復(fù)雜深井地層測(cè)試的難點(diǎn)及管柱結(jié)構(gòu)的應(yīng)對(duì)策略

潘 登, 謝 勝, 舒 梅, 黃靖富, 李 杲

1中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司試修公司 2中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院3中國(guó)石油西南油氣田公司工程項(xiàng)目造價(jià)中心

0 引言

隨著油氣資源的勘探開發(fā)進(jìn)程向深部地層進(jìn)軍，出現(xiàn)了越來(lái)越多的深井超深井。與之相伴的是井底高溫高壓，復(fù)雜的地層條件和井筒不完整。苛刻的現(xiàn)狀，使得復(fù)雜深井的地層測(cè)試技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)上升，成功率降低，成本增加和效率受損[1- 4]，一系列的問(wèn)題，使之成為石油工程行業(yè)的一項(xiàng)世界性難題。

川渝地區(qū)是我國(guó)大量深井出現(xiàn)的典型地區(qū)之一。針對(duì)本地區(qū)深井的難點(diǎn)，經(jīng)過(guò)不斷的摸索和實(shí)踐，逐漸形成高效實(shí)用的復(fù)雜深井地層測(cè)試成套技術(shù)[5- 6]。特別是其地層測(cè)試管柱結(jié)構(gòu)，以一趟管柱即可實(shí)現(xiàn)射孔、酸化、測(cè)試等多項(xiàng)作業(yè)的聯(lián)作為目的，圍繞APR工具的使用，根據(jù)不同的地層條件和井筒狀況，在確保測(cè)試成功率和測(cè)試資料取全取準(zhǔn)的前提下，形成了典型的復(fù)雜深井射孔—酸化—測(cè)試聯(lián)作管柱(圖1)。但是，隨著射孔—酸化—測(cè)試聯(lián)作管柱的推廣應(yīng)用，新的問(wèn)題不斷出現(xiàn)，針對(duì)以下四種復(fù)雜情況，管柱結(jié)構(gòu)也有了針對(duì)性極強(qiáng)的應(yīng)對(duì)策略，并逐漸形成一系列優(yōu)化改進(jìn)的管柱結(jié)構(gòu)。

圖1 典型的復(fù)雜深井射孔—酸化—測(cè)試聯(lián)作管柱

1 封隔器以下尾管及射孔槍卡埋預(yù)防技術(shù)

為應(yīng)對(duì)復(fù)雜深井管柱卡埋的問(wèn)題，安全接頭的設(shè)置在管柱中必不可少。一般的認(rèn)識(shí)是整個(gè)管柱中最容易被卡埋的部位就是封隔器。解封過(guò)程中，若上提管柱懸重一直增加不能降下來(lái)，則操作人員判斷封隔器卡埋。后續(xù)處理措施則是上提管柱，拉斷封隔器上面的RTTS安全接頭張力套，然后通過(guò)反復(fù)的上提、下放及旋轉(zhuǎn)管柱的方式，倒開安全接頭。

但在射孔—酸化—測(cè)試聯(lián)作技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐過(guò)程中，上提管柱懸重一直增加不能降下來(lái)，其實(shí)有相當(dāng)多的情況是封隔器下部管柱尤其是射孔槍卡埋所致。又應(yīng)采取什么應(yīng)對(duì)措施來(lái)處理呢？在封隔器下部加入尾管安全接頭可以解決卡埋問(wèn)題(圖2)。與RTTS安全接頭相似，尾管安全接頭(圖3)也有張力套，遇卡后，需拉斷張力套，才能啟動(dòng)倒扣功能。但尾管安全接頭不需要反復(fù)上提、下放及旋轉(zhuǎn)管柱倒扣，只需要將管柱上提至原懸重后，直接正轉(zhuǎn)即可完成倒扣，避免與RTTS封隔器在操作上形成沖突。因?yàn)槲补馨踩宇^在張力套拉斷以后，其中心管可以自由伸長(zhǎng)1.2 m，則管柱在上提至原懸重以后，會(huì)有1.2 m的自由行程，這是RTT安全接頭的張力套拉斷以后無(wú)法提供的地面指示。操作人員也這是通過(guò)這一自由行程現(xiàn)象，判斷是封隔器還是射孔槍卡埋,從而采取不同的倒扣操作。

