深水表層套管內管法固井技術與應用

苗典遠

（中海石油能源發展股份有限公司監督監理技術分公司，天津塘沽300452）

深水鉆井與陸地和淺水鉆井相比，存在諸多技術難題［1-8］，如深水環境惡劣、表層地層疏松不穩定、淺層氣、淺水流［9-10］以及鉆井液密度窗口窄等，給深水表層套管的固井帶來了巨大的挑戰。據文獻報道，在里海、挪威海以及北海都曾經出現過淺水流問題［11］，造成了嚴重的后果，因此，保證表層套管的固井質量是后續作業的基礎。內管法固井是深水表層套管固井時普遍采用的一種固井方式，但在內管柱的下深和套管柱設計以及頂替量設計方面還缺乏一定的理論依據和統一的標準，這也是深水表層套管固井時所出現系列問題的根源。

1 深水表層套管固井原理及設計方法

1.1 井口密封式內管法固井技術原理

內管法固井工藝在普通淺水和陸地油田被普遍采用，但都是插入方式，即內管柱下部聯接插入頭，插入到表層套管的浮鞋中，為保證密封良好還要進行試壓。水泥漿和鉆井液可直接通過鉆桿循環至套管與井眼的環空之間，完成固井作業。但在深水鉆井過程中，由于水比較深（500 m 以上），如果水下井口還采用插入方式，會存在諸如檢驗密封、無法準確插入等問題。因此，在深水固井中采用了井口密封式內管法固井技術方法，即在水下高壓井口上部使用套管送入工具MRLD（mechanical rigid locked down），工具上附帶一個排氣閥（fill up valve），當環空灌滿海水后，關閉排氣閥，而從內管柱進入的液體只能從浮鞋、浮箍的循環至環空了，這樣內管柱的底部就可不插入到浮箍（或浮鞋）內，但距浮箍頂部要留有一定的距離，如圖1中的h。

圖1 深水內管柱固井工藝示意圖（固井前）

固井結束后，要求水泥面位于內管柱底部以下和浮箍以上的某個位置，即不會將內管柱封固在套管里，也不會將水泥漿頂替至浮箍以下。在某些深水油氣田，方法成熟后，在浮鞋的單流閥質量比較可靠的情況下，也可以不下浮箍，直接將水泥漿頂替至浮鞋以上8～10 m 處，同樣可以保證套管鞋處的固井質量，其理想狀態如圖2所示。

圖2 深水內管柱固井要求示意圖（固井后）

1.2 內管柱下入深度設計

深水表層套管固井時，內管柱底部和浮箍之間留有一段距離（圖1），對于這個距離，如果留的過長，頂替時間就會增加，另外，在套管內留下一個很長的水泥塞，將來鉆水泥塞的時間也會增加；相反，如果留的過少，固井時可能會將套管鞋處替空，影響固井質量，為下一井段的作業留下隱患。還有一種情況，一旦浮箍（或浮鞋）上面的單流閥失效，憋壓侯凝時，可能會把內管柱固定在20″套管內（俗稱插旗桿）。因此，需要科學設計一個合理的距離，在保證固井質量的同時，還要保證20″套管內有足夠長的水泥塞，為下一井段的繼續鉆進打好基礎［9］。因此，該距離的設計對于深水表層套管內管柱固井來說至關重要。目前國內還沒有相關的文獻報道。結合現場作業實際，對于深水表層套管內管柱的下深設計，需要從以下幾個方面考慮：①充分考慮泥漿泵的泵效，必要時，固井之前根據實際泵效準確計算水泥漿的頂替量。②準確計算內管柱和套管柱的長度、容積，為精確的固井計算奠定基礎，盡可能的降低或者避免人為誤差。③為保證套管鞋處的固井質量，套管內要留有合理高度的水泥塞，通常在浮箍以上留3～5 m。如果留的過少，無法保證套管浮鞋處的固井質量，影響下一井眼的繼續鉆進。如果水泥塞留的過長，鉆水泥塞的時間會增加，影響作業效率。④實際作業過程中，考慮一定的安全余量，一旦出現泵效計算不準，也可保證內管柱不被水泥漿固定在套管內。

1.3 內管柱下深計算方法

如果實際泵效與理論泵效之間存在誤差，必須保證套管內不會被替空，同時還要保證頂替結束時，內管柱不會被水泥漿封固，這樣頂替量的設計必須滿足如下要求：

式中：H——浮箍以上表層套管的長度，m；h——內管柱底部距離浮箍之間的距離，m；Δ——系統誤差，通常取1%～3%；R——套管容積，m3；r——內管柱容積，m3。

在深水表層固井作業中，內管柱需下入到表層套管里，通常內管柱長度在1 000 m 以上，根據實際計算結果，內管柱的底部與浮箍之間的距離通常不會超過10 m，因此，在計算初期，這一誤差可以忽略不計。以149.225 mm 套管（壁厚10.541 mm），容積為11.537 m3，其內管柱長度從1000～3000 m，泵效誤差分別為1%、2%、3%的誤差為例，將計算結果繪制成圖版，如圖3所示。

