，提出了提高二级结构水平井固井工艺可靠性的技术措施。
关键词：水平井 套管串结构 管外封隔器 模拟通井 压力控制
中图分类号：TE256 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（c）-0097-02
1 二级结构水平井固井工艺概况
为进一步提高钻井效率，宁东工区部分水平井采用了二级井身结构，即二开直接钻进至B靶点完钻，水平段采用裸眼或下入筛管，套管下至A靶点附近并实施上部注水泥作业。典型井身结构及套管程序见表1，表2。
该种结构水平井主要通过管外封隔器（或水泥伞）将水平段与上部环空分隔，通过盲板将水平段与套管内封隔，再通过分级注水泥器实现上部注水泥作业。
其优点主要有：（1）取消三开钻井，大大提高了钻井效率，可有效缩短建井周期；
（2）技术套管规格由177.8 mm改为139.7mm，可节省钢材，降低成本；
（3）与177.8mm套管相比，下入139.7 mm套管增大了套管与井壁间的环状间隙，可降低环空摩阻，进而降低井漏的风险；
（4）可避免水泥浆对水平段产层的污染。
其难点主要有：
（1）对入井工具（管外封隔器、盲板、分级注水泥器等）的可靠性要求较高，封隔器能否有效胀封、分级注水泥器能否正常开孔、顺利关闭对固井施工将产生直接影响；
（2）由于受井眼轨迹及井身质量的影响，套管串（含筛管）顺利下至预定位置的难度较大；
（3）因井漏或管外封隔器胀封失效等原因导致水泥浆进入水平段产层，将对后期试油气作业造成较大影响。
2 二级结构水平井固井工艺应用现状
2.1 套管串结构类型
宁东工区已完成6口二级结构水平井的施工，其管串结构分为以下3种类型：
类型1：引鞋（带盲板）+3根套管（每根加装水泥伞1个）+循环孔打开式免钻分级注水泥器+套管串，此种类型应用于NP8、NP13井。
类型2：引鞋+盲板短节+1根套管+管外封隔器+1根套管+管外封隔器+1根套管+压差式分级注水泥器+套管串，此种类型应用于NP11井。
类型3：引鞋+筛管串+盲板短节+1根套管+管外封隔器+1根套管+管外封隔器+1根套管+压差式分级注水泥器+套管串，此种类型应用于NP10、ND27P6、NP15井。
2.2 固井施工简况
二级结构水平井固井水泥浆浆柱结构设计为双密度两凝体系，领浆设计密度1.25～1.30 g/cm3，封固造斜点以上井段，设计稠化时间240-300 min；尾浆设计密度1.75 g/cm3，封固造斜点以下井段，设计稠化时间100 min左右。施工简况详见表3。
NP11井在采用第1种类型管串结构下套管中途准备开泵循环时，发生蹩泵，被迫起出套管。经检查发现循环孔打开式分级注水泥器的关闭套已经提前关闭，改用第2种类型管串结构重新下套管后进行固井作业。NP15井下套管中途遇卡，剩余17根套管未入井，被迫实施固井作业。
2.3 固井施工结果
二级结构水平井注水泥及替浆过程中除NP11、NP13井替浆中、后期发生漏失外，其余各井均连续正常。施工结果详见表4。
NP11井由钻井队负责后期水平段扫塞作业，扫塞后顺利进入试油作业。
NP13井在后期扫塞作业时发生事故，严重影响了工期和试油作业。
NP15井因套管中途遇卡，被迫实施固井作业，漏封A点以上170余m井段，给后期试油作业造成一定影响。
