乍得基巖注氣井膨脹管懸掛二次完井技術(shù)

劉 琦 王 剛 黎小剛 曲兆峰 劉紀(jì)童 仲 昭

(1.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院 2.中國石油國際勘探開發(fā)有限公司)

0 引 言

隨著氣頂油藏的不斷開發(fā)，上部氣頂逐步消失，由此導(dǎo)致油藏天然能量不足，儲層壓力快速下降，業(yè)內(nèi)常用的開發(fā)方式為采用注氣補充地層能量或氣驅(qū)保持油藏壓力，以此提高油藏整體采收率。從降低桶油操作成本的角度考慮，一般會將瀕臨衰竭的低壓低產(chǎn)開發(fā)井轉(zhuǎn)為注氣井繼續(xù)服役，從而最大化地利用現(xiàn)有生產(chǎn)資源，起到降本增效的目的。乍得B區(qū)塊潛山油藏是典型低豐度油藏，投產(chǎn)5年后油藏上部氣頂逐漸消失，需要注氣保持油藏壓力以提高油田采收率。在現(xiàn)有生產(chǎn)井改注氣井過程中，曾發(fā)生BX9井因注氣高壓擊穿裸眼段上部套管鞋以上水泥環(huán)，引起上部地層出砂，掩埋下部裸眼井段的事故，最終導(dǎo)致報廢棄井。應(yīng)開發(fā)需要，計劃選擇BX20井作為BX9的替代井，再次開展注氣試驗。該備選井套管鞋位置和砂巖與基巖界面僅有2～3 m距離，上部地層含有破碎疏松過渡帶，且固井質(zhì)量一般，注氣過程中極易發(fā)生BX9的同類問題；為避免注氣破壞套管鞋以上水泥環(huán)，及由此導(dǎo)致的地層出砂淹埋注氣井段等問題再次出現(xiàn)，考慮對該井采取二次完井作業(yè)，以完善該井井筒完整性，保障注氣井長期穩(wěn)定注氣。

1 影響注氣生產(chǎn)的瓶頸問題

乍得潛山油藏基巖開發(fā)井通常采用三開井身結(jié)構(gòu)設(shè)計，二開鉆至上部砂巖與下部基巖交界面以下2～3 m完鉆，下入外徑244.5 mm(9in)套管至基巖頂界以下固井，整個下部三開基巖井段采用裸眼完井方式[1-3]。生產(chǎn)過程中，由于井底流壓為10 MPa左右，產(chǎn)量平均為20 t/d，該裸眼井身結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足油井生產(chǎn)要求。

轉(zhuǎn)注氣井后，上部注氣管柱攜帶生產(chǎn)封隔器入井，封隔器坐封在外徑244.5 mm(9in)套管鞋上部，注氣管柱根部下探至基巖層段注氣。基巖層段注氣壓力主控因素為內(nèi)部相互溝通的天然裂縫系統(tǒng)，由于基巖層段非均質(zhì)性極強(qiáng)，不均勻的產(chǎn)注剖面對注氣壓力影響非常大；為達(dá)到開發(fā)需要的合理注氣量，試注氣時通常會不斷向上調(diào)整壓力，反復(fù)的憋放壓對井筒完整性造成了嚴(yán)重影響。較高注氣壓力將導(dǎo)致套管鞋處水泥環(huán)損壞，注入氣繞過過渡帶層段繼續(xù)上竄，引起上部砂巖層垮塌，大量沉砂將掩埋整個裸眼井段，需要上大修作業(yè)整理井筒方可恢復(fù)生產(chǎn)，嚴(yán)重時會因套管發(fā)生擠毀變形使注氣井報廢，從而造成無法彌補的損失。

2 基于膨脹管懸掛的二次完井技術(shù)

2.1 油田基本情況

BX9潛山油藏位于BC區(qū)塊西部，含油面積3 km2，地質(zhì)儲量248.9×104m3。2017年3月，BX9潛山第一口井BX9井率先投產(chǎn)。截至2022年，潛山區(qū)塊共完鉆井5口，投產(chǎn)油井4口，目前開井2口，平均日產(chǎn)油100 t，含水體積分?jǐn)?shù)12.8%，年采油速度1.4%，采出程度14.8%。低產(chǎn)低壓影響了油藏的采出程度，急需開展有效的二次采油措施，提高整體采收率，考慮基巖油藏的特點，注氣開發(fā)成為最優(yōu)方案。