圖2 加入尾管安全接頭管柱

圖3 尾管安全接頭

應(yīng)用實(shí)例：ST7井棲霞組采用APR測(cè)試工具進(jìn)行射孔—初測(cè)—酸化—測(cè)試聯(lián)作工藝，測(cè)試管柱：射孔槍+篩管+油管+尾管安全接頭+RTTS封隔器+RTTS安全接頭+震擊器+液壓旁通+壓力計(jì)托筒+RDS循環(huán)閥+DB閥+油管+伸縮接頭+油管。該井經(jīng)射孔、初測(cè)、酸化、排液、測(cè)試、關(guān)井等工序后開啟RDS循環(huán)閥循環(huán)壓井。解封上提管柱時(shí)，懸重1 050↑1 800 kN保持2 min突降至1 350 kN，解封封隔器。繼續(xù)上提管柱，懸重1 350↑1 750 kN，上提遇卡；下放管柱懸重1 750↓900 kN，下放遇阻。經(jīng)反復(fù)上提下放管柱，丈量方余，測(cè)得管柱在懸重1 350 kN出現(xiàn)自由行程1.70 m(尾管安全接頭+安全接頭+震擊器自由行程之和)，驗(yàn)證封隔器解封成功，判斷封隔器以下管柱遇卡。在懸重750～1 900 kN之間，反復(fù)活動(dòng)管柱解卡無(wú)效。通過(guò)上提管柱至原懸重，正轉(zhuǎn)管柱，倒尾管安全接頭成功，起出尾管安全接頭以上所有管柱。

尾管安全接頭的使用，更利于井下卡點(diǎn)的判斷，并有利于封隔器等工具的起出，減少工具損失和井下復(fù)雜。尾管安全接頭已經(jīng)成為深井測(cè)試管柱的標(biāo)準(zhǔn)配置工具。

2 管柱機(jī)械操控技術(shù)

深部地層的破裂壓力往往較大，導(dǎo)致在進(jìn)行酸化作業(yè)時(shí)，泵注壓力非常高。為減小井下測(cè)試管柱和封隔器的壓差，確保管柱安全，套管需要較高的平衡壓力。而在這平衡壓力之上，還要預(yù)設(shè)諸如RDS閥、RD閥等工具的操作壓力窗口，多級(jí)壓力的疊加，最終的套管操作壓力可能超過(guò)其安全值[7]。另一方面，由于深井諸如固井難、套管回接質(zhì)量不高等因素，會(huì)進(jìn)一步降低套管承壓能力。在諸多不利因素疊加下，套管的安全承壓窗口無(wú)法滿足壓控式測(cè)試工具的操作需求。

擴(kuò)大套管的安全壓力窗口不可行，則可利用投球式常開閥和投球式常閉閥，替代OMNI閥和RDS、RD閥等工具(圖4)。投球式常開閥心軸及外筒循環(huán)孔對(duì)齊，并由銷釘鎖定，投球推動(dòng)心軸剪斷銷釘，心軸下行，關(guān)閉循環(huán)孔(圖5)。投球式常閉閥心軸及外筒循環(huán)孔錯(cuò)開，并由銷釘鎖定，投球推動(dòng)心軸剪斷銷釘，心軸下行，內(nèi)外循環(huán)孔對(duì)齊實(shí)現(xiàn)油套溝通(圖6)。井下管柱結(jié)構(gòu)由壓控式轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械操作式結(jié)構(gòu)，不再需要套管為井下工具提供操作壓力窗口，簡(jiǎn)化了套壓控制程序，提升了套管安全保障性能。

圖4 窄承壓窗口聯(lián)作管柱

圖5 投球式常開閥工作原理

圖6 投球式常閉閥工作原理

應(yīng)用實(shí)例：ST101井清水條件下套管最高承壓75 MPa。儲(chǔ)層改造采用密度為1.3 g/cm3加重酸，設(shè)計(jì)井口最高泵壓125 MPa。設(shè)計(jì)封隔器坐封在7 350 m，若按常規(guī)APR管柱配置，考慮RDS循環(huán)閥破裂盤設(shè)置70～75 MPa，酸化平衡壓力最高只能加至60 MPa。按測(cè)試管柱壓差70 MPa計(jì)算，酸化無(wú)排量條件下井口泵壓不能超過(guò)110 MPa，無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。優(yōu)化形成測(cè)試管柱：射孔槍+篩管+油管+尾管安全接頭+RTTS封隔器+RTTS安全接頭+投球式常開閥+震擊器+壓力計(jì)托筒+投球式常閉閥+油管+伸縮接頭+油管。管柱采用投球式常閉閥作為壓井通道，將平衡套壓提高至75 MPa，井口泵壓提高至125 MPa，滿足施工要求。

