隨鉆數據支持在規避大斜度井下套管風險中的實踐

孟瑄

中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司（天津 300452）

在大斜度井下套管作業施工中存在諸多風險。2015—2016年，中國南海兩口大斜度井在下尾管作業過程中，由于實際摩阻超過鉆前模擬值較多，導致下放過程中至少有500 m段長懸重余量小于10 t，存在下尾管遇阻后處理手段有限的風險；2020年，渤海兩口大斜度井由于鉆前未針對薄弱層進行激動壓力和開泵時ECD（循環當量密度）模擬，在下套管循環過程中發生漏失；2021年，渤海一口大斜度井下尾管作業由于需要克服較大摩阻，作業前決定采用旋轉下入尾管，而鉆井設計階段并未進行旋轉參數模擬，作業存在因參數選擇不當導致的下放懸重余量不足和旋轉扭矩超限風險。歷史井數據對模擬計算新鉆井工程參數具有很好的參考價值，合理選取參考的歷史井、科學地分析歷史井資料，指導對新鉆井下套管參數進行更精確的模擬，及時發現風險并提出規避方案，對保證作業安全和效率、降低作業風險及成本有重要作用。

1 隨鉆數據支持技術思路

1.1 靜態、動態井史數據庫

WELLVIEW 靜態井史數據庫和Discovery-Web動態井史數據庫，是行業內資料相對完善的井史數據平臺，其中存儲了自2004年以來的8 000 余口井的靜態井史資料和2014年至今4 000余口井的動態井史資料。

靜態井史數據庫包含已鉆井的地質分層、井身結構、井眼軌跡、鉆具組合、鉆井液性能等信息，可作為篩選相似對比井的條件。動態井史數據庫存儲了已鉆井及新鉆井已經發生的鉆壓、轉速、扭矩、懸重等隨鉆參數，以時間軸和深度軸兩種方式呈現可視化隨鉆曲線，并支持隨時下載數據。

1.2 參考井的篩選

在新鉆井下套管作業前，在靜態井史數據庫中通過以下條件篩選參考井：①選擇相同區塊或相鄰區塊；②選擇近似的井身結構，相應尺寸井眼段長差異在10%以內；③選擇相似的井眼軌跡，井斜角差異在15°以內，造斜點、穩斜點深度差異在總井深10%以內；④選擇相同的鉆井液體系，密度差別盡量小。相較其他條件，鉆井液密度是次要影響因素；⑤選擇尺寸相同的鉆桿和加重鉆桿，相似的鉆具組合。相較鉆桿和加重鉆桿，鉆具組合其他部件的差異影響為次要。

1.3 反演與模擬過程

選好參考的歷史井后，在動態井史數據庫中下載其實際下套管的懸重數據。對懸重數據進行條件篩選，去掉大鉤或頂驅上行和接立柱時間的數據，僅保留下放懸重。在專業工程軟件中導入上述數據，進行摩擦系數反演。若有多口參考井，可對多組摩擦系數進行加權平均，并保留其最大和最小的兩組，用平均摩擦系數、最大和最小摩擦系數進行新鉆井的下套管懸重模擬，這樣既能夠得到下套管懸重的大概率數值，又能夠掌握其可能出現的極限情況，并在隨鉆下套管懸重的監測過程中與模擬數值進行對比，以了解井眼實際情況與預想相比的復雜程度。

2 大斜度井下套管作業風險

2.1 下Φ244.5 mm套管懸重余量不足風險

H1 井是南海一口大斜度井，Φ311.1 mm 井眼深4 723 m，下Φ244.5 mm 套管實際裸眼摩擦系數0.65，遠高于設計，下入1 500～2 200 m 段時懸重余量不足5 t。設計人員在開鉆前對下套管懸重進行模擬時采用的摩擦系數往往基于經驗而缺乏針對性[1-2]。當實際摩擦系數高于設計時，可能發生下套管懸重余量不足而導致套管無法下放到位的風險。研究認為，用下套管前反演鉆具摩擦系數來模擬下套管懸重更準確[3]。另有研究認為，由于套管與井壁的接觸面積更大，下放造成的波動壓力的影響也大于鉆具，因而用鉆具摩擦系數來模擬下套管摩阻仍具有局限性[4]。文獻[5]對渤海地區15口井的下套管與鉆具摩擦系數進行了對比，結果顯示下Φ244.5 mm 套管的摩擦系數比鉆具普遍偏高，最大可高出0.33。

