深水表层套管内管法固井技术与应用

在深 水 表 层 固 井 作 业 中，内 管 柱 需 下 入 到 表 层 套管里，通常内管柱长度在１ ０００ ｍ 以上，根据 实际 计算结果，内管柱的 底 部 与 浮 箍 之 间 的 距 离 通 常 不 会 超 过 １０ ｍ，因 此 ，在 计 算 初 期 ，这 一 误 差 可 以 忽 略 不计。以１４９．２２５ ｍｍ 套 管 （壁 厚 １０．５４１ ｍｍ），容 积 为１１．５３７ ｍ３，其内管柱长度从１０００～３０００ ｍ，泵 效误差分别 为 １％、２％、３％ 的 误 差 为 例，将 计 算 结 果 绘 制 成 图 版 ，如 图 ３ 所 示 。
表１ ２０＂ 套管钻水泥塞速度
井号
２０＂ 套管鞋内 水 泥 塞 长 度／
ｍ
Ｌ３－１ Ｌ３－２ Ｌ３－３ Ｌ３－４ Ｌ３－５
３８．５ ５７．０ ６５．０ ４４．０ ４５．０
钻水泥塞 所 用 时 间／
ｈ
７．５ ６．０ ３．０ ２．５ ４．５
钻水泥 的 速 度／ （ｍ·ｈ－１）
摘要：深水表层套管固井是深水钻井中的一个关键环节，通常采用井口密封式内 管 法 固 井，但 由 于 对 内 管 法 的 下 入 深度还缺乏理论研究和设计依据，下入深度不够合理，导致作业过程中出现顶替 过 量 或 顶 替 不 够，造 成 套 管 鞋 固 井 质量不合格、套管内留高塞、内管柱被固在套管内等问题。针对深水表层套管固 井 时 出 现 的 系 列 问 题，提 出 了 一 套 适合井口密封式内管法固井的内管柱下入深度的设计理论和方法。利用该设计 方 法，可 计 算 出 了 不 同 尺 寸 的 内 管 柱、不同的顶替效率和不同水深条件下的合理下深，并绘制了相应参考图版。该 设 计 方 法 现 场 实 际 应 用 效 果 良 好， 提高了深水表层套管的固井作业效率。 关 键 词 ：深 水 表 层 套 管 ；内 管 法 固 井 ；顶 替 效 率 中 图 分 类 号 ：ＴＥ２５６ 文 献 标 识 码 ：Ａ
如果 实 际 泵 效 与 理 论 泵 效 之 间 存 在 误 差，必 须
保 证 套 管 内 不 会 被 替 空 ，同 时 还 要 保 证 顶 替 结 束 时 ， 内管柱不会被水泥 浆 封 固，这 样 顶 替 量 的 设 计 必 须 满足如下要求： ΔＨｒ ≤ １２ｈＲ 式中：Ｈ———浮 箍 以 上 表 层 套 管 的 长 度，ｍ；ｈ——— 内管柱底部距 离 浮 箍 之 间 的 距 离，ｍ；Δ———系 统 误 差，通常取１％ ～３％；Ｒ———套 管 容 积，ｍ３；ｒ———内 管 柱 容 积 ，ｍ３。
收 稿 日 期 ：２０１２－０８－３０；改 回 日 期 ：２０１３－０１－２０ 作者简介：苗典远，工程师，１９８３ 年 生，２００４ 年 毕 业 于 石 油 大 学 （华 东 ）石 油 工 程 专 业 ，现 主 要 从 事 海 洋 石 油 钻 井 作 业 、管 理 及 研 究工作。
苗典远．深水表层套管内管法固井技术与应用 ·１０５·
３ 结论与认识
（１）要 想 保 证 深 水 表 层 套 管 固 井 的 成 功 ，除 了 优 质的水泥浆体系设 计 外，还 要 有 良 好 的 固 井 工 艺 和 作 业 程 序 ，从 而 为 后 续 作 业 的 成 功 奠 定 基 础 。
图３ 内管柱底部距浮箍之间的距离与套管下深的关系