投球式工具在測(cè)試管柱中的應(yīng)用，操作簡(jiǎn)單可靠，大大釋放了套管承壓窗口，但其會(huì)影響管柱通徑，對(duì)井底流動(dòng)造成一定影響，并且造成一些作業(yè)階段的井筒完整性的不完整。需要在應(yīng)用之前作詳細(xì)的評(píng)估，制定完善的保障措施。

3 泵注式直堆壓井技術(shù)

測(cè)試期間操作RDS閥后，其球閥關(guān)閉，隔斷油管內(nèi)通道，其上部循環(huán)孔溝通油套。但在封隔器解封后，一些高產(chǎn)氣層，往往井漏嚴(yán)重，壓井堵漏作業(yè)成為難題。由于只能通過(guò)封隔器膠筒與套管之間的環(huán)空間隙以置換方式循環(huán)堵漏漿進(jìn)行堵漏(圖7)，但該間隙非常小，泥漿通過(guò)性差，造成堵漏作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，效率低，并且堵漏材料極易在此搭橋、沉淀，造成管柱卡埋等井下復(fù)雜。

圖7 常規(guī)堵漏工作原理

將管柱中的RDS閥替換成單向式關(guān)井循環(huán)閥可有效解決這一難題[8]。該閥工作原理類似RDS閥，即環(huán)空加壓打破破裂盤，利用心軸推動(dòng)閥板關(guān)閉，同時(shí)打開循環(huán)孔。但其閥板只能單向關(guān)閉，對(duì)于井筒流體向上流動(dòng)能夠有效阻斷，從閥板上部?jī)H需很小壓力即可推開閥板通過(guò)(圖8)。

圖8 單向式關(guān)井循環(huán)閥

應(yīng)用該工具在關(guān)井結(jié)束后，可直接泵注壓井液，推開閥板堵漏(圖9)，由于通過(guò)管柱內(nèi)直接泵注堵漏漿，堵漏材料可以大量、迅速的注入地層，并且堵漏材料的粒徑不受限制，堵漏作業(yè)可以迅速完成，避免了封隔器處堵漏材料搭橋卡埋的風(fēng)險(xiǎn)。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐表明，通過(guò)封隔器膠筒與套管之間的環(huán)空間隙以置換方式循環(huán)堵漏漿進(jìn)行堵漏的常規(guī)壓井堵漏方式，根據(jù)漏速和地層條件不同，通常作業(yè)周期在3～10 d不等，而應(yīng)用單向式關(guān)井循環(huán)閥在關(guān)井后進(jìn)行直推壓井，只需要1～2 d即可完成壓井堵漏，作業(yè)效率提高了3～5倍，減小了因堵漏造成二次井下復(fù)雜的幾率。

盡管該應(yīng)對(duì)策略的提出是針對(duì)測(cè)試后漏失嚴(yán)重的產(chǎn)層，實(shí)際上對(duì)于產(chǎn)層是否會(huì)漏失也只能基于前期鉆井資料和鄰近資料的分析，尤其是探井可借鑒的預(yù)判資料就更少。因此，不用糾結(jié)于地層是否漏失，未來(lái)應(yīng)該使用該閥全面替代RDS閥的應(yīng)用，并對(duì)循環(huán)堵漏的工藝作進(jìn)一步優(yōu)化即可全面滿足使用條件。

4 試油完井一體化技術(shù)