2.2 下套管激動壓力造成井漏的風險

L1 井是渤海一口大斜度井，深3 990 m，在Φ 215.9 mm 井眼內下Φ177.8 mm 尾管時井下發生漏失，下放速度0.4 m/s 時漏速為6～10 m3/h，后降低下放速度至0.1 m/s時漏速降低至1 m3/h以下。在下套管過程中，由于套管在井筒內流體中向下運動，會產生激動壓力，這種激動壓力會增加井底、管鞋和薄弱層的井筒壓力當量，在小環空間隙的下套管過程中這種激動壓力造成的影響尤為突出[6-8]。對于一些鉆井液安全密度窗口較窄的井段，如果不能準確控制套管下放速度，容易引起壓漏地層的風險。下套管時應控制上層管鞋等薄弱層位的井內有效液柱壓力低于地層破裂壓力，即靜液柱壓力與套管下放產生的激動壓力之和低于地層破裂壓力。工程上往往難以準確掌握地層的破裂壓力，故在下套管時常采用控制有效液柱壓力低于鉆井循環時的環空壓耗與靜液柱壓力之和[9]。

2.3 旋轉下尾管扭矩超過尾管掛承受能力的風險

大斜度井由于井斜大，鉆進時部分鉆具“躺”在井壁上運動，井眼通常存在鍵槽、臺階等不規則情況，井眼軌跡和井壁不平整性復雜，井眼清潔困難導致井內巖屑清除不徹底，導致下尾管時懸重余量不足，遇阻和下不到位的現象[10]。通常處理手段有小排量循環、上提下放活動管柱。但頻繁操作又會加重井眼復雜情況[11]。因此鉆井現場會采用旋轉下尾管的方式，以有效改善尾管下入時受到的阻力。K3 井是渤海一口大斜度井，深4 100 m，最大井斜73°，在Φ215.9 mm 井眼內下Φ177.8 mm 尾管時，由于鄰井存在實際下尾管懸重余量較小的現象，該井采用旋轉下入尾管。選取不同的旋轉速度、下放速度和泵排量，對下放摩阻和管柱旋轉扭矩的影響不同。因此有必要對不同參數下的摩阻扭矩進行模擬，以優選合理的參數。

3 K3井隨鉆數據模擬實例

3.1 K3井概況

K3 井各開次工程數據見表1。在K3 井的鉆井工程設計中，采用的下Φ244.5 mm 套管摩擦系數為套管內0.30，裸眼0.40。根據下套管前最后一趟測井鉆具上提下放懸重數據反演摩擦系數為套管內0.33，裸眼0.38。按照設計或測井鉆具反演的摩擦系數來模擬下套管懸重，均有約60 t的余量，套管可以順利下入。

表1 K3井各開次工程數據

K3 井二開鉆遇4 處斷層，具體見表2。二開鉆井液密度1.20 g/cm3，ECD 為1.27 g/cm3時井下發生漏失，漏速為6 m3/h。靜止堵漏后一直保持ECD 不高于1.27 g/cm3鉆進。因此需要以1.27 g/cm3為臨界ECD 來模擬下Φ244.5 mm 套管的安全下放速度及最大循環排量。

表2 K3井Φ311.1 mm井眼鉆遇斷層

3.2 下Φ244.5 mm套管懸重模擬

從靜態井史數據庫中通過條件篩選，選出了兩口適宜的參考井M1井和N2井，收集兩口井的軌跡、井身結構、套管規格、鉆具組合、泥漿性能等數據，又從動態井史數據庫中采集了兩口井下Φ244.5 mm套管及下套管前測井或通井鉆具下鉆懸重數據，進行了篩選，僅保留管柱純下放時的數據。用Landmark 軟件模擬了兩口井下鉆及下套管的摩擦系數，結果見表3。由表3可知，兩口井的下套管摩擦系數比下鉆摩擦系數高出了0.2～0.22；兩口井下套管過程中多段遇阻，套管到位后懸重余量均不足10 t。

表3 M1井和N2井套管及鉆具摩擦系數

根據上述參考井數據，判斷K3井下套管摩擦系數可能比鉆具摩擦系數高出0.2～0.22，按照摩擦系數附加值對下套管懸重進行模擬，套管到位后理論懸重為-1.32 t，表明套管不能順利下放到位。于是在此摩擦系數基礎上提出了套管漂浮方案，按照300、400、500 m 3 種漂浮段長，摩擦系數為套管內0.55，裸眼0.60進行下套管懸重模擬，套管到位后理論懸重余量提高到21、26、30 t。K3井下Φ244.5 mm套管采用了漂浮500 m 的方案，實際套管下放到位后懸重余量為31 t，如圖1所示。

