四川盆地龙16井试油卡钻井下复杂原因分析.pdf
1 O 2 钻 采 工 艺 DRI LUNG & P R0DUCT 1 0N TEC HNOL 0GY 2 0 0 9年 9 月 S e p 2 0 0 9 四川盆地龙 1 6井试油卡钻井下复杂原 因分析 吴健, 王东林, 王春生, 张建贵, 柳汉明, 罗新华, 赵兴伟, 杨运好 川庆钻探 工程公 司川西钻探 公 司工程技 术部 吴健等.四川盆地龙 1 6井试油卡钻井下复杂原因分析. 钻采工艺, 2 0 0 9 , 3 2 5 1 0 21 0 5 摘要 龙 1 6井是 四川九龙 山构造 , 上二 叠统底界主高点西南翼 的一口区域探 井 , 完钻 井深 5 9 8 8 m, 是 一 口 高压 高温含硫 气井。2 0 0 9年 1月 9日对 茅口组进行射孔酸化 测试联作施 工 , 获 日产天然气 2 5 2 X 1 0 m , H , S含 量 1 1 . 6 g / m , 地层压力 1 2 8 MP a , 无 阻流量 1 0 0 1 1 0 m / d , 但在压井、 解封 、 堵 漏后起 出酸化测试联作管柱时, 发现射 孔枪和部分7 3 m m气密封 3 S B扣油管掉入井内卡死, 同时起出的部分油管出现严重弯曲变形, 井下情况非常复杂。 通过对卡钻、 井下复杂原因分析, 从井下管柱结构及受力状况、 射孔枪射后膨胀性、 井下套管变形等方面进行探讨, 找到发生卡钻 、 井下复杂情况的原 因, 为类似龙 1 6高压高温含硫深 气井的安全作业提供 现场技 术经验 。 关键 词 龙 1 6井 ; 试油 ; 卡钻 ;井下复杂;原因分析 中图分类号 T E 2 8 文献标识码A D O I 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 0 0 67 6 8 X . 2 0 0 9 . 0 5 . 0 3 5 一 、基本情况 龙 1 6井是四川九龙山构造上二叠统底界主高点西南翼 的一 口区域探井, 完钻井深 5 9 8 8 m, 是一口高压高温含硫气 井 。2 0 0 9年 1 月 9 E t 对茅 口组进行射孔酸化测试联作 施工 , 获 日产天然气 2 5 21 0 m , H S含量 l 1 . 6 m , 地层压力 1 2 8 M P a , 压力系数 2 . 2 0 , 地层温度 1 4 4 .1 ℃, 无阻流量 1 0 0 1 1 0 m /d。 该井采 用 H P I -1 T封 隔器 , 射孔酸 化测 试联作 , 酸 化时最 大排量2 . 2 m / m i n , 1月 9日测试结束后, 环空加压 4 4 MP a 打开井下 R D S循环阀实现井下关井, 用 1 . 6 2 g / c m 钻井液 1 9 m 反循环 , 充满 R D S循环阀以上油管, 接着正循环注入密 度2 . 3 2 e m 的钻井液9 0 . 2 m 。1月 1 0 F t 循环正常后换装 封井器并试压合格。1 月 1 1日环空加压 2 5 MP a , 打开 R D循 环 阀, 挤入井筒钻井液 2 3 . 7 I ll , 泥浆 泵正循 环失返 , 循 环时 漏失密度 2 . 3 2异 / c m 钻井液 44 . 6 m 。后 上提管 柱 , 悬 重 由 8 0 0 t 1 4 0 0 k N, 未解封, 反复活动管柱, 悬重 8 0 01 6 0 0 k N, 油管拉伸距2 . 0 m未解封, 继续活动, 悬重8 0 0 t 1 6 8 0 1 6 0 0 k N, 解封成功。解封后继续上下活动, 循环失返 , 采用吊灌, 漏失钻井液 2 8 . 8 m 。 