井下套管損壞機(jī)理及圍壓分析-英文翻譯

1、套管鉆井和階段性工具的結(jié)合：一種獨(dú)特的緩和井底條件的方法Combination of Drilling With Casing and Stage Tool Cementing: A Unique Approach to Mitigating Downhole Conditions作者：R. Robinson, SandRidge Energy, and S. Rosenberg, SPE, B. Lirette, SPE, and A.C. Odell, SPE, Weatherford Intl. Ltd.起止頁碼：1-12出版日期（期刊號）：2007年2月20日出版單位：SPE/IADC

2、 Drilling Conference 摘要 目前科羅拉多州重大挑戰(zhàn)是在派深斯盆地西北部的天然氣田鉆井和套管方案的設(shè)計。這一地區(qū)地質(zhì)情況較為復(fù)雜，其與浸漬形成巖床，導(dǎo)致“克魯克德鉆洞“的產(chǎn)生。因此造成的問題，包括鉆井時失去流通，并未能使水泥下到水泥工作臺的9 5/8寸套管，可能造成套管達(dá)不到總鉆探的深度。通過對問題的勘察，管理人員在該地區(qū)得出結(jié)論認(rèn)為，一種不同的方法得到授權(quán)是和選定的套管鉆井（DWC）作為以前勘察的替代。 鉆井與套管，加上固井的表面外殼，預(yù)計將產(chǎn)生顯著有效的表面和套管鉆孔作業(yè)，從而減少了非生產(chǎn)性時間（NPT）和相關(guān)的成本。本文回顧了在派深斯盆地中遇到的問題即傳統(tǒng)的表面鉆井和套

3、管作業(yè)。同時也審查了鉆井監(jiān)督關(guān)于套管和鉆井的實施方案。背景自2003年以來投資方已在派深斯盆地開采天然氣。圖1顯示普通區(qū)域的地圖。在遇到比較困難的鉆井和套管表面制造空穴，鉆井監(jiān)督人員有豐富的經(jīng)驗來判斷以及解除困難。這通常是針對約3100英尺的鉆采深度。鉆井所造成的問題浸漬形成巖床，失去了循環(huán)間隔，而且?guī)r石的強(qiáng)度不夠。常規(guī)鉆井泥漿馬達(dá)使用的做法和低重位（鉆壓）鉆探了十二寸又四分之一深 。表面空穴因為高鉆壓與常規(guī)鉆井測試結(jié)果往往有嚴(yán)重的增加傾向，有時超過7。表l列出了一個典型的常規(guī)鉆具組合，圖1 派申斯盆地區(qū)域地圖 圖2 典型的泥漿法測地表井段在這一領(lǐng)域以前用于鉆表面孔。表2顯示了鉆孔所采用的常規(guī)

4、鉆具組合以及鉆井套管在地表井得到的最大的孔傾斜測量值。表面地質(zhì)孔主要包括砂巖，粉砂巖和灰?guī)r與互特約頁巖。圖2顯示了一個典型不同成分的分布形成的表面間隔圖。自然的斷裂往往導(dǎo)致失去循環(huán)問題的產(chǎn)生。如果長期沒有足夠量的鉆井液在循環(huán)其結(jié)果就導(dǎo)致了塌頁巖。經(jīng)過鉆探，鉆孔必須要有9 5/8寸才能和相應(yīng)的套管配合。這樣的話表層套管的計劃尺寸顯然是有問題的，甚至在套管被沖洗的時候也是如此。許多時候，我們看到的常規(guī)鉆孔，施工者未能做到9 5/8寸套管的計劃尺寸。在兩個常規(guī)鉆井下，套管是在300英尺和427英尺之間而且是小于總深度的（TD）.非作業(yè)性時間甚至?xí)_(dá)到15天。無計劃的鉆洞往往導(dǎo)致非生產(chǎn)性時間的增加，而

