水平分支井技术套管固井技术研究及应用

-75-水平分支井技术套管固井技术研究及应用450006【摘要】【关键词】水【中图分类号】【文献标识码】A【文章编号（一）基本情况1.DF2井二开采用311.2mm钻头钻进，A点井深3111m，昀大井斜91.20度，下入244.5mm技术套管，是本工区目前昀大井眼条件下下入244.5mm套管，施工难度相对较大。2.地层压力。鄂北气田储层属于低压沙岩气藏。平均为0.0090MPa/m。在鄂北气田固井计算时，地层空隙压力梯度考虑到现场施工的安全性，应取0.0112MPa/m为准。3.通过压裂数据的推算，储层段破压梯度在0.155～0.198MPa/10m之间；因此，设计时每口井破压梯度应以0.16MPa/10m计算。4.鄂北气田气藏温度在81～92℃之间，平均86.5℃。通过多口井固井总结，将井内循环温度设定在65～70℃，以此为依据来测定与设计水泥浆体系性能。（二）存在的难点及分析1.煤层跨塌问题。由于在井深2865～3067井段共存在5套煤层，煤层段长昀大达到4m，该井段井斜角从61度到91.2度，为了煤层保持稳定，钻井液密度必须控制在1.24g/cm3以上，固井前不得降低密度。2.水泥浆流变性问题。DF2井水泥浆密度要求较高，对流变性提出一定要求，施工过程中很难达到紊流状态，并且在紊流状态下容易造成井下漏失，难于保证固井质量；DF2井A点前施工目的：保证在不压漏地层前提下使水泥浆全井段封固上返，能够安全顺利提交A点，为水平井段施工提供条件。3.气层压稳、固井质量问题。产层的上半区段普遍存在气侵窜现象，从鄂北气田近几年固井质量分析，一次注水泥作业中，固井中易发生井漏现象，DF2井需要保证煤层稳定，水泥浆密度必须达到一定要求，要求低密度水泥浆返出井口，固井质量难于保证。（三）采取的措施1.通井技术措施（1）下套管前，根据电测井径情况对小井眼段和遇阻段要反复认真通井、划眼和循环洗井，做到起下钻顺畅无阻卡，为顺利下套管创造良好的井眼条件，同时为降低下套管摩阻，要求昀后一次通井时在水平及大斜度井段泥浆中加入固体润滑剂。（2）通井过程中要大排量洗井，要求排量不小于67L/S，并进行分段循环泥浆，水平段及大斜度井段每150m循环一周，使井内无沉砂，循环钻井液密度控制在1.23～1.24g/cm3保证煤层井段地层压力稳定；（3）计算能使套管成功下入的井眼条件①所下244.5mm套管曲率半径的计算：根据公式R=E*D*K1*K2/200*rp=179（m）R：允许套管弯曲半径E：钢材弹性模量206X106kPaD：套管外径（cm）rp：钢材屈服极限758X103kPaK1：抗弯安全系数1.8K2：螺纹连接安全系数3②井眼允许套管下入的曲率条件：定向井井眼曲率半径计算：R0=360*S/2*3.14*KK=360*S/2*3.14*R0=32R0：井眼曲率半径S：100mK：井眼曲率度/100根据套管的弯曲半径179m,计算井眼的允许井眼曲率32度/100m。实际测井的井眼曲率17.5度/100m，能够满足下套管要求。2.压漏及压稳计算注水泥作业过程中压力计算：地层压力（Pin）×1.05＜环空液柱压力（P）+动摩阻压力＜地层破裂压力（Pout）×0.95计算方法：P=地层破裂压力（Pout）×A(A为液柱压力系数，现场统计回归，A取值范围为0.83～0.86)=45.19×0.86=38.86MpaP=0.00981×（Lm×ρm+Lw×ρw+Lz×ρz+Ll×ρl+Lc×ρc）=38.3Mpa式中：Lm——泥浆长度（m）；【收稿日期】【作者简介】-76-ρm——泥浆密度（g/cm3）；Lw——前置液长度（m）；ρw——前置液密度（g/cm3）；Lz——低密度水泥浆段长度（m）；ρz——低密度水泥浆密度（g/cm3）；Ll——过渡水泥浆段长度（m）；ρl——过渡水泥浆密度（g/cm3）；Lc——尾浆段长度（m）；ρc——尾浆段密度（g/cm3）。