川東北超深水平井壓井工藝技術

劉 偉,李 麗,木合塔爾,張曉東

(1.中石化西南油氣分公司工程技術研究院,四川德陽618000;2.中國石油大學(北京),北京102249;3.西部鉆探工程有限公司,新疆克拉瑪依834009;4.中國石油勘探與生產分公司裝備處,北京100007)

川東北超深水平井壓井工藝技術

劉 偉1,2,李 麗1,木合塔爾3,張曉東4

(1.中石化西南油氣分公司工程技術研究院,四川德陽618000;2.中國石油大學(北京),北京102249;3.西部鉆探工程有限公司,新疆克拉瑪依834009;4.中國石油勘探與生產分公司裝備處,北京100007)

川東北水平井具有井深、壓力高、產量大、含硫化氫等特點,在鉆井和測試過程中經常因氣量大或措施不當需要進行壓井施工。前期的壓井方式和施工工藝是針對不同工況下的直井,應用于超深水平井的成功率不高。分析了川東北水平井在鉆井和測試過程中的壓井難點,優選出4種適合的壓井方式,并提出了適用工況和應注意的問題,為超深水平井安全、快速壓井提供了借鑒。通過在川東北HJ203H水平井的成功應用表明,初步形成的水平井壓井工藝技術能夠滿足川東北超深水平井壓井需要。

水平井;壓井;工藝

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

川東北地區是中國石化重點勘探開發區域,以海相地層為主要目的層,存在井深(＞5 000 m)、壓力高(＞110 MPa)、產量大(多口井無阻流量＞50×104m3/d)、含 H2S(嘉陵江組 H2S含量 1%)等特點[1],在鉆井和測試過程中經常因氣量大或措施不當而需要進行壓井施工,河壩1、清溪1等井均進行過壓井搶險作業。

隨著定向井、水平井鉆井數量的日益增多以及儲層保護要求的逐步提高,出現井涌的幾率也越來越大,相應的水平井壓井工藝還未完全配套,前期的壓井方式和施工工藝主要是針對不同工況下的直井,應用于超深水平井壓井成功率不高。本文對川東北水平井在鉆井和測試過程中的壓井難點進行了分析,優選出4種適合于水平井的壓井方式。

1 水平井壓井難點分析

川東北深井主要目的層較深,與常規直井相比,水平井壓井難度大。

a) 水平井儲層泄流面積大,高壓力情況下壓井難度大。由于川東北多口井鉆遇高產天然氣流,HB區塊天然氣產量普遍＞100×104m3/d,完井油管尺寸 ＞?88.9 mm,完井套管或襯管尺寸＞?139.7 mm,相應的完鉆井眼尺寸為?241.3 mm或 ?215.9 mm,地層壓力梯度 ＞2.0 MPa/100 m,最高為2.38 MPa/100 m。因此在高壓、高產情況下,水平井氣層泄流面積比常規直井大得多,壓井難度更大。

b) 水平段氣量和壓井液密度難以準確確定。水平井段通常是螺旋形,甚至B靶點低于A靶點,易使氣體圈閉在“頂部口袋中”[2]。對于襯管完井和裸眼完井的水平井,水平段氣量尤其是“頂部口袋中”積聚的高壓氣體很難準確預測,起鉆過程中鉆具的抽吸作用容易造成溢流,必須要逐漸加重壓井液。

c) 套管強度低,地層漏失壓力低,井口壓力控制難度大。由于水平井完井尺寸大,相應的套管尺寸較大,套管強度特別是抗內壓強度低,施工時水平段承受的液柱壓力不相等,存在激動壓力,井底更易漏失。因此需要綜合考慮套管抗內壓強度、地層漏失壓力、地面壓井設備能力等因素,以壓力最低值進行壓井施工。

d) 海相地層含 H2S,壓井液密度大,易壓漏地層。由于 H2S的存在,壓井液密度均取高限,按0.15 g/cm3計算,5 000 m垂深壓力增加7.5 MPa,在密度窗口較窄地層易壓漏地層。

e) 壓井時需要管串下至水平段底部循環。常規直井壓井只需在儲層段循環,而水平井進入水平段循環也只能將管串底部以上井段的氣體循環出井,很難將管串底部至井底的氣體循環出來。在完成1個起下鉆周期后,水平段氣體將大量聚集,通過循環罐的體積難以監測,井涌風險大。

f) 水平位移增大,壓井過程中的漏失幾率越大。根據國內高德利等人的研究成果[3]可知,進入水平段后的地層破裂壓力不變,隨著水平位移的延伸,環空壓耗越來越大,井底漏失壓力也越大,越易壓漏地層。因此壓井液密度不能只按地層壓力附加1個系數進行配制,還應考慮水平段長度和管串結構等,防止井底發生漏失。