5、且在最壞的情況下，聯(lián)接作業(yè)已被要求，因為開放孔的暴露時間的增加將導(dǎo)致管柱被卡住。還有在最壞的情況下，鉆孔的這種情況也往往導(dǎo)致低質(zhì)量水泥的工作而且必須滿足當(dāng)?shù)氐耐恋毓芾砭?BLM)的環(huán)保要求。未能分發(fā)的水泥表面造成的水泥膠結(jié)測井來評價水泥工作的完整性，在反過來，往往導(dǎo)致要采取補(bǔ)救固井和有線行動的需要，以達(dá)成一項可接受的質(zhì)量膠結(jié)。這個補(bǔ)救工作往往造成3至4天非作業(yè)性性時間。表3顯示由于鉆井問題、套管運(yùn)行的問題、 固井之前的問題和執(zhí)行期間的鉆井套管問題造成的非作業(yè)性時間。鉆井與套管的評價隨著鉆井作業(yè)技術(shù)的成熟，經(jīng)營者開始探討其他的解決方案以滿足以下目標(biāo)：1 確保表面套管可達(dá)計劃的深度。2 提供一個有

6、效的方法，減輕表面鉆孔，流通和孔穩(wěn)定的損失問題。3 避免最小偏差所造成的洞導(dǎo)致浸床。4 提供一個有效的固井系統(tǒng)，可以使水泥保持在地表，避免了不必要的補(bǔ)救工作，并滿足國土管理局規(guī)定。5 盡量減少或消除非作業(yè)性事件的產(chǎn)生。徹底審查鉆井?dāng)?shù)據(jù)已經(jīng)開始執(zhí)行，包括鉆井資料，水泥記錄，地質(zhì)和位置的記錄，分析了非作業(yè)性時間。記載的非作業(yè)性時間大約是32天，在12 1/4寸處進(jìn)行觀察。從表面間隔的五個井在實施前審查同階段的套管鉆井工具固井技術(shù)。其中當(dāng)遇到鉆探和9 5/8寸的套管時的大部分非作業(yè)性時間和孔的穩(wěn)定性有關(guān)系。管理者決定利用套管鉆井，加上在現(xiàn)有的固井系統(tǒng)基礎(chǔ)上，提供了最好的條件實現(xiàn)這些目標(biāo)，以下是對此的

7、評價：1 獲取套管的底部。使用套管鉆井技術(shù)啟用套管鉆井達(dá)到計劃的深度（TD），從而盡量減少開放孔的曝光時間。2 鉆井時關(guān)于流體損失最小的問題。 套管鉆井技術(shù)使環(huán)型空間幾乎全部保持在鉆井作業(yè)期間，盡量減少有關(guān)塌頁巖的問題。3 最小井斜。消除泥漿馬達(dá)低鉆壓，并取代了泥電機(jī)與套管鉆井，鉆具組合的角度將盡量減少建設(shè)角度的的傾斜。4 提高舊井工作質(zhì)量。使用多階段固井工具和套管鉆井鉆具組合，啟用水泥發(fā)給表面，關(guān)鍵是固井必須滿足土地管理局的要求。設(shè)備選型 設(shè)備的選擇對這項工作的成功至關(guān)重要。該項目設(shè)備選擇如下：（1） 套管接頭。經(jīng)營者原先選定95/8寸，36英尺/磅的J-55支撐套管作為表層套管在鉆探計劃中

8、。他關(guān)切的是疲勞電阻的標(biāo)準(zhǔn)，這依據(jù)于成千上萬的電阻在套管鉆井作業(yè)中。此外，因為這個扭矩依賴于它的最終位置，人們知道支持連接的扭矩值不變。為了提高他的一致性和抗疲勞能力，應(yīng)改良支撐設(shè)計，與內(nèi)部扭矩肩上的中心耦合。印第安納州這方面，針對扭矩的值，提供了一個積極的制止措施和加強(qiáng)扭矩阻力。此外，同樣的修改支撐設(shè)計提供了三重錐度的耦合，以減少局部徑向軸承強(qiáng)調(diào)的交配線程要素，從而增強(qiáng)抗疲勞能力。第二個好處改良支撐設(shè)計大大減少破壞并增加了它在該領(lǐng)域的抗疲勞能力。 對于套管鉆井，操作員和平常的工作人員使用套管來實施。用套管接頭積分肩三錐方塊。沉重的跨科中心加強(qiáng)了耦合機(jī)構(gòu)，產(chǎn)生了更清晰的環(huán)向應(yīng)力分布，較高的螺紋