解封后针对钻井液漏失情况,, 为确保井控安全共进行了 三次堵漏作业, 共漏失桥堵钻井液 Q o LI l1 5 4 . 7 m , 1月 1 3日至 1 月 1 5日敞井 观察 5 0 h无 异常 , 循环后起钻悬重正 常。1 月 1 6 E t 起 出联作管柱, 发现与封隔器相连的第 7 4 、 7 3 、 7 2共3根 7 3 m m 3 S B扣油管弯曲变形 , 其中两根变形严 重 , 油管编号从下 向上 , 封 隔器 以下 共 7 4根 7 3 m m 3 S B扣 油管 ; 第 4 8根 7 3 m ln 3 S B油管公扣丝扣中部断裂, 断 口齐 整, 原丝扣长 9 5 m m, 剩余丝扣长 4 8 m m, 井身及落鱼结构见 图 1 。 图1 井身及落鱼结构图 m 1月 1 7 E t 下钻 至井深 5 4 7 6 . 9 2 m, 遇阻加压 2 O k N探得 鱼顶 。 鱼顶为油管接箍 鱼腔内残余油管公扣长 4 8 m m , 鱼长 4 7 2 . 9 7 m, 预计鱼顶 5 4 8 2 . 3 7 m 射孔枪不动 。落鱼结构 8 6枪尾 0 . 1 3 m 起爆器 0 . 5 5 m枪接头 0 . 2 6 m 收稿 日期 2 0 0 90 4 2 0 作者简介 吴健 1 9 7 2一, 1 9 9 4年毕业于重庆石油校, 2 0 0 6年毕业 于华东石油大学 , 现在川庆钻探公 司川西钻探公 司工程技术部从事试 修技术 管理工作 , 电话 0 2 88 6 0 1 2 6 9 5, 地址 6 1 0 0 5 1 成都市成华 区华油路 1 4 3号 , Em a i l s n w u j i a n 1 6 3 . c o rn 第 3 2卷 Vo 】 . 3 2 第 5期 NO . 5 钻 采 工 艺 D R I L L I N G&P RO D U C T I O N T E C HN O L OG Y 1 03 0 8 6射孔枪 2 3 m0 8 6空枪 0 . 3 5 m 枪接头 0 . 1 1 n 1 起爆器 O . 5 5 m 接头 O . 1 4 m减震器 O . 9 7 m 接头 0 . 1 4 m0 9 0筛管 0 . 5 5 m 接头 0 . 5 m7 3 m m 3 S B扣 油 管 壁 厚 5 . 5 1 mm, 钢 级 N K A C 8 0 M 4 7根 4 4 5 . 5 7 m 。 二、 井下复杂情况原因分析 1 . 油管变形原因分析 油管变形 从起出的管柱看, 紧靠封隔器下的三根油管 出现弯曲 其中两根变形严重 , 而在下面起出的2 4根油管 无弯曲变形现象。从该井联作管柱的结构功能特点分析 , 射 孔时封隔器胶筒已胀开, 封隔器锚定在套管上 , 此时封隔器 以上管柱固定不能活动, 封隔器以下管柱 , 射孔枪通过油管 悬挂在锚定 的封 隔器下 。 油管变形是油管受力从受束缚最近的地方开始最明显, 通过管柱特点分析 , 联作 管柱 主要 的受力状 况是 在射 孔、 酸 化 、 测试时三种 工况 。 测试状况 根据 计算 , 当封 隔器坐 封时 管柱加 压过 重测 试气产量达到一定值, 则封隔器以上管柱可能出现永久螺旋 弯曲, 但从起出的管柱看紧靠封隔器下的三根油管出现永久 弯曲, 而上部油管未变形弯曲。 由螺旋 屈曲临界载荷公式 F ㈩ 式中 一 临界载荷 管柱轴向压力 ; E 一杨氏模量 , MP a ; , 一转动惯量 , I 1 1 ; g 一单位长度 自重, k g / m; 间隙 , m m; c 一系数, 对于直井大约0 . 0 4 1 6 。 计算得出封隔器以下管柱发生永久螺旋屈 曲的受力临 界值最小为 一1 4 . 4 3 7 k N 轴向压缩力 。