2 壓井方式優選

壓井方法是關系到壓井成敗的關鍵。目前,國內外的壓井方法分為常規壓井法與非常規壓井法。常規壓井法主要有司鉆法、工程師法、循環加重法等[4],在特殊情況下還使用立管壓力法、體積控制法、硬頂法等,普遍采用U形管壓力平衡理論進行壓井施工。水平井具有儲層泄氣面積大、氣量大等特點,壓井施工時,需要對壓井方式進行優選,筆者通過調研川東北大斜度定向井、超深井壓井施工經驗,提出了適合于水平井完井施工的壓井方式。

2.1 正常情況下

由于在水平井壓井過程中需要循環多次才能排出水平段中的氣體,在壓井過程中很難控制立壓的下降值。因此在正常情況下,建議用循環法對水平井壓井,循環時間較直井長。循環壓井時不能將壓井液密度一次配制到位,應逐步提高,防止壓井過程發生井底漏失。

2.2 特殊情況下[5]

在常規循環壓井難以湊效的特殊情況下,可選擇3種壓井方式。

a) 當管柱下部刺漏、斷裂或測試時封隔器失封時,首選建立循環,采用循環法壓井。

b) 遇到管柱從中、上部斷裂時,首選循環法壓井;若不能建立循環,則通過放噴泄壓至35 MPa以內,采用直推法壓井或套管內置換法壓井。

c) 流體中含 H2S、嚴重井涌或無法開采時,應考慮套管抗壓能力和地面泵注設備壓力情況,采用直推法壓井或循環壓井,進入暫時封井步驟。

3 水平井壓井工藝技術

常用的水平井壓井方法主要有管串內循環法壓井、管串內直推法壓井、套管內直推法壓井和套管內置換法壓井4種方法。若在鉆井過程中壓井,井內管串為鉆具;若在完井測試過程中壓井,井內管串為油管串。

3.1 管串內循環法壓井

管串內循環法壓井是經常采用的壓井方式,在能夠建立循環的情況下,首選管串內循環法壓井。

a) 從鉆桿或油管內注入壓井液,邊循環邊脫氣,直到油壓和套壓相等。

b) 調整壓井液密度,從管串內注入,完成1～2個循環周期,直到油壓和套壓為零。

3.2 管串內直推法壓井

管串內直推法壓井的目的是將流體壓回地層。

a) 根據井內體積計算壓井液用量。

b) 采用清水+CMC隔離液+壓井液+堵漏漿+壓井液的漿柱結構。

c) 降低井口壓力至地面泵注設備許用壓力以下(川東北以35 MPa為限)。

d) 從管串內正注清水→CMC→壓井液等,計算好施工用量,在壓井液剛進入地層時結束泵注。

e) 若管串位于上部井段,壓井后將管串下至井底循環觀察,根據觀察結果確定下一步施工方案。

3.3 套管內直推法壓井

3.3.1 施工條件和方案

a) 若管串從上部斷裂,井口壓力不高,環空壓井液自動進入斷裂部位以下,即井內尚有較高液柱時,按照管串內直推法方案進行壓井。施工中應確保井口壓力小于套管承壓能力的80%,同時盡量保證井底回壓不超過地層破裂壓力。

b) 當管串斷裂位置較深、斷裂處以上壓井液被噴空、井口壓力較高時,調整壓井液密度,采用壓井液重漿+堵漏漿+壓井液漿柱結構套管內直推法壓井。

3.3.2 施工程序

a) 采取連續放噴降壓措施將井口壓力降至35MPa以下。

b) 向井內連續注入設計壓井液。

c) 壓裂車操作人員連續觀察和報告施工壓力,并控制套壓小于套管抗內壓的80%。

d) 若判斷地層漏失,則灌注堵漏漿。當堵漏漿進入氣層時,降低注入排量至0.5 m3/min,并觀察壓力變化;當堵漏漿被全部擠進地層后,停泵觀察壓力變化并連續記錄壓力值。

e) 根據施工情況及時分析資料數據,判斷井內是否噴漏。

3.4 套管內置換法壓井[6]