圖3 內管柱底部距浮箍之間的距離與套管下深的關系

從中可看出，在內管柱長度為2 000 m 時，考慮2%的泵效誤差，要想保證水泥漿不會被替空，同時還要保證內管柱不會被水泥漿封固，內管柱底部距離浮箍之間的距離應為5.30 m。在該條件下，將內管柱下到浮箍以上5.30 m 處，頂替水泥漿時，按照理論泵效，頂替至內管柱底部以下2.65 m 即可。如果實際頂替量比理論值高出2%，也只能頂替至浮箍位置，這樣可保證浮鞋和浮箍之間具有水泥漿封固；另外一種情況，實際頂替量比理論頂替值低2%，也可以保證頂替結束后水泥面在內管柱底部以下2.65 m，從而為作業提供了一定的余量，達到了安全作業要求。現場作業時，也可以根據內管柱和套管串的實際配長進行適當的調整，只要不少于該計算值，均可保證作業的安全。現場作業查閱此圖版，可為現場固井工藝設計提供了科學依據。

2 現場應用及效益

根據以上計算，即便在固井過程中，浮鞋、浮箍全部失效，按照設計頂替量頂替到位，便可憋壓侯凝，完全可以保證內管柱中的水泥漿被完全頂替出去，同時也可以保證套管內的水泥漿不會被替空［11］。此方法在海上多個油田進行了試驗，均取得了良好的效果，有效避免了插旗桿、留高塞和將套管鞋處替空的事故發生。另外根據統計，在504 mm表層套管內鉆水泥塞的機械鉆速平均為5～10 m／h，如表1所示。

表1 20"套管鉆水泥塞速度

根據近幾年的深水鉆井作業的成本分析，目前深水鉆井每小時的作業費用大約為30～40萬人民幣，折合每秒鐘為100元人民幣左右，因此，對于深水鉆井作業高昂的費用來說，每節約1分鐘，就可以節約數千元人民幣，經濟效益可觀。如果出現事故，處理事故的成本則會更高。由表1也可以看出，鉆井筒直徑相同的水泥塞，所用時間最大相差5小時（最短2.5小時，最大7.5小時），按照目前作業日費率，折合費用20多萬美元，經濟效益非常可觀。

3 結論與認識

（1）要想保證深水表層套管固井的成功，除了優質的水泥漿體系設計外，還要有良好的固井工藝和作業程序，從而為后續作業的成功奠定基礎。

（2）探索和研究深水作業過程中的技術工藝，可以完善和優化現場作業程序，提高作業的安全性和時效性，并可以節約大量的成本支出。

（3）為了保證作業的安全，可以在內管柱底部接兩根可鉆的玻璃纖維管（20～30 m 長），如果在固井過程中出現意外，可以將其拔斷，后續作業時可以直接鉆掉。

［1］ 姜向東，陳廷明，張水源.內管注水泥工具的研制與應用［J］.石油礦場機械，1999，28（6）：15-16.

［2］ 周站云，井口座封式內管法注水泥工具的研制與應用［J］.石油鉆探技術，2009，37（6）：58-60.

［3］ 王瑞和，齊志剛，步玉環.深水水合物層固井存在問題和解決方法［J］.鉆井液與完井液，2009，26（1）：78-82.

［4］ 張輝，高德利，劉濤，等.深水鉆井中淺層水流的預防與控制方法［J］.石油鉆采工藝，2011，33（1）：19-22.

［5］ 白云程，周曉惠，萬群，等.世界深水油氣勘探現狀及面臨的挑戰［J］.特種油氣藏，2008，15（2）：7-10.

［6］ 徐群，陳國明，王國棟，等.無隔水管海洋鉆井技術［J］.鉆采工藝，2011，34（1），11-13.

［7］ Ostermeier R M，Pelletier J H，Winker C D，et al.Dealing with shallow-water flow in the deepwater Gulf of Mexico［J］.The Leading Edge，2002，21（7）：660-668.

［8］ Joe F，George H.Deep star＇s evaluation of shallow water flow problems in the gulf of mexico［R］.Proceedings of offshore technology conference，Houston，Texas，1997.

［9］ 劉正禮，王躍增，唐海雄，等.深水無隔水管固井設計與應用［J］.石油天然氣學報，2010，32（6）：438-442.

［10］ 劉正禮，唐海雄，王躍增，等.深水噴射導管實用設計方法［J］.長江大學學報（自然科學版），2010，7（1）：189-192.

［11］ 潘廣業，陳玉同，孫瑞良等.安棚注采堿井固井技術［J］.石油地質與工程，2008，22（2）：104-106.