高压固井施工的水马力设备配套技术<br/>——以四川盆地威远区块固井设备配套为例

高压固井施工的水马力设备配套技术
——以四川盆地威远区块固井设备配套为例

2016-03-09王纯全

天然气勘探与开发 2016年2期

王纯全

高压固井施工的水马力设备配套技术
——以四川盆地威远区块固井设备配套为例

王纯全

（中国石油集团川庆钻探工程公司井下作业公司）

随着非常规油气的勘探开发，高压固井施工逐渐增多，而固井设备配套经验不多。以四川盆地威远区块固井为例，引入固井施工水马力计算，采用工作负荷超过60%或者压力超过80%工作时间不超过5 min为原则，进行固井施工设备配置，形成了在高压小水马力条件下水泥车泵注水泥浆与顶替完井液的设备配套；在高压大水马力条件下水泥车泵注水泥浆与压裂车顶替完井液的设备配套，并成功运用于多个平台井，为以后高压固井施工设备配套方面提供技术基础和参考。图7表2参4

高压固井水马力设备配套页岩气威远区块

常规固井施工压力一般在25 MPa以下，随着页岩气勘探与开发，对固井要求越来越高，固井工艺逐渐改进；同时，对固井设备的高要求也日渐显现，尤其是油层套管固井时高或超高压顶替低密度完井液，更是需要设备的高性能与高稳定性[1-2]。施工设备配套要有效利用固井施工设备，既保障安全又降低了运行成本，威远区块固井均采用清水作为顶替液，对固井施工设备要求特别高，运用水马力进行设备配套，满足高压固井施工，形成了高压固井施工设备配套技术。

1 基本情况

四川盆地威远构造属于四川盆地川中隆起区的川西低陡褶带，钻探目的层为威远中奥顶构造东翼部的下志留统龙马溪组，龙马溪组为深水陆棚相碎屑岩，上部主要为绿灰色泥岩、页岩夹泥质粉砂岩，下部为灰色、灰黑色、黑色页岩，由于受乐山—龙女寺古隆的影响，厚度往威远东南方向变厚。加之地层倾角大，造成该区块龙马溪组埋深相差大（表1）。

表1 威202和威204区块基本情况

威远区块龙马溪组地层压力和坍塌压力高，钻井液密度高，为了减少固井完成后工作液密度降低的不利影响[3]和减少产生污水量的产生，油层固井均采用清水顶替。

2 固井设备配套

2.1 固井设备基本性能

国内常用固井设备主要有GJC44-21、GJC70-30、GJC100-26；压裂设备主要有YLC1650、YLC2000、YLC2500，对典型固井设备进行了筛选，其基本性能参数见表2。

表2 固井设备基本性能参数

2.2 柱塞泵的工作特性

根据SPM“ENGINERING BULLETIN1053”公报资料显示：柱塞泵设计采用的间隙工作周期及使用模式，柱塞泵在90%~100%额定工作压力下工作，工作时间不超过总工作时间的5%；柱塞泵在80%~90%额定工作压力下工作，工作时间不超过总工作时间的25%。详细推荐的工作时间见图1。

图1 柱塞泵推荐的工作时间

柱塞泵长时间工作，柱塞泵平均工作水马力不超过泵最大工作水马力的45%，柱塞泵最大工作压力不超过最大连杆推力（Maximum Rod Load）下工作压力的45%，柱塞泵排量不超过最大排量的80%，详细推荐的工作负荷见图2。

图2 柱塞泵推荐的工作负荷

3 水马力配套

3.1 固井施工设计

根据三种井身结构的固井设计，计算施工各阶段的预测压力和需要的水马力，水马力（HHP）=排量（m3/min）×压力（MPa）×22.34，主要有两种典型方案要求。施工方案1（图3）需要注水泥浆压力20～35 MPa，水马力600～1100 HHP；顶替完井液压力35～55 MPa，水马力1100～1800 HHP。施工方案2（图4）需要注水泥浆压力20～30 MPa，水马力400～600 HHP；顶替完井液压力20～52 MPa，水马力500～900 HHP。

图3 施工方案1固井设计压力与水马力

图4 施工方案2固井设计压力与水马力

3.2 设备水马力计算

柱塞泵一般有5～8个工作挡位，通常情况下固井和压裂设备所使用的发动机最高工作转速为1 800～2 100 r/min,为保证设备正常运行,液力传动箱在短时间的换挡操作后,必须在闭锁工况下运行,所以发动机实际工作转速为1 500～2 100 r/min[4]。在变速箱闭锁工况下，柱塞泵在2~5档时，可以适当降低排量来提高额定工作压力，略微提高设备在高压力下的工作能力。根据各设备在各档位工作最高压力与排量，计算出在不同压力下能输出的最大水马力（图5）。

图5 固井设备在不同压力条件下输出的最大水马力

由图5可知，GJC44-21额定压力和水马力均低，高压32 MPa时输出最大水马力只有200 HHP左右，显然不适合超高压施工。GJC70-30与GJC100-26最大工作压力与输出最大水马力基本相同，高压下输出最大水马力670～720 HHP。YLC2000在高压下输出水马力能达2000 HHP。

3.3 施工设备配套

固井施工中注水泥浆过程压力高，而顶替低密度完井液时由于静液柱压力差大造成施工压力很高，一般施工总时间不超过3 h，兼顾成本和场地限制，采用工作负荷超过60%或压力超过80%的工作时间不超过5 min原则进行固井施工设备配置[1]。

施工方案1配套：2台×GJC7030（或GJC100-26）+ 1台×YLC2000，采用2台×GJC7030（或GJC100-26）注水泥浆，压力42 MPa以内最大输出水马力1300～1440 HHP；采用1台YLC2000顶替完井液+2台GJC7030（或GJC100-26）备用顶替完井液，顶替压力35～55 MPa，最大输出水马力2000HHP。

施工方案2配套：3台×GJC7030（或GJC100-26），采用1台×GJC7030（或GJC100-26）注水泥浆，压力30 MPa以内最大输出水马力670～720 HHP；采用2台GJC7030（或GJC100-26）顶替完井液+1台GJC7030（或GJC100-26）备用顶替完井液，顶替压力25～45MPa，最大输出水马力1080～1380 HHP。

3 现场应用

威远区块进入工厂化开发阶段，成功运用水马力配套技术在W204H1、W204H4、W204H5、W204H6、W202H1、W202H3等平台上进行30井次以上的固井，施工顺利安全。以W204H5-4井油层固井为例，施工实时监测情况（图6），固井施工理论水马力与实际水马力对比，吻合度高（图7），（由于工具原因，实际顶替完井液排量略低于设计顶替完井液排量）。