对酸化测试进行计 算, 在气产量 2 5 2 X 1 0 m / d时, 封隔器下端油管受力为 一 7 . 4 k N, 因此封隔器下端油管发生永久屈 曲是不可能 。 酸化状况 封隔器以下管柱向下是悬挂状态, 酸化时产 生的摩阻所带来的向卞拉力延管柱向下释放没有受到束缚, 而液体温差变化管柱收缩, 下部油管处于悬挂状态没有受到 束缚 , 因此封隔器以下油管不会在酸化作业时变形弯曲, 而 封隔器以下三根油管产生永久变形, 可以推断是 由于其它因 素造成。 射孔状况 射孔枪起爆时枪内的高压气体向井筒内释 放 , 这部分高压气体会推动管柱向上强烈冲击振动, 由于冲 击波 , 使油管柱产生沿油管轴线的纵向振动和与油管柱轴向 垂直的横向振动, 在油管柱 中产生某一时刻 的共振峰值载 荷, 使管柱受力处于恶劣状态, 可能造成管柱的损伤。 软件模拟分析 P u l s F r a c计算机程序是一套专用工程设 计软件 , 用 于计算 射孔 瞬间管 柱受 力情况 以及 裂缝长 度 、 宽 度, 井筒 内压力变化等, 通过 P u l s F r a c 射孔软件, 对龙 1 6井 施工作业管柱进行了受力分析, 在封隔器以下管柱模拟监测 了 1 0个点 , 结果如表 1 所示 。 . 表 l 软件模拟射 孔管柱综合受力数据表 深度 m 5 9 2 1 5 9 0 1 5 8 6 0 5 8 3 0 5 7 8 0 5 7 o o 5 6 0 0 5 4 9 0 5 3 o o 5 2 3 1 受力 k N 1 2 7 1 1 2 9 2 7 8 5 8 4 7 4 0 3 6 3 2 3 0 监测点离射孔顶界的距 离 m 1 0 3 0 7 0 1 o o 1 5 0 2 3 0 3 3 0 4 4 0 6 3 0 7 0 0 数据显示了射孔管柱在不同位置的综合受力值, 模拟结 果说明管柱在射孔瞬间, 离射孔顶界越远受力越小。从表 1 中看出鱼顶 5 4 8 0 . 9 5 r n 处的综合受力值为 3 6 k N,HP H T 封隔器底端 5 2 2 2 . 3 5 13 3 处的油管受力为 3 0 k N; 01 2 7 尾管头 深度 5 2 4 0 1T I ; H P H T封 隔器底 端至 0 1 2 7尾管 头油管 长度 1 7 . 6 5 n l 。 根据计算 , 龙 l 6井井下测试联作管柱结构状况下,当 0 1 2 7尾管头深度的油管受到轴向力 2 . 2 9 k N、 侧向力 0 . 4 6 k N同时作用时, 会发生弯曲。 通过以上分析可以看出, 射孔时在不考虑减震器的情况 下, 尾管头深度的油管受到综合应力 3 0 k N, 大大超过轴向力 2 . 2 9 k N、 侧向力 0 . 4 6 k N同时作用时的临界综合受力值, 因 此发生弯曲是必然的。通过前面的分析, 发生永久螺旋弯曲 的临界值是 l 4 . 7 4 k N, 在不考虑减震器的情况下, 封隔器以 下油管将受到 3 0 k N的应力 , 已大大超过 l 4 . 7 4 k N的临界 值 , 则发生弯曲的油管将不能恢复原形, 从而产生永久螺旋 弯曲。考虑管柱中有减震器时, 有可能发生减震器失效或减 震效果不好, 同样会产生失效发生永久弯曲。 2 .油管断落原因分析 7 3 mm 3 S B油管的抗拉强度为6 5 0 k N, 油管肯定是受外 力作用而断落, 从施工资料分析, 管柱在压井解封 以前断口 处主要的受力为 ①射孔前 自然悬重产生的拉力; ②射孔时 的爆炸震动力 ; ③酸化时的内压力和摩阻产生的向下拉力; 从前面的分析推断① 、 ②种情况不可能造成油管的断落, 第 ③种情况 内压力是横 向作用 , 由于与管外压力 相抵消不 可能 造成油管的断落。