实体膨胀管钻井工艺在塔河油田的应用

塔河油田侧钻井段泥岩裸露给钻井与完井作业造成很大影响。为此,将实体膨胀管钻井技术在塔河油田进行推广应用。该技术的成功应用,解决了177.8 mm套管开窗侧钻难题,为后期钻井、完井和采油作业开辟了新的途径。针对膨胀管钻井工艺研究的一系列配套技术保障了膨胀作业的顺利实施,为同类型油气井现场作业提供了重要的依据和借鉴。通过分析塔河油田膨胀管钻井工艺现场施工参数,验证了基于弹塑性力学膨胀力计算解析解的适用性,为后期工艺优化提供了指导。根据膨胀力计算理论分析膨胀力影响因素可知,适当增大半锥角并尽可能降低摩擦因数可降低现场施工泵压,有利于减少施工过程中的复杂情况。     

实体膨胀管在封隔深井侧钻井复杂泥岩段的应用

实体膨胀管不仅能有效封隔复杂地层,也能保证较大完井尺寸。但实体膨胀管在塔河油田封隔深井侧钻井复杂泥岩井段时,存在井壁失稳、小井眼定向扩孔效果不确定、实体膨胀管膨胀规律及影响因素不明确、二开小井眼定向钻进配套工具不完善,无成功经验可借鉴等施工难点。因此,对其扩孔工具、膨胀规律、二开钻进配套工具等关键技术进行了可行性分析和现场试验,并成功在试验井斜井段实现437m的复杂泥岩封隔。实践表明:实体膨胀管能够满足深井侧钻井的封隔要求,并保证二开小井眼井段的顺利钻进。     

实体膨胀管技术在TK6-463CH井的应用

膨胀管技术是20世纪90年代出现的新型技术,主要用来优化深井井身结构、处理井壁掉块及坍塌、封堵漏失层、修补损坏的套管。介绍了塔河油田TK6-463CH井应用实体膨胀管固井的施工工工艺及效果,在该井采用139.7 mm实体膨胀管,有效地封隔了石炭系不稳定泥岩地层,取得了较好的老井改造效果。     

膨胀管封隔复杂地层钻完井技术在侧钻井的应用

塔河油田为避开老井水体,老井侧钻上提造斜点钻遇上覆石炭系巴楚组或奥陶系桑塔木组泥岩井段,泥岩垮塌掉快堵塞采油井筒。为此,通过深井侧钻技术难点分析、扩孔工具优选、膨胀管关键技术分析及深井φ130.0 mm小井眼定向钻井技术配套,形成了一套适用于塔河油田深井侧钻井的随钻扩孔、膨胀管封隔复杂地层及后续小井眼定向钻井的非常规钻完井方案。同时布置了THA井进行试验,试验井创造了国内单次作业最长428 m和施工最深5 508 m 2项记录。现场应用结果表明,膨胀管封隔复杂地层钻完井技术解决了塔河油田φ177.8 mm套管开窗侧钻泥岩垮塌带来的技术难题,确保了钻井、完井和采油等作业井眼稳定;配套的深井φ130.0 mm小井眼定向钻井所需的钻杆、动力钻具和MWD,可以确保泥岩封隔井二开小井眼顺利钻至完钻井深。     

塔河油田Φ177.8 mm套管开窗侧钻井技术难题与对策探讨

近年来,塔河油田为满足部分侧钻井的地质避水要求,采取从石炭系巴楚组或奥陶系上部桑塔木组泥岩段进行开窗侧钻,但泥岩在井内液体浸泡下存在易坍塌、掉块等不稳定问题,给钻井、完井带来了巨大的安全隐患。此文介绍了塔河油田φ177.8 mm套管开窗侧钻井技术现状与难题,探讨了下φ127 mm套管、膨胀波纹管、实体膨胀管封隔泥岩三种技术方案的可行性。     

实体膨胀管膨胀力解析解及试验研究

采用金属塑性变形理论,用解析法研究了实体膨胀管在大的径向塑性变形下的力学响应,获得了计算实体膨胀管膨胀力和接触压力的解析解模型。据此模型,计算了139.7 mm×7.72 mm N80钢级实体膨胀管以15%的膨胀率进行膨胀时所需的膨胀力。为了验证该解析解模型的准确性,试验研究了139.7 mm×7.72 mm N80钢级实体膨胀管以15%的膨胀率进行膨胀时膨胀力的变化状态,并将试验值与实例计算值进行对比,二者最大相对误差为9.2%,属于工程许可的精度范围。因此,该解析解模型可以用于指导膨胀工具和施工工艺设计。     