3 二级结构水平井固井工艺应用分析
3.1 水平段（目的层）存水泥原因
在水泥浆浆柱结构设计、施工压力控制基本相同的情况下，发生漏失的NP11、NP13井裸眼段存有水泥，分析原因主要有：
（1）由于水平段（目的层岩性砂岩）地层压力较低，固井施工及候凝过程中因压力增加而发生水泥浆下行。
（2）管外裸眼封隔器（或水泥伞）未能充分起到封隔、阻挡环空水泥浆下行进入裸眼段的作用。
在同等条件下，NP8、NP10和ND27P6井未发生漏失，后期作业正常，裸眼段未发现水泥，实现了设计目的。对比NP11、NP13井的情况，说明漏失对该固井工艺成功率影响较大。
3.2 套管中途遇卡原因
NP15井下套管中途遇卡，剩余17根套管未入井，经反复上提下放均未能解卡，分析原因主要有：
（1）设计靶前距较小（250.03 m）、井眼曲率及曲率变化较大（封隔器卡点位置曲率7.05～7.82 °/30 m）且不规则，是造成本次套管串遇阻卡的主要原因；
（2）通井管柱组合为：81/2″钻头+61/2″双扶正器+5″钻杆，通井时起下钻比较顺畅。封隔器组合最大外径为：下封隔器178 mm、上封隔器178 mm，长度分别为3 m、4.29 m，且连续安放3只刚性扶正器（最大外径211 mm），管串刚性较强，与井眼间隙较小，不利于管串顺利下入；
（3）该管串组合为：引鞋+筛管串+盲板短节+封隔器+1根套管+封隔器+1根套管+分级注水泥器+套管串，由于使用了盲板，套管串为死腔，一旦发生遇阻卡情况不能进行循环。
3.3 入井工具性能对固井工艺的影响
在管串结构中使用管外封隔器或水泥伞的目的是实现环空分隔，满足上部注水泥作业的工艺需要。由NP11、NP13井的施工结果可知，两口井均未能达到工艺要求的有效分隔，因此在水平段（裸眼或筛管段）有可能发生漏失井采用该固井工艺时，工具的可靠性就成为至关重要的影响因素。endprint
水泥伞是在注水泥过程中防止水泥浆通过水泥伞下窜，起隔离水泥浆的作用。其工作原理是固井结束时，在环空液柱压力的作用下使锥形胶皮筒（或帆布筒）张开，阻止水泥浆下沉，可称为“被动隔离”。其优点是结构简单，使用方便，成本低。
管外封隔器则是采用水力膨胀式结构，液体经限压阀进入中心管与胶筒间的膨胀腔内，使封隔器胶筒膨胀与井壁紧密接触形成密封，起到封隔和桥堵的作用，可称为“主动隔离”。其优点是由于使用了自锁装置可使膨胀腔内的压力保持不变，因而封隔器胶筒与井壁间可实现长时间封隔密封。相对于水泥伞而言，其结构复杂，操作程序多，成本较高。
通过对管外封隔器和水泥伞工作原理及使用材料进行对比分析，可以得出结论：在使用条件相同的情况下，管外封隔器顺利胀封后的封隔效果好于水泥伞。
分级注水泥器的可靠性对固井工艺的实施同样至关重要。若分级注水泥器无法正常开孔将直接导致无法正常实施固井作业；关闭套若无法关闭则会形成隐患，对套管串的长期密封性产生影响。
4 提高二级结构水平井固井工艺可靠性的技术措施
通过对已施工6口井的对比、分析，如何确保套管串顺利下放到位、防止井内发生漏失和提高入井工具的可靠性是提高二级结构水平井固井工艺可靠性的的关键问题所在。
4.1 确保套管串下放到位
（1）在钻井设计与施工阶段，充分考虑套管串组合形式及其允许下入的最小曲率半径与井眼轨迹的关系。通过合理的井眼轨迹设计与控制，为套管串顺利下放到位提供先决条件。