摩阻产生的向下拉力 在封隔器坐封的情 况下, 由于油管与套管之问无液体流动, 所以环空无摩阻损 失。在油管内部存在液体流动, 有摩阻损失 , 对油管就是表 现为向下的拉力。做一个模拟计算 , 把油管柱从断 口以下长 度部分截取至井口, 计算出在相应酸化流量时的摩阻损失, 再乘以油管内容横截面积, 即得出酸化时断V I 处所受液体流 动产生摩阻所带来的向下拉力。管内摩阻计算见式 2 一式 5 , 结果见表 2 。 1 0 4 钻 采 工 艺 DRI L L I NG & P RODUCT I ON TEC HNOL OGY 2 0 0 9年 9 月 S e p .2 0 09 表 2 酸化时管串内摩 阻压降计算数据表 排量 长度 内径 内容积 流速 流体密度 流体摩 管 内压降 名称 I /s m m L / m m/ s g / c m 阻系数 b l P a 0 8 9油管 3 6 . 7 4 7 2 . 9 7 O . O 6 2 3 . 0 2 1 2 . 1 5 2 1 . 1 O . o 3 1 8 . 5 8 8 合计 1 8 . 5 9 , Pl p g 1 0。 A 1 x ,U 2 P , 掣 1 0 。 ’ 一 2 d 式中 P 一摩阻压降, MP a ; 广 管内流动水力损失高度 , m; A 一流体摩阻系数 ; Z 一长度 , m; d _管柱内径, m; 流速 , m / s ; p 一流 体密度 , g / c m 。 2 3 4 断口处摩阻产生拉力计算 F Pl S 1 8 . 5 9 X 0 。 0 0 3 0 2 x1 0 N5 6 . 0 k N 5 7 3 m m 3 S B油管的抗拉强度 6 5 0 k N。 由此判断酸化时由于摩阻额外增加的向下拉力不会造 成油管的断落, 因此第三种情况不可能造成油管的断落, 由 此推断一定是在压井、 解封 、 堵漏、 起钻过程中油管断落。 压井状况 从压井施 工工艺 分析 , 管柱 内外 液体循 环 流 动, 其流量远小于酸化时, 由摩阻产生的内外拉力相抵消一 部分, 不会超过管柱抗拉强度, 油管不会断落。 堵漏状况 按最恶 劣情况计 算 , 堵 漏 时排量 6 . 3 L / s , 环 空失返, 此时由于摩阻产生向下拉力, 管内摩阻计算结果见 表 3 。 表 3 堵漏时管串内压降计算数据表 排量 长度 内径 内容积 流速 流体密度 流体摩 管 内压降 名 称 L / s m m L / m In / s g / c m 阻系数 MP a 0 8 9油管 6 . 3 4 7 2 . 9 7 O . O 6 2 3 . 0 2 2 . 0 8 6 2 . 3 2 O . O 3 1 . 1 5 5 合计 1 . 1 6 可 以判断 1 . 1 6 M P a 摩 阻状况产生 的下拉 力不 可能拉断 油管。 堵漏后起钻状况 根据施工资料分析, 堵漏后起钻悬重 正常, 由此判断油管在堵漏后起钻时未拉断。 通过 以上分析 , 判 断油管是在解封活动过程中被拉断。 H P H T封隔器解封原理 直接上提解封, 从起出管柱看, 断口相对齐整, 从施工资料分析 解封时由于井下情况复杂, 油管最大上提负荷 1 6 8 0 k N 。8 8 . 9 mm油管空气 中重量 1 1 4 0 k N, 封 隔器 以上 油 管浮 力 2 9 8 k N , 方钻 杆 及游 车 重 1 0 0 k N, 封隔器解封后下部 7 3 m m油管受拉力 7 3 8 k N, 超过 6 5 0 k N的油管抗拉强度, 解封上提过程中油管从相对薄弱处 被拉断。此种情况必定是在断口以下管柱被卡住状况下才 能发生。从预计鱼顶5 4 8 2 . 