从中可看出，在内管柱长度为２ ０００ ｍ 时，考虑 ２％的泵效误差，要 想 保 证 水 泥 浆 不 会 被 替 空，同 时 还要保证内管柱不 会 被 水 泥 浆 封 固，内 管 柱 底 部 距 离浮箍之间的距离应为５．３０ ｍ。 在该条件下，将内 管柱下到浮箍以上 ５．３０ ｍ 处，顶替水泥浆时，按 照 理论 泵 效，顶 替 至 内 管 柱 底 部 以 下 ２．６５ ｍ 即 可。 如果实际顶 替 量 比 理 论 值 高 出 ２％，也 只 能 顶 替 至 浮箍位置，这样可保 证 浮 鞋 和 浮 箍 之 间 具 有 水 泥 浆 封固；另外 一 种 情 况，实 际 顶 替 量 比 理 论 顶 替 值 低 ２％ ，也 可 以 保 证 顶 替 结 束 后 水 泥 面 在 内 管 柱 底 部 以 下２．６５ ｍ，从而 为 作 业 提 供 了 一 定 的 余 量，达 到 了 安全作业要求。现 场 作 业 时，也 可 以 根 据 内 管 柱 和 套管串的实际配长 进 行 适 当 的 调 整，只 要 不 少 于 该 计算值，均可保 证 作 业 的 安 全。 现 场 作 业 查 阅 此 图 版 ，可 为 现 场 固 井 工 艺 设 计 提 供 了 科 学 依 据 。
２ 现场应用及效益
根据以上计 算，即 便 在 固 井 过 程 中，浮 鞋、浮 箍
·１０６· 石 油 地 质 与 工 程 ２０１３年 第３期
全部失效，按 照 设 计 顶 替 量 顶 替 到 位，便 可 憋 压 侯 凝，完全可以保证内 管 柱 中 的 水 泥 浆 被 完 全 顶 替 出 去，同 时 也 可 以 保 证 套 管 内 的 水 泥 浆 不 会 被 替 空 。 ［１１］ 此方法在海上多个油 田 进 行 了 试 验，均 取 得 了 良 好 的 效 果 ，有 效 避 免 了 插 旗 杆 、留 高 塞 和 将 套 管 鞋处替空 的 事 故 发 生。 另 外 根 据 统 计，在 ５０４ ｍｍ 表层套管内钻水 泥 塞 的 机 械 钻 速 平 均 为 ５～１０ ｍ／ ｈ，如 表 １ 所 示 。
部就可不插入到浮箍 （或 浮 鞋）内，但 距 浮 箍 顶 部 要 留 有 一 定 的 距 离 ，如 图 １ 中 的 ｈ。
图 １ 深 水 内 管 柱 固 井 工 艺 示 意 图 （固 井 前 ）
固井 结 束 后，要 求 水 泥 面 位 于 内 管 柱 底 部 以 下 和浮箍以上的某个 位 置，即 不 会 将 内 管 柱 封 固 在 套 管里，也不会将 水 泥 浆 顶 替 至 浮 箍 以 下。 在 某 些 深 水 油 气 田 ，方 法 成 熟 后 ，在 浮 鞋 的 单 流 阀 质 量 比 较 可 靠 的 情 况 下 ，也 可 以 不 下 浮 箍 ，直 接 将 水 泥 浆 顶 替 至 浮鞋以上 ８～１０ ｍ 处，同样可以保证套管鞋处的固 井 质 量 ，其 理 想 状 态 如 图 ２ 所 示 。
１．９５ １．０５ ０．４６ ０．５７ １．００
根据 近 几 年 的 深 水 钻 井 作 业 的 成 本 分 析，目 前 深水钻井每小时的作 业 费 用 大 约 为 ３０～４０ 万 人 民 币，折合 每 秒 钟 为 １００ 元 人 民 币 左 右，因 此，对 于 深 水 钻 井 作 业 高 昂 的 费 用 来 说 ，每 节 约 １ 分 钟 ，就 可 以 节 约 数 千 元 人 民 币 ，经 济 效 益 可 观 。 如 果 出 现 事 故 ， 处理事故的成本 则 会 更 高。 由 表 １ 也 可 以 看 出，钻 井筒直径相同的水 泥 塞，所 用 时 间 最 大 相 差 ５ 小 时 （最 短 ２．５ 小 时 ，最 大 ７．５ 小 时 ），按 照 目 前 作 业 日 费 率 ，折 合 费 用 ２０ 多 万 美 元 ，经 济 效 益 非 常 可 观 。
１ 深水表层套管固井原理及设计方法
１．１ 井 口 密 封 式 内 管 法 固 井 技 术 原 理 内管法固井工艺在普通浅水和陆地油田被普遍