9、接口接觸壓力，并加強(qiáng)泄漏電阻。（2） 鉆擦鞋。該DS31被選為切削結(jié)構(gòu)中最適合應(yīng)用預(yù)測DWC信息技術(shù)的工具。它基本上擁有五年的PDC鉆頭刀刃壽命，使它能轉(zhuǎn)換為鉆孔鉆擦鞋。該DS3擁有16毫米的PDC刀具和硬質(zhì)合金衡量保護(hù)插入。該指數(shù)節(jié)旨在讓回擴(kuò)孔能力。該DS3可以允許轉(zhuǎn)換為隨后鉆與常規(guī)鉆頭。在達(dá)到TD之前，以DS3作為PDC鉆頭，在這時候一個球下降到鉆孔，允許下降到球漏斗內(nèi)的DS3 ，并封鎖了鉆井噴嘴流動。該套管柱的壓力然后上升大約2000psi，以及DS3引腳剪切，來迫使工具內(nèi)活塞下降。這項行動取代鋼葉片和PDC切削結(jié)構(gòu)納入套管，裸眼環(huán)。與此同時，固井口暴露。流體循環(huán)重新確立通過這些固井港口

10、工具的內(nèi)在套管,并下降了閉鎖裝置以進(jìn)行充分通風(fēng)。該工具被設(shè)計為完全取代整個切割結(jié)構(gòu)納入環(huán)，最終是凝成的地點(diǎn)。該中心是完全暴露在活塞與鉆孔常規(guī)磨齒和PDC鉆頭（一種特殊位或軋機(jī)運(yùn)行不要求）之間。圖3顯示了DS3正在上升時的鉆井平臺。圖3 9-5/8寸鉆頭3連接部分構(gòu)成的輸油管舉升手臂圖4 未封閉地層推薦用的鉆頭 DS3切削結(jié)構(gòu)的設(shè)計使無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（UCS）值高達(dá)1.5萬磅，有能力的鉆探行動18000PSI無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的間隔時有限的（圖4）?；谶\(yùn)營商的需要以及巖性和位的記錄，這個DS3設(shè)計是合適的，是派深斯盆地鉆探所需要的設(shè)計。（3） 內(nèi)部套管驅(qū)動工具。 9 5/8英寸套管懸掛和輪換使用內(nèi)部

11、套管驅(qū)動工具（TCDT） 。圖5顯示了TCDT重鉆機(jī)的頂部驅(qū)動。 9 5/8英寸，36磅/英尺的套管北部套管驅(qū)動的拉伸極限為138萬英鎊，一個扭矩極限是2.000萬英尺磅，壓力評價2500PSI。該工具是一個從事高強(qiáng)度套管作業(yè)，四分之一右轉(zhuǎn)和減小下降的的能量和四分之一左轉(zhuǎn)。內(nèi)部套管驅(qū)動在6 5/8英寸 。在常用的連接塊上，提出鉆機(jī)的頂端驅(qū)動。內(nèi)部套管驅(qū)動有三個功能： 1 ）套管電梯， 2 ）補(bǔ)充工具， 3 ）套管驅(qū)動器的工具。在每個套管接頭垂直提高一個位置再旋轉(zhuǎn)，用鉆機(jī)的管裝卸臂，內(nèi)部套管驅(qū)動工具從事套管聯(lián)結(jié)，降低它的平臺和套管的聯(lián)結(jié)。大約四到五年的TCDT輪流從事套管作業(yè)，其余的套管用套管鉗