2.2 注氣先導(dǎo)井生產(chǎn)情況

BX20井位于BX9潛山區(qū)塊西北部，緊鄰BX9井。該井2017年9月電泵投產(chǎn)，初期日產(chǎn)油15 t，日產(chǎn)氣46 m3，含水體積分?jǐn)?shù)15.82%，氣油比8.5 m3/m3；2017年10月低壓間開，2019年4月低產(chǎn)關(guān)井。由于該井井位位于油藏高部位，適合開展注氣研究，確定該井轉(zhuǎn)為注氣試驗井。2020年6月，計劃利用二次完井作業(yè)完善該井井筒完整性，確保該井井身完整性滿足長期注氣要求。

2.3 技術(shù)要求

結(jié)合開發(fā)和生產(chǎn)需求，提出該井二次完井技術(shù)要求如下。

(1)二次完井作業(yè)需對上部裂縫發(fā)育的主要注氣層段進(jìn)行保護(hù)，防止注氣過程中高壓擊穿套管鞋上部水泥環(huán)導(dǎo)致封固的砂巖層出砂、填埋下部裸眼井段，以延長注氣井使用壽命。

(2)二次完井作業(yè)后，需保證注氣層段和井筒之間保持最佳的連通條件，使注氣層所受的損害最小，進(jìn)而防止裂縫發(fā)育層段的堵塞。

(3)二次完井作業(yè)后，注氣層和井筒之間應(yīng)保留盡可能大的滲流面積，使注入氣進(jìn)入儲層段的阻力最小，由此降低井口注氣壓力(井口注氣壓力低于地層破裂壓力28 MPa)。

(4)二次完井工藝需要盡可能利用現(xiàn)場庫存的井下工具，以及優(yōu)化作業(yè)程序，在實現(xiàn)二次完井作業(yè)目的同時，最大限度地降低完井作業(yè)投資成本。

2.4 技術(shù)原理

膨脹管技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[4]對國內(nèi)外鉆完井工程領(lǐng)域產(chǎn)生了革命性的影響，特別是膨脹管尾管懸掛技術(shù)的出現(xiàn)，提升了完井作業(yè)效率，大幅度縮短了施工周期，減少了作業(yè)費用。

膨脹管懸掛二次完井技術(shù)的核心為膨脹管懸掛器系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由下入丟手、 膨脹管懸掛本體、中心管、膨脹錐、下接頭以及密封腔底座組成[5]，如圖1所示。

1—下入丟手；2—懸掛器本體；3—中心管；4—膨脹錐；5—下接頭。

當(dāng)懸掛器下入到設(shè)計懸掛位置，投球，球落入密封腔內(nèi)的球座內(nèi)，堵塞內(nèi)循環(huán)通道，開泵加壓，壓力推動膨脹錐上行，通過機(jī)械力、液壓力兩者的共同作用擠壓懸掛器本體，利用膨脹管材的金屬塑性應(yīng)變特性，擠壓膨脹管材與套管內(nèi)壁貼合；此外，為增加密封與懸掛能力，在懸掛器本體上粘接排列著彈性元件(橡膠環(huán)密封件)，彈性元件同時被擠壓在懸掛器和上層套管上，形成密封，從而有效地封隔套管環(huán)空，擠壓形成的殘余應(yīng)力對外層套管產(chǎn)生一定的擠壓，通過摩擦力完成對下部完井管串的懸掛。

對于該次基巖井二次完井，選擇膨脹管懸掛篩管完井方式，與常規(guī)套管固井完井方案相比，該方式可最大限度地保留儲層裂縫與井筒的溝通能力，大幅度續(xù)注氣啟動壓力；與常規(guī)尾管懸掛技術(shù)相比，膨脹管懸掛二次完井技術(shù)充分發(fā)揮了膨脹管將封隔器與懸掛器融為一體的技術(shù)優(yōu)勢，攜帶的外部零件少、結(jié)構(gòu)更加簡單，降低了二次完井作業(yè)難度；膨脹管坐封后，實現(xiàn)上部套管與下部完井管柱的完全貼合，密封腔底座可以承受最高35 MPa的壓力；膨脹管懸掛器本體上沒有傳壓孔，降低了漏失風(fēng)險；膨脹管不攜帶卡瓦、錐體等配件，通徑更大，避免了井筒中臺階的出現(xiàn)，降低了后續(xù)生產(chǎn)作業(yè)及測試施工風(fēng)險。

2.5 試驗井井筒條件及施工準(zhǔn)備

2.5.1 原生產(chǎn)管柱結(jié)構(gòu)

