海上單通道井鉆完井技術研究及應用

張海山 曹 磊 宮吉澤 李舜水

(中海石油(中國)有限公司上海分公司 上海 200030)

張海山，曹磊，宮吉澤，等.海上單通道井鉆完井技術研究及應用［J］.中國海上油氣，2015，27(5)：88-92.

東海平北地區斷塊發育，近年來在該地區發現了一大批具有油氣儲量小、油藏豐度低、單井產能低等特點的邊際油氣田。開發上述邊際油氣田須布置較多的生產井，應用常規的鉆完井技術難以達到經濟開發要求。單通道井一般采用小的井眼尺寸、簡化的井身結構及生產管柱設計，消耗材料少、占用鉆機時間少，能最大限度降低鉆完井費用，可實現經濟開發此類邊際油氣田［1-3］。國內外已有多個地區成功應用單通道井鉆完井技術并取得了顯著經濟效益，如泰國灣地區、卡塔爾North氣田、中國長慶蘇里格氣田和中國松南地區后五家戶氣田等［4］。從應用情況來看，單通道井鉆完井技術一般應用于氣田，特別是具有產能低、井壁穩定性好、無須防砂的氣田［4］。國內海上油氣田開發僅有部分油氣田采用小井眼側鉆工藝，尚未應用單通道井鉆完井技術［5］。因此，研究單通道井鉆完井技術對經濟開發海上中小型油氣田和邊際油氣田有著重要意義。本文以東海某油氣田開發為例，結合海上鉆完井技術，從井身結構設計、油套管一體化管柱工藝技術、固井生產管柱清潔控制技術、小尺寸深穿透射孔技術等方面開展研究，形成了一套海上單通道井鉆完井技術，大幅降低了作業成本，可為類似中小型油氣田和邊際油氣田開發提供借鑒。

1 單通道井鉆完井技術難點

單通道井鉆完井技術的主要難點表現在：

1)單通道井井身結構設計要求高，須綜合評估縮小井眼尺寸后對井壁穩定、機械鉆速、氣井產能和工期費用等的影響規律。

2)單通道井通徑尺寸較小(一般不大于76 mm)，射孔作業易發生阻掛，小尺寸管柱通徑要求較高，海上常規井下工具和管柱內徑不統一，因此須改進井下工具，設計安全經濟的單通道井完井管柱。

3)單通道井固井小尺寸管柱難以刮管，管柱內壁清潔要求較高；小井眼固井水泥漿量較小，頂替量不易控制；水泥漿附加量和計算量存在誤差，控制難度大，需從固井設計、工具和施工工藝等方面進行改進，確保管柱內壁清潔，保障射孔作業的順利。

4)單通道井僅能使用小直徑射孔器進行射孔完井，而國內現有小直徑射孔器存在射孔穿深不足、射孔效果不確定等問題，將影響單通道井的產能，因此須研制新型射孔器，滿足小尺寸管柱射孔要求。

2 關鍵技術和工藝措施

2.1 單通道井井身結構設計技術

2.1.1 井眼尺寸敏感性分析

1)井眼尺寸對井壁穩定的影響規律。隨著井眼直徑的減小，其所對應的坍塌壓力降低而破裂壓力增加，井壁穩定性變好。井壁穩定性變化幅度與井眼尺寸變化不成正比，井眼越小，變化幅度越大［6-7］。因此，應用單通道井井身結構不會引起鉆井井壁不穩定，更有利于作業安全。圖1給出了東海某井4 000 m井深處坍塌壓力隨井眼尺寸的變化規律，可以看出井眼尺寸為 φ311.2、φ215.9、φ152.4 mm時，井眼坍塌壓力分別為 1.29、1.26、1.17 g/cm3，即隨著井眼尺寸的減小，坍塌壓力明顯降低，井壁穩定性增強。

圖1 東海某井4000m井深處坍塌壓力隨井眼尺寸的變化規律Fig.1 Collapse pressure changing w ith the hole size of a well at 4 000 m depth in East China Sea