深井侧钻井复杂泥岩封隔技术研究与应用

针对塔河油田奥陶系侧钻井桑塔木和巴楚组泥岩坍塌问题,提出了扩孔后下入139.7mm膨胀套管封隔复杂泥岩地层,然后持续钻进两开次的技术方案。优选了5in×5in×4in CSDR5211S-B2双心扩孔钻头和475K4570型螺杆进行定向随钻扩孔,并对膨胀套管、小井眼钻井等关键技术进行配套。该技术在塔河油田成功应用3口井,应用结果表明,采用定向随钻扩孔工艺平均井眼扩大率为0.50%~14.77%,解决了塔河油田侧钻井存在的扩孔技术难题;此外,膨胀套管作业长达428 m,施工深达5 508 m,固井优良率达84.9%。深井侧钻井复杂泥岩封隔技术为钻井过程中封隔复杂地层提供了新的技术手段。     

实体膨胀管数值模拟及膨胀锥锥角优化设计

选择了一种实体膨胀管,对其不同锥角时的膨胀过程进行了详细的数值模拟,研究了膨胀锥锥角与膨胀压力、压力波动、膨胀后半径及轴向缩短量的关系,以期为膨胀锥的优化设计提供理论参考。建模时采用非线性有限元分析软件ABAQUS,膨胀锥为主面,膨胀管内壁为从面。结果表明,随着锥角的增大,膨胀压力和启动压力都逐渐增大,轴向缩短量随着锥角的增大而减小,锥角为15°时膨胀管轴向缩短量约为总膨胀长度的1.7%,综合膨胀压力、膨胀后半径及压力波动,比较理想的膨胀锥锥角为15～17°以及22°。     

膨胀管技术在塔河油田T816KCH2井的应用

老井侧钻是降低油气开采成本的有效途径之一。塔河油田受井眼尺寸、避水要求、不稳定泥岩、复杂压力体系等原因影响,侧钻难度极大。在T816KCH2井试验了膨胀管技术,对T816KCH2井膨胀管方案进行了充分的论证,并进行了现场试验。采用φ139.7mm膨胀管封固上部不稳定地层和压力体系,膨胀后内径可达φ134mm,采用φ130mm钻头钻进,顺利完钻。膨胀管钻井技术在T816KCH2井的成功应用对塔河油田老井改造具有重大意义。     

塔河油田深层侧钻水平井膨胀套管钻井完井技术

塔河油田奥陶系储层侧钻水平井受老井井身结构、地层及地质避水要求等的限制,需要提高造斜点至上部石炭系泥岩段地层,而该地层与奥陶系储层为2套不同的压力系统,因此如何有效封堵石炭系易塌地层,是高效开发该地区奥陶系剩余油的关键。采用膨胀套管充当技术套管封堵钻井复杂地层,通过优化井身结构及后续的钻井工艺,为解决塔河油田深层侧钻水平井钻井、完井难点提供了一套全新的方案。针对塔河油田φ177.8 mm套管深层开窗侧钻井的钻井、完井难点,通过深入分析研究膨胀套管管材和膨胀螺纹等关键问题,完善了深井膨胀套管的施工工艺和实施程序,探索出一套塔河油田深层侧钻水平井膨胀套管钻井完井技术。该技术在塔河油田现场试验3口井,开窗层位均位于石炭系地层,开窗点深于5 100 m,侧钻后在斜井段成功封堵裸眼复杂地层,实现了国产膨胀套管首次在裸眼定向井段的封堵应用,为钻井、完井中封堵复杂地层提供了新的技术手段。      

塔河油田膨胀管井钻井技术

塔河油田奥陶系碳酸盐储层石油资源丰富,随着开采周期的延长,采出量的增加,开采成本也相应增加,老井侧钻是降低油气开发成本的有效途径之一,但塔河油田受制于井眼尺寸、避水要求、不稳定泥岩、复杂的压力体系等原因,套管开窗侧钻难度极大。鉴于膨胀管技术在处理复杂地层和压力体系方面具有独特的优势,并可节约套管层次,因此在塔河油田进行了3口井试验,均取得成功。对3口试验井情况进行了总结,对井身结构设计、井眼轨道设计、套管开窗方式、扩眼方式、钻具组合和钻井参数等进行了详细的阐述,试验证明膨胀管技术能够解决该区块侧钻井面临的难点,对于老井改造具有重要意义,但还需加强配套工具设备研制,以进一步提高膨胀管钻井经济性。     

实体膨胀管实物膨胀评价装置设计

针对现有简易膨胀试验装置存在的膨胀力小、膨胀速度慢、膨胀过程和现场实际不一致等问题,设计了专业的实体膨胀管实物膨胀评价装置。该装置可模拟油田现场井下膨胀情况,对膨胀管进行膨胀检测和评价,且可在单纯的机械拉力或单纯的水压或两者共同作用下对膨胀管进行膨胀试验。利用该装置还可进行钢管膨胀变形规律研究、膨胀管材料选择和开发、膨胀锥优化设计、膨胀工艺研究等,在保证膨胀管产品质量的同时将大力促进实体膨胀管的国产化。     