BX20井采用乍得標(biāo)準(zhǔn)三開裸眼水井井身結(jié)構(gòu)，外徑244.5 mm(9in)套管下入基巖頂界以下，?215.9 mm(8in)裸眼段1 595.72～1 905.00 m之間，套管鞋處固井質(zhì)量為合格。套管程序見表1。

表1 BX20井套管程序信息Table 1 Casing program information of Well BX20

2.5.2 基巖產(chǎn)層段物性情況

觀察基巖段取芯數(shù)據(jù)，該井基巖產(chǎn)層剖面非均質(zhì)性極強(qiáng)，產(chǎn)層段的物性發(fā)育非常不均勻，天然裂縫發(fā)育井段主要集中在上部1 600 m左右處。BX20井巖心數(shù)據(jù)如表2所示。

由電成像測井(XRMI)解釋結(jié)果(見圖2)可以看出，98～107號小層之間裂縫集中發(fā)育，即主要在井段1 565～1 623 m區(qū)間，此結(jié)果印證了巖心觀察的結(jié)論，基巖儲層上半段是主要的吸氣層段，需要防止上部砂巖層出砂導(dǎo)致儲層砂埋事故的發(fā)生。

表2 BX20井巖芯描述Table 2 Core description of Well BX20

圖2 基巖裸眼井段裂縫發(fā)育層段測井曲線Fig.2 Well logging curves of fracture development interval in open hole section of basement

2.5.3 二次完井方案設(shè)計

依據(jù)二次完井技術(shù)要求，本著最大限度地保護(hù)井筒完整性，釋放地層天然裂縫兩個原則，為該井設(shè)計了二次完井工藝。依據(jù)?215.9 mm(8in)裸眼井身尺寸，設(shè)計采用篩管+雙密封膠筒封隔器+套管+膨脹管懸掛器組合[6-8]來實現(xiàn)下部完井管柱的懸掛密封，并對上部外徑244.5 mm(9in)套管鞋處產(chǎn)生足夠的保護(hù)，由此減小上部水泥環(huán)承壓，防止砂巖地層出砂下埋注氣井段的問題發(fā)生。

根據(jù)裸眼段測井解釋結(jié)果，確定下部管串配件工具的具體下入深度，懸掛器坐封位置設(shè)在(1 505±2)m，下部管柱長度約400 m，具體參數(shù)詳見表3。

下部完井管串中設(shè)計攜帶2個串聯(lián)的裸眼封隔器①和②(見圖3)，坐封位置為1 572.6～1 577.0 m，以保護(hù)外徑244.5 mm(9in)套管鞋上部管外水泥環(huán)，并同時攔截上部掉塊及沉砂。

篩管段在每隔2～3根篩管處加裝彈性扶正器，以保證整個管柱居中，平衡管柱整體受力，并可減少注氣過程中管柱震動，對上部裸眼封隔器及懸掛封隔器起到一定支撐和保護(hù)作用。

表3 BX20井二次完井管柱下入深度與測井結(jié)果對照Table 3 Contrast between setting depth of recompletion string and logging result of Well BX20

圖3 ?244.5 mm膨脹管懸掛器+套管+篩管下部完井管柱Fig.3 ?244.5 mm expandable tube hanger + casing + liner lower completion string

2.5.4 作業(yè)程序及施工預(yù)案

該次二次完井現(xiàn)場作業(yè)施工嚴(yán)格按照乍得項目修井作業(yè)及井控作業(yè)規(guī)程[9]執(zhí)行，主要步驟包括起出原井生產(chǎn)管柱，下部完井管柱入井并完成懸掛密封，下入上部注氣管柱，開展試注氣作業(yè)。具體流程見圖4。

圖4 二次完井作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序Fig.4 Standard operation procedure of recompletion

該次作業(yè)主要存在3個風(fēng)險點，在施工前針對每項風(fēng)險建立了控制措施及應(yīng)急預(yù)案。

(1)400 m下部完井管串下入遇阻。控制措施：要求井隊控制下鉆速度，操作時應(yīng)緩慢平穩(wěn)下放；鉆井液工程師應(yīng)根據(jù)實際井況，調(diào)整完井液性能，提高完井液的潤滑性。應(yīng)急預(yù)案：遇阻超過80 kN時，上提、下放、旋轉(zhuǎn)活動鉆具，嘗試通過，如反復(fù)嘗試無法通過，可起鉆，對井眼重新進(jìn)行處理，處理過程中可過提懸重不超過150 kN，下壓不超過150 kN。