12、來完成.（4） 雙擋板帶回壓閥的套管接箍。帶回壓閥的套管接箍的設(shè)計選定DWC信息系統(tǒng)是一個雙擋板帶回壓閥的套管接箍（圖6 ）。 ODDS3刀具轉(zhuǎn)換球。這種回壓套管接箍也有三個功能： 1 ）機(jī)械以及控制障礙（相同的功能中使用的鉆柱浮動常規(guī)鉆井作業(yè)）2 ）浮領(lǐng)的第一階段頂端雨刷插頭，和 3 ）是一個單向檢查閥，以防止U型管返上第一階段的水泥泥漿。基本設(shè)計是本浮動領(lǐng)是一個傳統(tǒng)的自動填入浮法領(lǐng)與自動填入管去掉，讓擋板在關(guān)閉的位置運(yùn)行。這浮領(lǐng)中心還設(shè)立了一個3.875寸套管。編號插入擋板降落的第一階段頂端雨刷插件。浮法領(lǐng)是在裝運(yùn)前的鉆井平臺逆勢和線程鎖定在連接底部的引腳聯(lián)合9 5/8寸套管上.（五）機(jī)械

13、雙級固井工具。機(jī)械式雙級固井工具被選定為DWC信息工作（圖7 ） 。它設(shè)計成一種機(jī)械的活動，加上壓力的動作才能打開。過早的壓力動作完全不能打開階段性的工具。從三維的角度看，現(xiàn)階段工具編號必須大到足以使第一階段的頂端雨刷插件（ 4英寸外徑），以及3英寸外徑的DS3轉(zhuǎn)換球穿過。最低編號的階段工具7.25英寸階段工具的機(jī)械強(qiáng)度性能優(yōu)于9 5/8寸。36磅/英尺的J-55套管將會運(yùn)行。這一階段的工具，有90度扇形硬度又名過氧化固化丁腈O型圈密封，額定-20至275F和6 1/8寸。外徑固井端口。 從操作角度來看，工具設(shè)計的開啟和關(guān)閉壓力（700至1000 Psi以開放和“ 1200 Psi以關(guān)閉）是在

14、機(jī)械強(qiáng)度極限為9 5/8寸套管下進(jìn)行的 即36磅/英尺的J-55套管上運(yùn)行的。圖5 內(nèi)部套管驅(qū)動裝置圖6 雙重旋啟式止回閥浮箍在固井中的應(yīng)用圖7 機(jī)械式雙級固井箍圖8 帶有輸油管裝卸臂的鉆井裝置（六）鉆探平臺。該鉆機(jī)選定套管鉆井信息計劃是一個單打式鉆井平臺（圖8 ），配備了250噸的動滑輪和定滑輪，提請工程額定630馬力 。此外，該臺有一個管道處理臂能夠解除和轉(zhuǎn)讓管在管架上的立場垂直度，從而最大限度地減少人類于其的接觸。管臂處理的頻繁與否被認(rèn)為是一個重要的安全功能指數(shù)。頂部驅(qū)動器具有的最好狀況是150轉(zhuǎn)/分鐘的扭矩容量2.4萬英尺/英鎊。徹底審查鉆井設(shè)施的運(yùn)營商和承包商人員設(shè)立鉆井套管的內(nèi)部套

15、管驅(qū)動工具，再加上最高頂部驅(qū)動的總長，只允許與一個40英尺長套管聯(lián)合。這也時在預(yù)裝配鉆具組合中長度最大的。鉆井和固井 計劃程序要求設(shè)置14英寸導(dǎo)管大約120英尺的測量深度，然后鉆進(jìn)12 3/4寸 套管。插入內(nèi)徑大約1500英尺的導(dǎo)管，利用泥漿馬達(dá)鉆具組合。在這一點(diǎn)上，常規(guī)鉆具組合是需要拆卸的和套管（12 1/4英寸）鉆井作業(yè)開始。套管的設(shè)置和硬質(zhì)合金分兩個階段進(jìn)行。 歷史上用于這種情況的是聯(lián)邦399-1-5油井，在2006年6月開鉆。經(jīng)過14項工作完成。導(dǎo)管被定在約120英尺深， 內(nèi)徑為12 3/4寸。鉆1540英尺的孔，傳統(tǒng)的方式是采用泥漿馬達(dá)鉆具組合。 插入牙輪位和淡水流體系統(tǒng)使用。據(jù)觀察