（2）下套管前，采用不小于套管串刚度的管柱组合进行模拟通井，并达到起下管柱顺畅无阻卡为通井合格。
（3）调整钻井液性能，加入润滑材料，提高润滑性，减小下套管摩阻。
（4）控制套管下放速度，及时灌浆，套管进入造斜点以后密切关注摩阻变化情况，避免出现大吨位强压或强拉，防止出现套管粘卡。
（5）合理选择并安放扶正器。
4.2 防止井内漏失
（1）钻井过程中发现有漏失迹象及时采取措施，应用随钻堵漏等技术措施提前进行处理和预防，必要的时候应进行承压堵漏作业；
（2）下套管前应调整钻井液性能，在确保井内安全的前提下，降低钻井液的粘度、切力；发生井内漏失，应先期进行堵漏作业，必要时应进行承压试验。
（3）下套管过程中应严格控制套管下放速度，防止因激动压力过高而压漏地层。
（4）在确保“压稳”的前提下，通过合理的水泥浆柱结构设计和压力控制，降低注水泥作业时发生漏失的风险。
4.3 提高入井工具可靠性
（1）通过广泛的市场调研和应用统计，选择质量好、信誉高、服务技术强的供货方为供应商；
（2）工程技术人员熟知并掌握入境工具结构、性能、工作原理和使用（操作）方法，以最大限度的发挥工具的效用。
（3）严格执行入井工具的检验和操作规程，加强工具入井前的检查或试验，杜绝工具“带病”入井。
（4）管外封隔器胀封位置应选择在岩性较致密稳定、井眼规则、井斜较小且井径小于封隔器有效胀封外径的井段。
（5）在设备、机具保障上满足工具操作的需要和要求。
5 结论与认识
（1）二级结构水平井固井工艺可有效缩短建井周期，减少钢材使用量，适用性较高，具有推广价值。
（2）由于套管串结构复杂，入井工具较多，对井眼轨迹和井身质量提出了更高的要求。
（3）下套管前的模拟通井对能否实现套管串下放到位至关重要，模拟通井顺畅可大大提高套管串到位率。
（4）严格执行入井工具的检验和操作程序，可大大提高工具的可靠性。
（5）通过优化水泥浆柱结构设计和注水泥作业中的压力控制，可在一定程度上降低漏失风险。
（6）可与工具厂商协作研究，继续优化管串结构。
参考文献
[1] 钻井手册（甲方）写组.钻井手册（甲方）[M].石油工业出版社，1990.
[2] 徐惠峰.钻井技术手册（三）固井[M].石油工业出版社，1990.
[3] 周全兴.钻采工具手册（上）[M].科学出版社，2002.
[4] 朱礼平，肖国益.模拟下套管技术在河坝区块大斜度井中的应用[J].天然气工业 2010，30（1）.
[5] 王翔，党冰华.NP8等6口井钻井工程设计[D].华北分公司工程技术研究院.endprint
水泥伞是在注水泥过程中防止水泥浆通过水泥伞下窜，起隔离水泥浆的作用。其工作原理是固井结束时，在环空液柱压力的作用下使锥形胶皮筒（或帆布筒）张开，阻止水泥浆下沉，可称为“被动隔离”。其优点是结构简单，使用方便，成本低。
管外封隔器则是采用水力膨胀式结构，液体经限压阀进入中心管与胶筒间的膨胀腔内，使封隔器胶筒膨胀与井壁紧密接触形成密封，起到封隔和桥堵的作用，可称为“主动隔离”。其优点是由于使用了自锁装置可使膨胀腔内的压力保持不变，因而封隔器胶筒与井壁间可实现长时间封隔密封。相对于水泥伞而言，其结构复杂，操作程序多，成本较高。