近年來(lái)提倡勘探開發(fā)一體化，以提升整體效益。一些探井的勘探層位在試油作業(yè)前即被要求考慮后期完井投產(chǎn)。由于探井儲(chǔ)層產(chǎn)能的不確定性，若直接按完井投產(chǎn)工藝作業(yè)，很有可能由于儲(chǔ)層不具備開采價(jià)值，而造成完井工具和管柱的浪費(fèi)，同時(shí)也容易造成勘探資料不能取全取準(zhǔn)。但若按常規(guī)先試油再完井的工序作業(yè)，會(huì)引起如下難題：①高產(chǎn)儲(chǔ)層在測(cè)試結(jié)束后，壓井堵漏卡埋井下管柱；②反復(fù)壓井堵漏作業(yè)傷害儲(chǔ)層，嚴(yán)重影響單井產(chǎn)能；③試油與完井分步作業(yè)，還需要經(jīng)歷多道工序才能完成，耗時(shí)長(zhǎng)，時(shí)效低[9]。

在管柱中加入具備脫接功能的封堵閥，再利用永久不可回收式封隔器代替RTTS封隔器(圖10)，實(shí)現(xiàn)試油完井一體化工藝的應(yīng)用，使時(shí)效性和成本控制得以很好地平衡。永久不可回收式封隔器可以確保對(duì)于環(huán)空的長(zhǎng)期有效密封[10]；脫接式封堵閥是一種具備RDS安全閥關(guān)井循環(huán)功能、安全接頭倒扣功能和錨定密封總成回插功能的新型多功能工具(圖11)，是本工藝成功實(shí)施的關(guān)鍵工具。

圖10 試油完井一體化管柱

圖11 試油完井一體化工藝流程

試油完井一體化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在測(cè)試作業(yè)結(jié)束后，脫接式封堵閥關(guān)閉油管通道，直接從該工具上部倒扣起出管柱，完成測(cè)試資料錄取，其球閥與封隔器一起封閉儲(chǔ)層。若測(cè)試層位具備投產(chǎn)價(jià)值，則將完井油管帶上配套插管及完井工具直接插入脫接式封堵閥中，打開球閥，“二次完井”投產(chǎn)(圖12)。

圖12 對(duì)接封堵閥

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐表明，應(yīng)用試油完井一體化工藝，單層試油周期可節(jié)約7～15 d；由于一體化管柱作業(yè)不需要壓井堵漏，對(duì)于高產(chǎn)易漏儲(chǔ)層，單層平均減少鉆井液漏失136.8 m3；整體效率提升30%以上。

該應(yīng)對(duì)策略的效益是非常明顯的，直接節(jié)約如作業(yè)周期、工具成本以及酸化改造等費(fèi)用，間接效益如儲(chǔ)層傷害得較小，產(chǎn)能的有效匹配等。其實(shí)施的有效性依賴對(duì)于實(shí)施層位、井筒條件以及作業(yè)時(shí)機(jī)的有效選擇，依賴關(guān)鍵工具性能對(duì)測(cè)試和完井不同要求的兼顧，更依賴配套工藝措施的不斷完善，才能使其得到更為廣泛的應(yīng)用。

5 結(jié)論和建議

(1)上述四種管柱應(yīng)對(duì)策略是對(duì)復(fù)雜深井四種難題的有效解決方案，現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用實(shí)踐也證明了其有效性。

(2)尾管安全接頭和單向式關(guān)井循環(huán)閥是具有廣泛適用性的應(yīng)對(duì)策略，已經(jīng)或即將成為未來(lái)的典型管柱組成部分。其余兩項(xiàng)應(yīng)對(duì)策略是一種非常有效的補(bǔ)充方案，可大大豐富復(fù)雜深井測(cè)試管柱系列。

(3)雖然近年來(lái)深井測(cè)試管柱有趨于簡(jiǎn)單的趨勢(shì)，這主要是考慮復(fù)雜深井測(cè)試的風(fēng)險(xiǎn)及對(duì)于測(cè)試成功率的保障而為之，隨之的結(jié)果是管柱功能的單一，造成資料無(wú)法取全取準(zhǔn)以及綜合作業(yè)成本的增加。因此，地層測(cè)試工程界的工程師還是應(yīng)繼續(xù)針對(duì)各種難題，從兩個(gè)方面做管柱的完善和改進(jìn)，即管柱綜合功能的全面豐富，或針對(duì)某一單一典型問(wèn)題的專項(xiàng)應(yīng)對(duì)。