采用，但都是插入 方 式，即 内 管 柱 下 部 联 接 插 入 头， 插入到表层套管的 浮 鞋 中，为 保 证 密 封 良 好 还 要 进 行试压。水泥浆和钻井液可直接通过钻杆循环至套 管与井眼的环空 之 间，完 成 固 井 作 业。 但 在 深 水 钻 井过程中，由于水比较深（５００ ｍ 以上），如果水下井 口 还 采 用 插 入 方 式 ，会 存 在 诸 如 检 验 密 封 、无 法 准 确 插入等问题。因此，在 深 水 固 井 中 采 用 了 井 口 密 封 式内管法固井技术 方 法，即 在 水 下 高 压 井 口 上 部 使 用套 管 送 入 工 具 ＭＲＬＤ（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｒｉｇｉｄ ｌｏｃｋｅｄ ｄｏｗｎ），工 具 上 附 带 一 个 排 气 阀 （ｆｉｌｌ ｕｐ ｖａｌｖｅ），当 环 空 灌 满 海 水 后 ，关 闭 排 气 阀 ，而 从 内 管 柱 进 入 的 液 体 只 能 从 浮 鞋 、浮 箍 的 循 环 至 环 空 了 ，这 样 内 管 柱 的 底
深水钻井与陆 地 和 浅 水 钻 井 相 比，存 在 诸 多 技 术难题［１－８］，如 深 水 环 境 恶 劣、表 层 地 层 疏 松 不 稳 定、浅层气、浅水 流 以 ［９－１０］ 及 钻 井 液 密 度 窗 口 窄 等， 给深水表层套管的固井带来了巨大的挑战。据文献 报 道 ，在 里 海 、挪 威 海 以 及 北 海 都 曾 经 出 现 过 浅 水 流 问题［１１］，造成了严重的后果，因 此，保 证 表 层 套 管 的 固井质量是后续作业的基础。内管法固井是深水表 层套管固井时普遍 采 用 的 一 种 固 井 方 式，但 在 内 管 柱的下深和套管柱设计以及顶替量设计方面还缺乏 一定的理论依据和 统 一 的 标 准，这 也 是 深 水 表 层 套 管固井时所出现系列问题的根源。
图 ２ 深 水 内 管 柱 固 井 要 求 示 意 图 （固 井 后 ）
１．２ 内 管 柱 下 入 深 度 设 计 深水 表 层 套 管 固 井 时，内 管 柱 底 部 和 浮 箍 之 间
留有一段 距 离 （图 １），对 于 这 个 距 离，如 果 留 的 过 长，顶替时间就会 增 加，另 外，在 套 管 内 留 下 一 个 很 长的水泥塞，将来 钻 水 泥 塞 的 时 间 也 会 增 加；相 反， 如 果 留 的 过 少 ，固 井 时 可 能 会 将 套 管 鞋 处 替 空 ，影 响 固井质量，为下 一 井 段 的 作 业 留 下 隐 患。 还 有 一 种 情 况 ，一 旦 浮 箍 （或 浮 鞋 ）上 面 的 单 流 阀 失 效 ，憋 压 侯 凝时，可能会把内管 柱 固 定 在 ２０″套 管 内 （俗 称 插 旗 杆）。因此，需要科 学 设 计 一 个 合 理 的 距 离，在 保 证 固井 质 量 的 同 时，还 要 保 证 ２０″套 管 内 有 足 够 长 的 水泥塞，为下一井段的继续钻进打好基础 。 ［９］ 因 此， 该距离的设计对于深水表层套管内管柱固井来说至 关重要。目前国内还没有相关的文献报道。结合现 场 作 业 实 际 ，对 于 深 水 表 层 套 管 内 管 柱 的 下 深 设 计 ， 需要从以下几个方 面 考 虑：① 充 分 考 虑 泥 浆 泵 的 泵 效 ，必 要 时 ，固 井 之 前 根 据 实 际 泵 效 准 确 计 算 水 泥 浆 的顶替量。②准确 计 算 内 管 柱 和 套 管 柱 的 长 度、容 积 ，为 精 确 的 固 井 计 算 奠 定 基 础 ，尽 可 能 的 降 低 或 者 避免人为误差。③ 为保证套管鞋处的固井质量，套 管内要留有合理高 度 的 水 泥 塞，通 常 在 浮 箍 以 上 留 ３～５ ｍ。 如果留的过少，无法保证套管浮鞋处的固 井质量，影响下 一 井 眼 的 继 续 钻 进。 如 果 水 泥 塞 留 的 过 长 ，钻 水 泥 塞 的 时 间 会 增 加 ，影 响 作 业 效 率 。 ④ 实 际 作 业 过 程 中 ，考 虑 一 定 的 安 全 余 量 ，一 旦 出 现 泵 效计算不准，也可保 证 内 管 柱 不 被 水 泥 浆 固 定 在 套 管内。 １．３ 内 管 柱 下 深 计 算 方 法