在管柱斷裂且斷裂位置較高、無法進行有效循環、采用強制壓回法壓井井口操作壓力超過套管抗內壓強度時,采用套管內置換法壓井。

a) 控制套壓小于套管抗內壓強度的80%,向井內灌注壓井液。

b) 當井口壓力不能滿足要求時,停泵關井,置換井內壓井液。

c) 當套壓達到規定值時,開井泄壓至35 MPa或噴口返漿后關井;當套壓上升緩慢時,開井泄壓至零或噴口返漿后關套壓。施工中應根據井內情況添加堵漏漿和調整壓井液密度。

d) 重復上述步驟,施工中密切注意套壓情況,當井口油、套壓均為零時,表明壓井成功。

4 應用實例分析

川東北 HJ203H井是針對嘉陵江組的一口超深水平井,完鉆井深5 767 m,水平段長500 m,預測地層壓力1.94 MPa/100 m,鉆井液密度2.13～2.15 g/cm3,采用貫眼完井方式,水平段以上為?177.8 mm油層套管,水平段為?139.7 mm襯管。在鉆掃水泥塞及盲板后起鉆作業時發現溢流0.6 m3,井內為700 m的?73 mm鉆桿,立即下鉆具,當下入第3根鉆桿柱時返漿量增大涌出鉆臺及防噴器,關閉防噴器上半封閘板實施關井。管串底井深786.52 m,返出壓井液密度為2.15 g/cm3,總量7.38 m3(含下入3根鉆桿柱應返壓井液0.41 m3)。關井后,套壓在10 min從零迅速上升至5.5 MPa,在7 min從5.5 MPa緩慢上升至6.5 MPa,到6.5 MPa時未繼續上升。根據井內情況和水平井壓井特點,采用2.4～2.5 g/cm3重漿+堵漏材料實施正循環壓井 ,排量0.25～0.4 m3/min,泵壓15～21 MPa,出口壓井液密度2.14～2.31 g/cm3,循環11 min后主放噴口點火成功,火焰高8～10 m,循環2 h后逐漸降至3～5 m,共泵入壓井液49 m3,返出39.38 m3,漏失9.62 m3。停泵后發現環空流體涌勢明顯,不具備下鉆具的條件。分析井內情況發現,在鉆具底部只能循環上部氣體,很難將鉆具以下井段進行循環脫氣。改用壓回法進行壓井,邊循環邊加大控制回壓造成井下微漏,讓重壓井液下行到目前鉆具以下2 000 m后再下鉆具,壓井液密度2.37～2.41 g/cm3,最高立壓16 MPa,套壓7.5 MPa,排量0.4 m3/min,循環2 h后井內穩定,立即下鉆具至水平段。采用循環法壓井解除了溢流情況。

5 結論

1) 建立在直井、定向井壓井工藝基礎上的川東北水平井壓井工藝技術雖然在多口井應用成功,但需要足夠的重漿和清水儲備作保證。

2) 選擇合理的壓井方式有助于安全、快速壓井,將安全風險降至最低。

3) 水平井壓井應以循環法壓井為首選,采取逐級加重方式,防止井底漏失后井噴。

4) 通井時應下至水平段底部循環,這一點與直井截然不同。

[1] 劉 偉,李 麗.通南巴深井優快鉆井技術[J].石油礦場機械,2008,37(9):78-82.

[2] 王瑞娥,汪海閣.水平井壓井方法[J].鉆采工藝,2005,28(2):11-13.

[3] 覃成錦,高德利.南海流花大位移井井身結構設計方法[J].石油鉆采工藝,2006,28(1):13-14,28.

[4] 井控培訓教材編寫組.鉆井井控工藝技術[M].東營:中國石油大學出版社,2008.

[5] 雷宗明,李 強.直推法壓井技術[J].天然氣工業,2000,20(3):54-56.

[6] 李運輝,黃 船,崔 進,等.置換法壓井技術在川東北河壩1井的成功應用[J].油氣井測試,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

西南油氣分公司重點攻關項目“河壩區塊定向井鉆井工藝技術應用研究”(GJ-109-0821)

劉 偉(1981-),男,四川成都人,工程師,在職碩士研究生,2003年畢業于成都理工大學,現從事鉆、完井工程設計與科研工作,E-mail:liuw1999@163.com。