膨胀波纹管技术降低钻井风险实践

膨胀波纹管技术降低钻井风险实践

胡彦峰*1,涂玉林2,汪胜武3,宋 永4

(1.中国石油大学<北京>,北京102249;2.中石油化工股份有限公司石油工程技术研究院,北京100101;

3.渤海钻探工程公司第一钻井分公司,天津300280;

4.胜利油田黄河钻井三公司,山东东营257098)

摘 要:膨胀波纹管技术是通过对管材进行冷压处理,使管材发生塑性变形,管柱截面形状呈波纹状,以减小外径,通过上层套管到达目的地层,借助液压将其膨胀,再在胀管器的作用下,使其完全膨胀成圆管,用来封堵复杂地层的一项新型技术。膨胀波纹管技术主要用于钻井过程中在不减小井眼尺寸的情况下封堵各种复杂地层,补贴损坏套管,延长技术套管长度等,采用这种技术能大大降低钻井过程中各种风险。介绍了该技术原理和工艺,详细介绍了该技术应用范围、技术优势和现场应用情况。

由于能够实现单一尺寸井眼钻井和连续封隔复杂地层等作用,膨胀波纹管技术被认为是20世纪钻井工程的重大技术革命之一。

关键词:膨胀波纹管技术;补贴套管;延长套管技术;裸眼井尾管膨胀技术

中图分类号:TE2 文献标识码:B 文章编号:1004 5716(2011)02 0091 05

目前,井深逐渐增加,常规钻井设计的中间套管数量也在增加。井越深,钻井穿过的地层层数也越多,各个地层的性质各不相同,这些将引起如卡钻、漏失、出水、出气等复杂钻井事故发生。因此,性质不同的地层必需用中间套管隔离开,而增加套管层次将增加30%~ 40%的建井成本。世界建井经验表明,在复杂地质条件下,钻井深度4000~5000m时,需要下入5~7层套管。井深为4000~5000m的井的成本比探深为2000~ 2500m常规设计井的成本高1个数量级[1]。另外,过多使用中间套管会使终孔直径急剧减小,给完井和生产带来难题。

膨胀波纹管技术(Ex pandable pro file Liner,EPL)主要用于钻井过程中在不减小井眼尺寸的情况下封堵各种复杂地层,补贴损坏套管,延长技术套管长度等,采用这种技术能大大降低钻井过程中各种风险。由于能够实现单一尺寸井眼钻井和连续封隔复杂地层等作用,膨胀波纹管技术被认为是20世纪钻井工程的重大技术革命之一。

1 膨胀波纹管技术原理和工艺

膨胀波纹管技术是通过对管材进行冷压处理,使管材发生塑性变形,管柱截面形状呈波纹状,以达到减小管外径的目的,使其可通过上层套管到达目的地层,借助液压将其膨胀,再在胀管器的作用下,使其完全膨胀成圆管。

膨胀波纹管技术施工程序:

(1)钻穿漏失地层,测井,确定漏失位置和井眼尺寸;

(2)根据井眼尺寸,设置扩眼工具面,对漏失层段扩眼后,测井,选择波纹管下入位置;

(3)下入膨胀波纹管,管串组合:引鞋堵头+下过渡接头+下封隔器+波纹管+上封隔器+上过渡接头+提拉杆+钻铤+钻杆;

(4)水力膨胀后,上提下压钻具到一定吨位,求取摩擦力大小;

(5)倒开膨胀波纹管上端扣,并提出钻具;

(6)下入胀管器进行机械膨胀,达到设计尺寸;

(7)下入原钻井钻具组合,继续钻进。

2 膨胀波纹管技术应用范围和主要技术优势

2.1 封堵复杂地层

钻井过程中当钻遇严重漏失层或溶洞层时,往往需要下技术套管对这些地层进行封隔,相应井眼直径也会减小。通过运用膨胀波纹管技术能在不减小井眼直径的情况下对这些复杂地层进行封堵。有效解决钻井液漏失和溶洞等钻井问题。与传统化学方法解决严重漏失和溶洞等问题相比,膨胀波纹管技术封堵效率高,费用低。

*收稿日期:2010 04 13

第一作者简介:胡彦峰(1983 ),男(汉族),甘肃天水人,中国石油大学(北京)在读硕士研究生,研究方向:钻完井工具与工艺。

斜井和水平井钻井中,当钻遇井壁稳定性差的地层,在接单根或下套管过程中经常会由于钻井液停止循环的间隔而造成井壁坍塌、卡钻等复杂事故发生。用膨胀波纹管技术封堵此种复杂层能有效解决井壁坍塌问题。

2.2 补贴损坏套管

随着油田开发时间延长,套管损坏的井眼也逐年增多,套管变形、错位等套管损坏事故也大量出现,并伴随着溢流、出砂等现象,这些情况的存在,给封堵工作带来了很多困难。有些套管损坏井,由于管外水泥返高较低,或套管管外水泥环损坏,造成套管漏失,常规挤水泥封堵效果较差;有些油水井上部套管损坏,如采取衬补措施则衬补段较长。应用膨胀波纹管技术能够在不减小套管内径情况下有效修复损坏套管。