3 7 m , 探得鱼顶 5 4 7 6 . 9 2 i n , 相 比较虽然两次鱼顶相差5 . 4 5 m, 但由于管柱更换存在数据误 差 , 判断管柱被卡死的可能性较大。 3 . 卡钻原因分析 卡钻部位 根据井下落鱼情况结构分析, 起出油管除靠 近封隔器的3根以外其余 2 4根油管均未变形 , 由此判断油 管被卡的可能性较小, 射孔枪被卡的可能较大, 复合管柱卡 点公 式 , 一 一 厶 1 0 6 计算在拉力 1 6 0 0 k N下得到卡点位置为5 9 5 0 . 5 3 m, 可 基本确定卡点深度在射孔枪位置。根据施工资料 , 落鱼结构 分析, 主要有桥浆塞、 射孔枪变形、 套管变形等原因可能造成 卡钻 。 桥浆塞 龙 1 6井在压井过程 中采用密度 2 . 3 2 c m 的 钻井液, 堵漏时添加了支撑堵漏剂 , 有可能钻井液在流动过 程中于射孔枪和套管环空之间形成桥浆塞, 而造成卡钻,根 据施工资料及前面的分析判断, 油管如果是桥浆塞作用在堵 漏前断落, 则管柱卡死的可能性较大, 也在一定程度上能解 释解封上提过程中管柱拉伸上行现象 如果堵漏前形成桥浆 塞, 当管柱上行到一定距离, 环塞压缩, 管柱被卡死, 油管被 提断, 同时环塞保留在环空中, 封闭了射孔枪与套管间的环 空渗流通道, 但从后面的堵漏施工分析, 共漏失堵漏钻井液 5 7 m , 说明环空的渗流通道依然存在 , 因此压井时不可能形 成桥浆塞, 否则渗流通道封闭就不会进行堵漏施工, 同时解 封前压井钻井液是普通钻井液, 未添加堵漏剂 , 形成桥浆塞 的可能性较小, 由此判断管柱在堵漏前未形成桥浆塞。堵漏 后因为添加固体堵漏剂则有可能在射孔枪与套管环空间形 成环形桥浆塞。 3 . 1射孔枪 变形 龙 1 6井射孔枪主要技术指标 规格 8 6型 带盲孔 ; 第 3 2卷 V0 1 . 3 2 第 5 期 No . 5 钻 采 工 艺 D R I I 工I NG&P R O D UC T I O N T E C H N OL O G Y 1 05 孔 密 1 6孔/ m; 相位 6 0 。 ; 耐压 1 4 0 M P a 。 射孔枪行标要求 6 s至 7 2 4 MPa 射孔枪毛刺高度 3 mm; 射孔枪膨胀量 5 mm; 龙 1 6井现场射孔枪指标 8 s至 8 5 0 MPa; 射孔枪毛刺高度 耋2 . 5 m m; 射 孔枪膨胀量 3 m m; 可以看 出龙 1 6井现场射孔枪 的机械性能 指标 、 膨 胀量 、 毛刺高度均优于行标, 能保证井下射孔的可靠性和安全性。 射孔枪在爆炸瞬间枪体膨胀, 枪管外产生毛刺, 可能造成射 孔枪严重变形 , 卡在套管内, 龙 l 6井所射套管 内径 1 0 2 . 7 m m, 射孔枪外径 8 6 m m, 环空平均距离 8 . 3 5 m m根据现场实 验及相关技术参数分析, 在正常情况下, 射孔枪在爆炸瞬间 枪体膨胀量小于 3 mm, 产生毛刺不会超过 2 . 5 m m, 总量 5 . 5 m m小于 8 . 3 5 mm的环空距离 , 同时近年来直井型射孔作业 中, 从未发生射孔枪膨胀卡钻复杂情况。因此射孔枪爆炸膨 胀卡钻的可能性较小 。 3 . 2套 管变形 1 固井质量原因。查阅龙 1 6井电测固井质量资料分 析 井段 5 5 9 0~ 5 6 4 8 m、 5 8 7 8~5 9 2 6 m, 声 幅值较高 , 部分 套管接箍信号明显, 水泥较少 , 固井质量较差, 5 9 2 6 . 6 9~ 5 9 3 5 . 9 4 m固井质量 中。试油射孔井段 5 9 3 1 . 4 0~5 9 5 4 . 4 0 m, 紧临固井质量差的井段, 5 9 2 6 . 