通过对管外封隔器和水泥伞工作原理及使用材料进行对比分析，可以得出结论：在使用条件相同的情况下，管外封隔器顺利胀封后的封隔效果好于水泥伞。
分级注水泥器的可靠性对固井工艺的实施同样至关重要。若分级注水泥器无法正常开孔将直接导致无法正常实施固井作业；关闭套若无法关闭则会形成隐患，对套管串的长期密封性产生影响。
4 提高二级结构水平井固井工艺可靠性的技术措施
通过对已施工6口井的对比、分析，如何确保套管串顺利下放到位、防止井内发生漏失和提高入井工具的可靠性是提高二级结构水平井固井工艺可靠性的的关键问题所在。
4.1 确保套管串下放到位
（1）在钻井设计与施工阶段，充分考虑套管串组合形式及其允许下入的最小曲率半径与井眼轨迹的关系。通过合理的井眼轨迹设计与控制，为套管串顺利下放到位提供先决条件。
（2）下套管前，采用不小于套管串刚度的管柱组合进行模拟通井，并达到起下管柱顺畅无阻卡为通井合格。
（3）调整钻井液性能，加入润滑材料，提高润滑性，减小下套管摩阻。
（4）控制套管下放速度，及时灌浆，套管进入造斜点以后密切关注摩阻变化情况，避免出现大吨位强压或强拉，防止出现套管粘卡。
（5）合理选择并安放扶正器。
4.2 防止井内漏失
（1）钻井过程中发现有漏失迹象及时采取措施，应用随钻堵漏等技术措施提前进行处理和预防，必要的时候应进行承压堵漏作业；
（2）下套管前应调整钻井液性能，在确保井内安全的前提下，降低钻井液的粘度、切力；发生井内漏失，应先期进行堵漏作业，必要时应进行承压试验。
（3）下套管过程中应严格控制套管下放速度，防止因激动压力过高而压漏地层。
（4）在确保“压稳”的前提下，通过合理的水泥浆柱结构设计和压力控制，降低注水泥作业时发生漏失的风险。
4.3 提高入井工具可靠性
（1）通过广泛的市场调研和应用统计，选择质量好、信誉高、服务技术强的供货方为供应商；
（2）工程技术人员熟知并掌握入境工具结构、性能、工作原理和使用（操作）方法，以最大限度的发挥工具的效用。
（3）严格执行入井工具的检验和操作规程，加强工具入井前的检查或试验，杜绝工具“带病”入井。
（4）管外封隔器胀封位置应选择在岩性较致密稳定、井眼规则、井斜较小且井径小于封隔器有效胀封外径的井段。
（5）在设备、机具保障上满足工具操作的需要和要求。
5 结论与认识
（1）二级结构水平井固井工艺可有效缩短建井周期，减少钢材使用量，适用性较高，具有推广价值。
（2）由于套管串结构复杂，入井工具较多，对井眼轨迹和井身质量提出了更高的要求。
（3）下套管前的模拟通井对能否实现套管串下放到位至关重要，模拟通井顺畅可大大提高套管串到位率。
（4）严格执行入井工具的检验和操作程序，可大大提高工具的可靠性。
（5）通过优化水泥浆柱结构设计和注水泥作业中的压力控制，可在一定程度上降低漏失风险。
（6）可与工具厂商协作研究，继续优化管串结构。
参考文献
[1] 钻井手册（甲方）写组.钻井手册（甲方）[M].石油工业出版社，1990.
[2] 徐惠峰.钻井技术手册（三）固井[M].石油工业出版社，1990.
[3] 周全兴.钻采工具手册（上）[M].科学出版社，2002.
[4] 朱礼平，肖国益.模拟下套管技术在河坝区块大斜度井中的应用[J].天然气工业 2010，30（1）.