在目的层段水泥浆失重为水柱压力时的压力计算P=地层压力（Pin）×B（B为气层段压稳系数，现场统计回归，B取值范围为1.07～1.09）=32.48×1.07=34.75MpaP=0.00981×（Lm×ρm+Lw×ρw+Lz×ρz+Ll×ρl+Lc×ρw）式中：Lm——泥浆长度（m）；ρm——泥浆密度（g/cm3）；Lw——前置液长度（m）；ρw——前置液密度（g/cm3）；Lz——低密度水泥浆段长度（m）；ρz——低密度水泥浆密度（g/cm3）；Ll——过渡水泥浆段长度（m）；ρl——过渡水泥浆密度（g/cm3）；Lc——尾浆段长度（m）；ρw——清水密度（g/cm3）。通过注水泥作业过程中压力计算，可以控制在现场注水泥施工中前置液密度不得大于1.23g/cm3才能够保证不发生漏失及其它固井风险，做到现场施工正常；通过在目的层段水泥浆失重为水柱压力时的压力计算，保证在尾浆失重情况下，目的层不发生气窜、气侵现象，采用当量水泥浆密度1.236g/cm3保证固井质量。由上述两方面的计算，能很好的设计好产层段上部各浆体的性能及用量，使得尾浆在失去流动性（胶凝强度大于150Pa）后仍能承载大于气层窜入压力的覆盖压力；以避免尾浆在仍有流动性的情况下，气窜压力大于上部的覆盖压力值，使得地层气体在浆体中形成窜路，造成全井或长井段的气侵窜，影响固井质量。3.水泥浆流动性确定（1）套管居中度的影响。由于水平井的井斜角大，大斜度井段和水平井段套管所受的重力方向不再是轴向而是径向，这一重力极易导致套管偏心，使套管低边的钻井液驱动困难，容易窜槽，从而影响水泥浆的顶替效率。（2）顶替排量的影响。DF2井的技术套管固井是一次全返井，合理确定前期替浆排量能有效避免漏失和提高顶替水泥浆的效率。经过理论计算确定下列排量数据：低密度紊流临界排量：Vc=1.82m/sQc=75.61/s常规水泥浆塞流临界排量：Vc=0.14m/sQc=5.86l/s由于是技术套管固井，防止下部煤层漏失，故此缩短紊流顶替井段，或者在没有起压的情况下采用紊流顶替，然后采用塞流方式顶替，防止动压造成压漏地层，使施工中断。4.套管扶正器安放位置采用“抬头工艺”，即在浮鞋段连续加放3个弹性扶正器，使浮鞋在大斜度井段离开井壁，以减小前部套管摩阻，导引套管顺利进入大斜度井段；在斜度较大井段采用刚性旋流扶正器尽量使套管达到居中，从而保证固井质量。井段m类型规格加放方法数量（个）0.0-2600弹扶95/8″×121/4″1/12222600-2800弹扶95/8″×121/4″1/372800.0-2960刚性旋流扶正器（合金或聚酯）95/8″×121/4″1/282960-3080刚性旋流扶正器（合金或聚酯）95/8″×121/4″1/343080.0-3109.01弹扶95/8″×121/4″1/13（四）施工设计情况1.入井水泥浆压力设计鄂尔多斯气田经验取得：地层破漏压力为44.95Mpa；地层压力（井底）32.48Mpa；水泥浆失重情况下压稳当量泥浆密度为：1.22g/cm3；要求低密度水泥浆上返到地面。￠311.2mm井眼井斜深3111m，垂深2879m；￠244.5mm套管下深3109.09m：地层压力：32.48(MPa)；地层破裂压力：44.95(MPa)；环空液柱压力：38.30(MPa)；尾浆段液柱压力：1.90×379m×0.00981=7.06(MPa)；过渡浆段液柱压力：1.75×200m×0.00981=3.43(MPa)；前置液液柱压力：1.23×200m×0.00981=2.41(MPa)。低密度水泥浆体系密度与封长的确定：根据压漏和压稳公式可以进行低密度段液柱压力计算。低密度段液柱压力+环空泥浆液柱压力=环空液柱压力-尾浆段液柱压力-领浆段液柱压力-前置液液柱压力低密度段液柱压力+环空泥浆液柱压力=38.3-7.06-3.43-2.41=25.4通过上述计算数据，既可确定低密度水泥浆的密度值与它相对应的封固长度。