2)井眼尺寸對機械鉆速的影響規律。通過統計東海已鉆井井史資料，結合該地區地層可鉆性預測結果，并將根據海洋油氣田巖樣試驗得到的地層可鉆性系數與聲波時差的關系(即式(1))代入通用鉆速方程公式［8］(即式(2))，對單通道井與常規井各井段機械鉆速進行了對比，結果顯示當井眼尺寸由 φ444.5 mm+φ311.15 mm+φ215.9 mm 縮小為φ311.15 mm+φ215.9 mm+φ152.4 mm 后，一開鉆速與二開鉆速可分別增加73.73%和69.77%，而三開鉆速將下降36.55%。三開鉆速下降的原因是小井眼鉆井環空間隙小，小尺寸鉆具強度較低，排量、鉆壓、轉速、扭矩等鉆井參數都受到很大限制，導致φ152.4 mm井眼鉆速比φ215.9 mm井眼降低?？紤]到各井段的長度，改成單通道井井身結構后，總體

式(1)、(2)中：Kd為地層可鉆性系數；Δtp為聲波時差，μs/m；v為機械鉆速，m/h；A為鉆壓指數，A=0.536 6+0.199 3Kd；B為轉速指數，B=0.925 0-0.037 5Kd；C為地層水力指數，C=0.701 1-0.056 82Kd；D為鉆井液密度系數，D=0.976 73Kd-7.270 3；w為比鉆壓，kN/cm2；n為轉速，r/min；H為有效鉆頭比水功率，kW/cm2；ρ為實際或設計鉆井液密度，g/cm3。

3)井眼尺寸對氣井產能的影響規律。小井眼產能與常規井眼產能的比值可以反映小井眼產能下降的程度。以東海某氣田儲層為基礎，建立均質氣藏單井模型，模擬參數為：滲透率為40 mD，孔隙度為10%，前3年氣井定產量生產，3年后產量遞減。在相同工作制度下，分別對井眼尺寸為φ215.9 mm和φ152.4 mm的氣井產量進行了模擬，結果顯示當井眼尺寸由φ215.9 mm縮小為φ152.4 mm后，對產量的影響僅減少4%左右，并且生產后期隨著產量的遞減，井眼尺寸對產量幾乎無影響。

4)井眼尺寸對鉆井材料費用的影響規律。當單通道井井身結構由φ444.50mm井眼×φ339.72mm套管+φ311.15 mm井眼×φ244.48 mm套管+φ215.90 mm井眼×φ177.80 mm套管變為φ311.15 mm井眼×φ244.48mm套管+φ215.90mm井眼×φ177.80mm套管+φ152.40 mm井眼 ×φ88.90 mm套管后，一開套管質量每米減少30%、井筒容積每米減少50%、套管環空容積每米減少55%，二開套管質量每米減少38%、井筒容積每米減少51%、套管環空容積每米減少60%，三開套管質量每米減少68%、井筒容積每米減少50%，整個鉆完井過程中所需的套管、鉆完井液及固井材料將大幅度減少，作業成本隨之大幅降低。

2.1.2 單通道井井身結構設計

基于上述井眼尺寸對井壁穩定、機械鉆速、油氣井產能及鉆井材料費用等影響規律的研究認識，當井眼尺寸由 φ444.50 mm+φ311.15 mm+φ215.90 mm縮小為φ311.15 mm+φ215.90 mm+φ152.40 mm后，可以提高鉆井速度，節省油套管、上可提高機械鉆速。鉆井液及固井水泥漿等材料，大幅降低鉆井工期和費用。因此，在綜合考慮東海某油氣田地層情況的條件下，設計了我國海上首個單通道井的井身結構，如圖2所示。