(2)膨脹壓力過高(大于25 MP)，影響懸掛封隔器順利坐封。控制措施：膨脹管技術(shù)專家在現(xiàn)場指揮施工，與司鉆形成良好配合，確保加壓排量與上提速度的配合在最佳狀態(tài)。應(yīng)急預(yù)案：上提管柱不及時會引起膨脹壓力過高，此時可降低加壓排量，同時保持原上提管柱懸重，使施工壓力小于25 MPa。上提管串時，采用機(jī)械方式輔助膨脹，將會比原懸重過提30～50 kN，可降低膨脹壓力，使之恢復(fù)到正常值。

(3)裸眼段井徑擴(kuò)大影響裸眼封隔器坐封[10-11]。按照已有井徑測井曲線，通過優(yōu)選井徑規(guī)則的位置布置封隔器坐封位置，并建議在沖砂后下電測，以獲取最新的井徑數(shù)據(jù)，由此優(yōu)化上部2個裸眼封隔器位置。裸眼封隔器坐封壓力嚴(yán)格控制在10～13 MPa以內(nèi)，防止因壓力過高導(dǎo)致封隔器密封膠筒的損壞。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

2022年10月，對BX20 井實施二次完井作業(yè)。利用低密度鹽水循環(huán)壓井，提出原井電泵管柱，通井刮削，下剛性扶正器管柱模擬通井，下部完井管串入井，下電測校深，確保封隔器及管柱下入到位。投入?52 mm鋼球至球座，試壓合格，運行膨脹錐坐封懸掛封隔器。投?36 mm銅球至球座，緩慢加壓至12 MPa，穩(wěn)壓10 min，坐封裸眼封隔器。下鉆磨管柱鉆球座，并下探人工井底，確認(rèn)下部管柱內(nèi)部暢通。起鉆磨管柱，下入上部注氣管柱。拆防噴器組，安裝注氣井口，井口試壓合格。拆卸鉆臺，開展試注氣作業(yè)，注氣排量2 000 m3/h，注入時間6～18 h，日注入量10 000～38 000 m3，井口注入壓力始終低于20 MPa，數(shù)據(jù)如圖5所示。截至目前，已實現(xiàn)連續(xù)注氣180 d，注入壓力始終保持平穩(wěn)，注氣量滿足油藏開發(fā)的注氣要求。整個作業(yè)周期為10 d，較傳統(tǒng)二次完井平均17 d的施工周期，減少7 d作業(yè)時間，節(jié)省修井作業(yè)費用超20萬美元，是一種低成本高效完井方案。

圖5 BX20井注氣曲線Fig.5 Gas injection curve of Well BX20

4 結(jié)論和建議

(1)乍得基巖井通常采用三開裸眼井身結(jié)構(gòu)，作為生產(chǎn)井時滿足開發(fā)需要；然而轉(zhuǎn)注氣井后，現(xiàn)有井身結(jié)構(gòu)無法滿足高壓注氣要求，高壓會擊穿水泥環(huán)、損壞套管，導(dǎo)致上部地層出砂，嚴(yán)重時會掩埋下部裸眼井段。該類生產(chǎn)井轉(zhuǎn)注氣井前需進(jìn)行二次完井，以保障井筒完整性，延長注氣井壽命。

(2)基巖油藏生產(chǎn)或注氣均通過花崗巖內(nèi)部天然裂縫作為儲層內(nèi)部與井筒的溝通渠道，如采用套管完井方式進(jìn)行二次完井，將導(dǎo)致滲流通道被完全堵死，后續(xù)無法進(jìn)行注氣。膨脹管懸掛篩管的完井方式，不但滿足最大限度保留裂縫通道的目的，還因工藝流程簡單，可大幅度提升作業(yè)時效。

(3)該次試驗的膨脹管二次完井管柱主要包括膨脹懸掛器、管外封隔器、篩管。該二次完井管柱一次下入到位，懸掛封隔器及兩只裸眼封隔器成功坐封，整個作業(yè)周期為10 d，較傳統(tǒng)二次完井平均17 d的施工周期，減少7 d作業(yè)時間，節(jié)省修井作業(yè)費用超20萬美元，是一種低成本高效完井方案。

(4)BX20井注氣先導(dǎo)試驗井二次完井實踐證明，通過坐封二次完井管柱解決注氣井井筒完整性的方式可行。該井完井后能夠有效封固和保護(hù)套管，使之免受注氣高壓的破壞，可有效解決裸眼注氣井井筒完整性問題，確保注氣井平穩(wěn)注氣。試注氣壓力達(dá)到20 MPa，注氣量達(dá)到2 000 m3/h，滿足潛山油藏注氣開發(fā)需求，具有較高推廣價值和重要借鑒作用。