经过现场试验总结，低密度密度控制在1.21～1.23g/cm3，封长控制在2300m。2.施工井口压力控制设计：固井的动摩阻压力要求：顶替过程中静液柱压差=（1.23×2300+1.75×200+1.90×379－1.23×2879）×0.00981=3.51(MPa)顶替过程中动摩阻压力=10(MPa)顶替过程中昀大压力=（3.51+10）×1.20=16.21(MPa)从结果来看，DF2井固井未发生井下漏失，并且固井质量良好，同时证明了采用“近平衡压力固井设计”在大尺寸井眼及套管固井中的可行性。（五）DF2井现场施工1.完钻井深：3111m，设计水泥返到地面。注前置液：8m3；低密度水泥浆132m3，平均密度1.23g/cm3；注领浆10m3，平均密度1.75g/cm3。注尾浆30m3，平均密度：1.90g/cm3。2.替浆：总替浆量118.3m3，其中水泥车压塞2.0m3，在压塞1.5m3的时候打开大泵替浆闸门，井队1台-73-1.③层高压喷射注浆复合地基承载力计算注浆孔孔径Ø150，孔位呈等边三角形布置，因此有：de=1.05S（孔距）=1.05x1.2=1.26m；m=d²/de²=0.15²/1.26²=0.0142；AP=3.14x0.075²=0.0177m²；Up=2x3.14x0.075=0.471m；fsk=85kPa；li=6.1m；qsi=50kPa(估计值)；qp=4500kPa;β=0.2；Ra=up1nsiiipl=∑+qpAp=0.471x6.1x50+4500x0.0177=223.3kNfspk=mapRA+β(1-m)fsk=0.0142x223.30.0177+0.2(1-0.0142)x85=196.0kPa2.②层水泥碎石桩复合地基承载力计算孔径Ø150，孔位呈正方形布置，因此有：de=1.13S（孔距）=1.13x1.2=1.356m；m=d²/de²=0.15²/1.356²=0.0122；AP=3.14x0.075²=0.0177m²；Up=2x3.14x0.075=0.471m；fsk=70kPa；li=8.0m；qsi=25kPa(估计值)；qp=3000kPa；β=0.75；Ra=up1nsiiipl=∑+qpAp=0.471x8.0x25+3000x0.0177=147.3kNfspk=mapRA+β(1-m)fsk=0.0122x147.30.0177+0.75(1-0.0122)x70=153.3kPa从以上估算来看，两层复合地基承载力均可得到很大程度的提高，除去①层表土后，可以②层水泥碎石桩复合地基作为基础持力层。（四）高压喷射注浆法和水泥碎石桩的施工施工顺序是先采用高压喷射注浆法处理处于基岩面上平均厚度为6.1m的第③层松散状砾砂层，后施工平均厚度为8m的第②层软塑状状粉质粘土。1.高压喷射注浆加固处理注浆孔按三角形布置，孔深至基岩面，以GY-1型钻机冲击成孔，孔径Ø150，成孔后，采用三管法灌入喷射管，自下而上注入1∶1水泥浆掺5%～10%水玻璃的混合液，注浆压力为0.3～0.5MPa。3个注浆孔，4个钻工人外加2个搅浆工人作业，从钻孔到灌浆完工，需3～5天。2.水泥碎石桩的施工桩孔按正方形布置，孔深9～11m，同样GY-1型钻机冲击成孔，孔径Ø150，成孔后，以1∶4水泥、碎石干拌后倒入预成孔内，边倒边以重锤冲击挤密，直至基础设计底面标高。4个碎石桩孔，4个钻工人外加2个搅浆工人作业，从钻孔到灌浆完工，需5～7天。（五）结束语软弱地基加固处理施工结束后，由于受持续低温阴雨天气的影响，水泥浆液固结缓慢，处理后的复合地基的力学强度达不到相邻柱基持力层的力学强度。昀后通过加大此复合地基上的柱基面积，并在基础面设置圈梁加强上部结构的整体刚度，以减少不均匀沉降。通过计算比较和实际施工检验，采用高压喷射注浆法或水泥碎石桩、或者二者联合使用处理软弱地基，工期短、造价低、计算简便、安全可靠、施工方便、使用机具简单，特别适合中、低层建筑的软弱地基的处理。【