圖2 東海某單通道井的井身結構圖Fig.2 A monobore well casing program in East China Sea

2.2 單通道井油套管一體化管柱工藝技術

應用單通道井鉆完井技術可以實現油管兼作生產套管的油套管一體化。單通道井生產管柱的下入可分2種方式：一趟下入式單通道井生產管柱，即將管柱一趟下入后直接固井，其特點是須使用可固井式井下安全閥等井下工具，固井后可靠性不太確定，且均為國外專利產品，價格高、供貨周期長；兩趟下入式單通道井生產管柱(圖3)，即先將下部管柱作為尾管下入并進行尾管固井作業，之后回接上部管柱，其特點是選用常規井下工具，無須考慮固井水泥漿對工具的影響，作業安全、可靠，并可在上部生產管柱聯接氣舉工作筒等工具。因此，綜合考慮作業安全和經濟效益，東海某單通道井采用兩趟下入式生產管柱。

圖3 兩趟下入式單通道井一體化管柱圖Fig.3 A monobore well completion string w ith two trips

同時，為保障射孔作業安全，將回接密封總成和井下安全閥擴徑以保證生產管柱全通徑，并設計上部生產管柱插入特殊引鞋以防止射孔槍阻掛等，保障電纜起下射孔槍的作業安全。

根據上述分析，設計出了我國海上第1口單通道井生產管柱，如圖4所示。

圖4 東海某單通道井管柱圖Fig.4 A monobore well com pletion string in East China Sea

2.3 單通道井固井生產管柱清潔控制技術

針對小尺寸管柱難以刮管和射孔作業對生產管柱內壁清潔要求高的難題，進行了針對性的技術改進，多舉措防止水泥漿上返過高而倒灌入尾管掛，確保管柱內壁清潔，保障射孔作業的順利，具體措施如下：

1)分析水泥漿附加量和計量誤差，設計加長尾管重疊段(增加至400 m)，防止水泥漿上返過高倒灌入尾管掛內，避免造成水泥漿殘留而導致射孔槍無法下入。

2)優選射孔液和海水作為頂替液，并應用可變徑膠塞，確保進入管柱內的為無固相液體，同時保證頂替效果。

3)改進頂替作業方式和流程，全程使用排量易控制的固井泵頂替，精確控制頂替量；設計可接頂驅的井口水泥頭，應用專用管線頂替，實現注水泥漿和頂替采用不同管線，使固井頂塞以上無水泥漿殘留。

4)改變傳統的單一計量方式，使用泥漿池體積、固井水柜刻度、管線流量計等多途徑多方法計量相互校正，精確計量水泥漿頂替量。

2.4 小尺寸深穿透射孔技術

由于單通道井通徑較小(一般不大于76 mm)，僅能使用小直徑射孔器進行射孔完井，而現有的小直徑射孔器存在射孔穿深不足、射孔效果不確定的問題，將影響單通道井的產能。根據聚能射流破甲理論，對有槍身和無槍身射孔器進行對比，通過優化射孔槍和射孔彈設計方案，進行了單發射孔對比試驗和整槍打靶驗證，最終研制了槍身直徑小、射孔彈穿透性高、射孔后本體膨脹量小的新型63型有槍身射孔器(表1)。該射孔器可滿足過φ88.90 mm油管射孔深穿透、小空間安全作業等要求，可以提高φ88.90 mm套管的射孔效果。

表1 所研制的新型63型有槍身射孔器參數Table 1 Parameters of the new developed type-63 perforator w ith gun body

3 應用效果

海上單通道井鉆完井技術在東海某單通道井成功進行了應用，與常規井相比，該井套管費用節省了34%，巖屑處理費、鉆完井液費用減少了50%，固井水泥費用減少了43%，并且固井質量全優，鉆井工期縮短4.2%，完井工期縮短44.78%，初期平均產量達到配產要求，經濟效益明顯。目前，海上單通道井鉆完井技術已推廣應用于東海西湖凹陷平北地區某氣田的開發井作業，具有較好的推廣應用價值。

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