6 9~ 5 9 3 5 . 9 4 m的射孔段 固井质量中, 同时落鱼井段 5 4 8 2 . 3 7~ 5 9 5 5 . 3 4 m包含了固 井质量差的井段。 龙 1 6尾管钢级 T P 1 4 0 V, 抗 内压 1 6 1 . 5 M P a , 抗外 挤 1 6 6 . 9 M P a , 正常情况下强度 能满足要 求 , 造 成下部射孔枪 遇 卡的原因有可能是射孔枪对应的尾管在射孔瞬间产生了高 内压, 并在尾管周围的地层形成附加压力 , 由于固井质量不 好, 套管与水泥环之间存在圈闭的钻井液压力和相应的空 间, 在射开套管时高内压传人地层, 瞬问增大圈闭空间的压 力, 井筒内这个高内压消失的同时, 作用于套管的地层压力 和附加压力及瞬间增大的圈闭压力超过套管抗挤强度, 造成 套管变形。 2 地层原因。从钻井及测井资料分析 , 井段 5 9 1 4 5 9 1 9 m 是泥岩层段, 四川盆地深井泥岩层段很少, 该井段固 井质量中到差 , 泥岩层膨胀与相邻层位容易发生挫动 , 这个 过程是缓慢渐近的, 钻井及固井过程中泥岩层的影响并未显 现, 固井后应力逐渐聚集发生作用, 使套管处于横向的受力 状态 , 此时套管强度可以抵抗横向的作用力不会发生变形, 射孔爆炸时产生振动, 打破了原有的平衡状态, 当振动产生 的横向载荷与原作用力发生重叠时使相应套管受到峰值载 荷超过其抗剪挤强度, 则套管发生变形可能卡住管柱。 三 、 结论与建议 1 龙 1 6井封隔器以下 3根油管发生永久螺旋弯曲很 可能是射孔瞬间产生上顶力引起。由于瞬间冲击波在油管 柱中产生某一时刻的纵向与横向共振峰值载荷, 使管柱受力 处于恶劣状态 , 超过其屈服强度而发生永久螺旋弯 曲。 2 7 3 mm 3 S B油管断落是井下管柱被卡, 在封隔器解 封活动上 提过 程中 , 胶筒 未完 全收缩 , 封隔 器下 7 3 m m 3 S B 油管所受拉力超过其强度而从相对薄弱处被拉断。 3 井下管柱被卡, 套管变形可能性最大, 很可能是由于 固井质量不好 , 在射开套管瞬间高内压传人地层 , 综合应力 超过套管抗挤强度 , 造成套管变形, 卡住射孔枪; 也有可能由 于泥岩层的膨胀产生应力 , 在射孔时振动产生的载荷与原应 力发生重叠使相应套管受到峰值载荷超过其抗剪挤强度, 造 成套管变形卡住管柱。 4 在射孔管柱中使用性能良好可靠的减震器同时提高 油管的钢级强度, 以降底射孑 L 爆炸时所产生的上顶力, 确保 井下管柱的安全; 在类似井的作业中, 0 1 4 6封隔器应尽量靠 近 0 1 2 7尾管头, 以提高其抗屈服强度 , 或在满足施工工艺条 件下封隔器远离尾管头, 以距离来抵消爆炸震动产生的上顶 力。 5 进一步优化固井施工设计, 提高固井工艺水平, 保证 固井质量良好 , 固井质量不好的井段发生套管变形的可能性 最大, 目前深井尾管固井工艺技术还不能完全保证良好的固 井质量 。同时在膏盐 , 泥岩等易发生 流动变形层 段选用强度 高的套管, 以克服地层流动变形产生的应力 , 确保井下套管 的安全。 6 在打捞落鱼过程中要充分考虑井控风险, 如果堵漏 施工中形成了桥浆塞, 则存在很大的井控风险, 处理复杂时 当浆塞 活动 , 渗流通道重新连通 , 将 可能出现井 下大漏 , 给施 工作业带来极大的风险, 所以要制定详细的安全预案确保施 工顺利 。 参考文献 [ 1 ] 赵金洲 , 张桂 林. 钻 井 工程 技 术 手 册 [ M] .2 0 0 4,I S B N 7 8 01 6 4 6 8 35 . 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