圖1 K3井下Φ244.5 mm套管懸重模擬圖

3.3 下套管激動壓力和開泵時ECD 對薄弱層的影響模擬

通過在靜態井史數據庫中查找相同井段鉆遇F1～F4斷層的已鉆井，發現鉆遇F1和F3斷層的井并未發生漏失，但沒有鉆遇過F2 和F4 斷層的已鉆井，因此需要將這兩個斷層設為薄弱層，進行下套管激動壓力模擬。在相同工況下，鉆井液的流變性是泵壓和ECD 的主要影響因素。用模擬參數與實際參數擬合的方法，能夠選擇合理的鉆井液流型。選取常用鉆井液流型：賓漢模式、冪律模式和赫歇爾-巴克利（簡稱赫-巴）模式，結合Landmark 軟件模擬值與實際值對比，結果見表4。由表4 可知，采用冪律模式和赫-巴模式來模擬下套管激動壓力較為合理。

表4 3種流體類型模擬泵壓與實際泵壓對比

模擬下套管激動壓力在薄弱層的當量ECD 見表5。由表5 可知，當套管下放速度大于0.5 m/s，F4斷層處的ECD大于1.27 g/cm3，存在漏失風險。因此提示現場在下套管時控制下放速度不超過0.5 m/s。K3 井實際下套管速度不超過0.3 m/s，過程中未發生井下漏失。

表5 下Φ244.5 mm套管時F2、F4斷層處ECD

模擬下套管到位后開泵時薄弱層的ECD 見表6。由表6可知，當排量達到700 L/min 時，F4斷層處的ECD大于1.27 g/cm3，存在漏失風險。因此提示現場在循環時控制排量低于700 L/min。K3 井實際下套管到位后循環排量為400 L/min，過程中未發生井下漏失。

表6 下Φ244.5 mm套管到位后循環時F2、F4斷層處ECD

3.4 旋轉下尾管懸重與扭矩模擬

在鉆井工程設計中，K3井下Φ177.8 mm 尾管采用的摩擦系數是套管內0.30，裸眼0.40，模擬尾管到位后懸重余量為31.6 t，尾管能順利下放到位。根據兩口參考井M1井和N2井的實際下尾管數據反演摩擦系數，得到套管內摩擦系數為0.46，裸眼為0.51。據此模擬K3井下尾管到位時懸重余量不足10 t。

模擬旋轉下尾管，在給出不同下放速度、旋轉速度下，模擬的旋轉下尾管懸重與下入深度關系如圖2 所示，模擬旋轉尾管時的扭矩沿管柱深度分布如圖3 所示，表7 為模擬懸重和扭矩結果。由圖3、表7 結果可知，3 種旋轉工況的最小懸重均超過30 t，懸重余量足夠。由于3 種旋轉工況下的尾管懸掛器處扭矩均已接近懸掛器允許最大扭矩，故推薦采用扭矩相對較小的工況即下套管速度6 m/min、轉速15 r/min、排量500 L/min。K3 井實際下尾管采用推薦參數，最終尾管順利下放到位，最小懸重余量與最大扭矩與模擬值誤差在3%以內。

圖2 K3井下Φ177.8 mm尾管懸重模擬圖

表7 K3井下Φ177.8 mm尾管參數

圖3 K3井下Φ177.8 mm尾管扭矩模擬圖

4 結論

1）建立靜態和動態井史數據庫，在新鉆大斜度井下套管前通過條件篩選找出適合的參考井，調研參考井的摩阻、薄弱層等數據，再用以模擬新鉆井下套管參數，比僅依靠新鉆井設計和下套管前起下鉆數據得到的結果更準確，對現場作業選取合理參數、采取合理作業手段具有更好的指導作用。

2）在分析下套管摩阻時，可遵循“四步走”的分析程序：①反演得出本井下套管前下鉆摩擦系數a（若下鉆數據過少、參考性差，可采取起鉆摩擦系數）；②反演得出參考井下鉆（或起鉆）摩擦系數b和下套管摩擦系數c；③若a與b相差在0.05 以內，則本井下套管摩擦系數可直接采用c進行摩阻預測；④若a與b相差大于0.05，則考慮計算b與c的差值作為附加量，在a的基礎上進行附加進行摩阻敏感性預測。

3）對存在薄弱層的裸眼段下套管前，應模擬激動壓力和開泵ECD 是否存在壓漏薄弱層的風險。模擬前應先根據不同排量對應的泵壓來校核選取的流體類型，再進行激動壓力和開泵ECD模擬。

4）在大斜度井旋下尾管之前應進行懸重和扭矩的模擬，并結合尾管掛要求的扭矩極限，合理選擇尾管下放速度、管柱旋轉速度和泵排量，避免發生尾管下放不到位和扭矩超過管柱及配件極限的風險。在Φ215.9 mm 井眼內下Φ177.8 mm 尾管，推薦下入速度6 m/min，轉速15 r/min。