ф149.2mm膨胀波纹管在塔河油田侧钻井的应用

针对塔河油田奥陶系储层侧钻井桑塔木组泥岩地层钻完井过程中存在的坍塌等现象,进行了小尺寸膨胀波纹管封隔井段现场试验。试验在塔河油田侧钻井TH10410CH2井中进行。下入波纹管管串总长169 m,封隔井段深度为5 693～5 862 m的桑塔木组泥岩地层和良里塔格组地层。试验过程中波纹管下入、投球碰压及倒扣均顺利实施,但因封隔井段每30 m井眼曲率达26.78°以及管串连接强度等问题造成水力膨胀未达到预期的波纹管通径,机械膨胀不能有效进行。试验结果为下一步进行针对性的试验提供了参考。     

实体膨胀管膨胀力影响因素数值模拟

根据弹塑性有限元理论,建立了膨胀套管膨胀所需膨胀液压力与摩擦因数、膨胀率、膨胀锥锥角的非线性接触的有限元力学模型。通过所建模型的求解,对膨胀液压力的影响因素进行了深入研究,并定量分析了摩擦因数、膨胀率、膨胀锥锥角对膨胀力的影响规律。研究表明:在其他条件相同的情况下,膨胀液压力随摩擦因数或膨胀膨胀幅度增加而线性增大,随膨胀锥角的增大,膨胀液压力呈现先减小后增大的规律。此研究为膨胀工艺的设计提供了理论参考。     

实体膨胀管膨胀工具优化分析

为了使膨胀管技术在国内得到大范围应用,采用三维弹塑性接触问题有限元法着重研究膨胀工具的锥角、定径长在膨胀过程中变形力以及残余应力的变化规律。采用ANSYS10.0建立膨胀管模型以及膨胀锥三维实体模型,单元类型选择Solid95,网格划分采用映射网格。研究结果表明,在膨胀锥锥角保持不变的情况下,膨胀锥定径长对膨胀后套管的残余应力没有太大影响,但对套管膨胀所需要的膨胀力有较大影响;膨胀锥锥角对套管最大残余应力没有影响,但对膨胀力的影响十分明显,当膨胀力的径向分力大于材料的抗拉强度时,材料将发生破坏。     

深层侧钻水平井膨胀套管钻井封堵技术研究

针对塔河油田部分深层侧钻井存在地质避水要求,且钻遇易漏和易坍塌地层的情况,分析了塔河侧钻井现状及难点,优选了技术方案并探讨其可行性,采用膨胀套管充当技术套管封堵复杂层。结合深层侧钻水平井的井况条件,对膨胀套管关键技术进行研究及优化,完善了技术实施方案。详细介绍了膨胀套管技术在TK6-463CH井首次封堵应用情况,现场应用结果显示,膨胀套管实施后能够满足钻井封堵和后续非常规小井眼钻井要求,为其提供了一种全新的解决方案,也为膨胀套管技术在复杂地层钻井提供了技术基础。     

改进膨胀尾管悬挂器悬挂力技术研究

为提高膨胀尾管悬挂器的悬挂力和膨胀过程中膨胀锥与膨胀本体的润滑性能,对膨胀尾管悬挂器的膨胀结构进行了改进,在膨胀本体外壁镶嵌金属块提高其悬挂能力;通过在膨胀本体内表面和膨胀锥表面预涂固体润滑涂层,提高其润滑性能,降低膨胀力。膨胀尾管悬挂器膨胀试验表明:膨胀本体镶嵌单组金属块的悬挂力达到200 kN,与未镶嵌金属块相比提高了3倍;预涂固体润滑涂层后膨胀力为268 kN,与未经过润滑相比降低了21%。这表明,在膨胀本体外壁镶嵌金属块可以提高膨胀尾管悬管挂器的悬挂润滑性能,在膨胀本体内表面和膨胀锥表面预涂固体润滑涂层的方法可以改善悬挂器的润滑性能。      

套损井多次补贴用可变径膨胀锥设计与性能分析

针对套损井已补贴段下方无法进行多次补贴的问题,设计了一种可变径膨胀锥,以实现膨胀工具小直径入井、大直径膨胀,从而达到对套损井多次补贴的目的。在设计可变径膨胀锥结构的基础上,建立了膨胀锥闭合过程中的力学计算模型和运动计算模型,得到了膨胀力与推力、楔形角、摩擦系数的函数关系及推力与约束力、摩擦系数的函数关系。计算结果表明,可变径膨胀锥的膨胀力是推力的1.53倍,端面摩擦系数由0.1增大至0.4过程中推力增大8.8 kN,由0.5增大至0.8过程中推力增大19.0 kN,膨胀锥最大应力454 MPa。样机室内试验结果表明,该工具结构设计合理,启动压力3~5 MPa,完全闭合压力52 MPa,膨胀锥最大外径由188.0 mm增大至220.0 mm,与常规膨胀锥尺寸相同,膨胀率达17.02%。研究结果表明,可变径膨胀锥的膨胀力随推力增大而线性增大,能够实现膨胀工具小直径入井、大直径膨胀,进一步降低闭合压力后具有广阔的应用前景。