[5] 王翔，党冰华.NP8等6口井钻井工程设计[D].华北分公司工程技术研究院.endprint
水泥伞是在注水泥过程中防止水泥浆通过水泥伞下窜，起隔离水泥浆的作用。其工作原理是固井结束时，在环空液柱压力的作用下使锥形胶皮筒（或帆布筒）张开，阻止水泥浆下沉，可称为“被动隔离”。其优点是结构简单，使用方便，成本低。
管外封隔器则是采用水力膨胀式结构，液体经限压阀进入中心管与胶筒间的膨胀腔内，使封隔器胶筒膨胀与井壁紧密接触形成密封，起到封隔和桥堵的作用，可称为“主动隔离”。其优点是由于使用了自锁装置可使膨胀腔内的压力保持不变，因而封隔器胶筒与井壁间可实现长时间封隔密封。相对于水泥伞而言，其结构复杂，操作程序多，成本较高。
通过对管外封隔器和水泥伞工作原理及使用材料进行对比分析，可以得出结论：在使用条件相同的情况下，管外封隔器顺利胀封后的封隔效果好于水泥伞。
分级注水泥器的可靠性对固井工艺的实施同样至关重要。若分级注水泥器无法正常开孔将直接导致无法正常实施固井作业；关闭套若无法关闭则会形成隐患，对套管串的长期密封性产生影响。
4 提高二级结构水平井固井工艺可靠性的技术措施
通过对已施工6口井的对比、分析，如何确保套管串顺利下放到位、防止井内发生漏失和提高入井工具的可靠性是提高二级结构水平井固井工艺可靠性的的关键问题所在。
4.1 确保套管串下放到位
（1）在钻井设计与施工阶段，充分考虑套管串组合形式及其允许下入的最小曲率半径与井眼轨迹的关系。通过合理的井眼轨迹设计与控制，为套管串顺利下放到位提供先决条件。
（2）下套管前，采用不小于套管串刚度的管柱组合进行模拟通井，并达到起下管柱顺畅无阻卡为通井合格。
（3）调整钻井液性能，加入润滑材料，提高润滑性，减小下套管摩阻。
（4）控制套管下放速度，及时灌浆，套管进入造斜点以后密切关注摩阻变化情况，避免出现大吨位强压或强拉，防止出现套管粘卡。
（5）合理选择并安放扶正器。
4.2 防止井内漏失
（1）钻井过程中发现有漏失迹象及时采取措施，应用随钻堵漏等技术措施提前进行处理和预防，必要的时候应进行承压堵漏作业；
（2）下套管前应调整钻井液性能，在确保井内安全的前提下，降低钻井液的粘度、切力；发生井内漏失，应先期进行堵漏作业，必要时应进行承压试验。
（3）下套管过程中应严格控制套管下放速度，防止因激动压力过高而压漏地层。
（4）在确保“压稳”的前提下，通过合理的水泥浆柱结构设计和压力控制，降低注水泥作业时发生漏失的风险。
4.3 提高入井工具可靠性
（1）通过广泛的市场调研和应用统计，选择质量好、信誉高、服务技术强的供货方为供应商；
（2）工程技术人员熟知并掌握入境工具结构、性能、工作原理和使用（操作）方法，以最大限度的发挥工具的效用。
（3）严格执行入井工具的检验和操作规程，加强工具入井前的检查或试验，杜绝工具“带病”入井。
（4）管外封隔器胀封位置应选择在岩性较致密稳定、井眼规则、井斜较小且井径小于封隔器有效胀封外径的井段。
（5）在设备、机具保障上满足工具操作的需要和要求。
5 结论与认识
（1）二级结构水平井固井工艺可有效缩短建井周期，减少钢材使用量，适用性较高，具有推广价值。
（2）由于套管串结构复杂，入井工具较多，对井眼轨迹和井身质量提出了更高的要求。
（3）下套管前的模拟通井对能否实现套管串下放到位至关重要，模拟通井顺畅可大大提高套管串到位率。
（4）严格执行入井工具的检验和操作程序，可大大提高工具的可靠性。
（5）通过优化水泥浆柱结构设计和注水泥作业中的压力控制，可在一定程度上降低漏失风险。
（6）可与工具厂商协作研究，继续优化管串结构。
参考文献
[1] 钻井手册（甲方）写组.钻井手册（甲方）[M].石油工业出版社，1990.
[2] 徐惠峰.钻井技术手册（三）固井[M].石油工业出版社，1990.
[3] 周全兴.钻采工具手册（上）[M].科学出版社，2002.
[4] 朱礼平，肖国益.模拟下套管技术在河坝区块大斜度井中的应用[J].天然气工业 2010，30（1）.
[5] 王翔，党冰华.NP8等6口井钻井工程设计[D].华北分公司工程技术研究院.endprint