2.3 延长技术套管

建井时,在下套管至指定深度的过程中,经常会由于滤饼形成、泥浆、坍塌、井壁稳定等问题导致达不到设计的套管下入深度。这些问题导致大量的封隔地层工作,有时为解决问题则必需下入中间套管和衬管。这将导致井眼尺寸降低,使钻井设计复杂,增加了管柱和水泥的消耗,另外增加了资本投入和耗时。应用膨胀波纹管技术能在不减小井眼直径的情况下实现套管延伸,有效解决由于套管下深不够而产生的复杂问题。

2.4 裸眼井尾管膨胀技术

主要用于侧钻和加深井钻井作业,能有效减少钻井液和水泥浆对产层的侵蚀,减少产层伤害。

3 膨胀波纹管技术应用现状

3.1 发展概况

膨胀波纹管技术自20世纪70年代末开始成功应用。1975年鞑靼石油公司开始研究解决有效封隔局部复杂地层难题。该公司研究主要目标是探索有效方法在不固井和减小井眼尺寸的条件下将相同直径的保护套管下入预定位置。1978年,成功尝试了应用膨胀管封隔局部复杂区域。膨胀管技术成功应用使降低完井复杂性和隔离地层成为可能,因此解决了两个油气井尖锐的问题。

膨胀波纹管技术被广泛应用于前苏联和其它国家,降低了这些地区的钻井风险。在以后的20多年间,膨胀波纹管系统应用于600多口井中。并且在俄罗斯和其它13个国家获得专利。到现在为止,鞑靼石油公司(Tatneft)膨胀管技术已经获得了40项俄罗斯专利和57项国外专利。

膨胀波纹管技术在石油钻井中应用一问世,即引起了我国的石油科技研究人员的广泛关注。

(1)中国石油勘探开发研究院自1998年开始研究可膨胀波纹管堵漏技术,在对各种现有材料分析研究的基础上,重点参考俄罗斯的波纹管结构,经过大量的实验对比和三维分析软件研究,试验选取了3种材料管材,对冷拔加工和分段焊接加工两种工艺方案进行了分析研究,确定采用冷拔加工工艺制造波纹管,同时研制出了膨胀工具。

(2)中国石油大学(北京)开展了膨胀波纹管的研究,研制出了可膨胀波纹管试样、波纹管整形工具,并对波纹管柱连接夹持装置进行了设计,进行了地面膨胀试验。

(3)中石化德州石油钻井研究所2004年开展了膨胀波纹管的研究,研发了三种规格的膨胀波纹管和配套设备及工具,分别适用于 215.9m m、 241.3m m、 311.1mm井眼。

我国自行研发的波纹管现场试验的成功,标志着我国也初步具有了该项技术,大大降低了膨胀波纹管技术的应用成本。

3.2 国外应用实践

(1)Garaevskaya油田202井:1993年,俄罗斯鞑靼石油研发了一种方法能将可膨胀波纹管延伸到井底,并且该技术在Gar aevskaya油田202井[2]被第一次运用。该井由于严重的钻井液漏失伴随着地层坍塌导致井壁坍塌钻具遇卡。两次运用可膨胀波纹管技术对345~ 361m和360~368.5m的复杂井段成功进行了封堵,并且第二次施工的波纹管与第一段波纹管牢固的连接在一起,这两次封堵施工,既没有减小井眼直径也不需要用水泥对其固井。复杂井段封堵完成后,施工方顺利钻达2670m的目的层,这期间没有出现其他复杂事故。钻井施工在耗时836h,起下钻19次。

(2)Bsatry kskoye油田1623井:2005年,Bsatr yks ko ye油田的水平井1623井[3],由于泥页岩的坍塌生产无法进行。施工方试图通过注水泥的方式封堵垮塌层段,但没有成功。应用膨胀波纹管技术,下入了17.6m 的膨胀波纹管仅用了32h成功封隔了坍塌地层。之后,该井继续生产每天产原油10.3t,见图1。

(3)Or enburg neft2601井:在Zaikinskay a油田, Orenbur gneft2601井在3268~3288m层段和3326~ 3351m层段有两个溶洞层,该层段漏失情况很严重,在15个月的施工过程中,施工方多次运用传统的堵漏材料进行堵漏作业,但都没有封堵住该溶洞层。施工方考虑放弃已钻进的3383m的井眼。俄罗斯鞑靼石油公司建议采用可膨胀波纹管进行堵漏作业。研究人员设计了采用两次封堵方案,首先从最底地层的溶洞段开始。但是在上部的溶洞层由于之前堵漏材料的沉积发生粘附卡钻使得第一次膨胀波纹管不能够继续下入更深。