16、1470英尺并發(fā)生3.75 傾斜的鉆孔（12 3/4寸）是12 3/4寸而不是傳統(tǒng)的12 1/4英寸，被用來最大限度地減少絆鉸孔中的12 1/4寸套管傾斜度，套管鉆井鉆具組合。圖9 非旋轉(zhuǎn)鉆井套管扶正器9 5/8英寸 12 1/4英寸DS3線程鎖定的第一次聯(lián)合套管接走使用常規(guī)套管邊門梯。非旋轉(zhuǎn)式套管鉆井扶正器（圖9），跨越了兩個止動環(huán)，被安放在中間的第二級聯(lián)合套管的雙重?fù)醢彘y浮動領(lǐng)上。這個扶正器的定位是在DS3鉆頭以上的86英尺處?？偣灿?個非旋轉(zhuǎn)式套管扶正器運(yùn)行。扶正器運(yùn)行兩邊有階段性工具。用鉆機(jī)的管裝卸臂和下12 1/4寸套管。套管鉆井鉆具組合的運(yùn)行是在12 3/4寸套管 。然而在1057

17、英尺深的鉆洞套管是洗滌和擴(kuò)通過間歇緊點(diǎn)上下的工具。定位機(jī)械階段工具是在套管柱定為1404英尺深。套管鉆井開始，用9 5/8英寸 套管。套管鉆井在2068英尺深市沒有任何事故的。聯(lián)系前面的知識，每個關(guān)節(jié)都很重要 ，以及前面的兩個高粘度得鉆井泵。在2068英尺深，總流通丟失。該鉆機(jī)的水泵安放在套管的環(huán)形空間，并且抽取120桶的水用來填補(bǔ)9 5/8寸 12 1/4寸的油套管環(huán)形空間。把空氣壓縮機(jī)放在網(wǎng)上，空氣泵水約600轉(zhuǎn)/分鐘，并獲得了回潰。 套管鉆井業(yè)作業(yè)繼續(xù)鉆至2473英尺，空氣泵幾乎完全停止使用。表面觀察到了鉆壓和扭矩達(dá)到到8至15千磅和6至10千英尺/磅，旋轉(zhuǎn)速度為60至80轉(zhuǎn)/分鐘.套管

18、鉆井如果沒有發(fā)生任何事故就持續(xù)鉆進(jìn)到計劃的總深度的3075英尺。 被安放在內(nèi)部套管驅(qū)動工具的中心，和3英寸酚醛轉(zhuǎn)換球（3.45SG）被替代。內(nèi)部套管驅(qū)動工具的中心重新參與到套管和鉆井平臺，水泵是用來分DS3球座的渠道。在施加壓力至2700PSI后，替換DS3刀片。通過葉片位移來觀察鉆機(jī)的立場管壓力表的升降情況。內(nèi)部套管驅(qū)動工具中心被顯示是下降的，之后籌備固井，安裝頂部水泥。 第一階段的水泥漿包括12.0（310袋）和“G”級水泥混合，隨后進(jìn)行的尾礦漿由是一類“G”級（190袋）和15.8進(jìn)行混合。由水泥泥漿流失失去231桶水。分接工具打開錐體手動下降套管。循環(huán)水是每分鐘循環(huán)5.5桶水利用鉆井泵

19、進(jìn)行分界。經(jīng)過4小時的循環(huán)，第二階段是水泥漿料泵。第二階段的泥漿包括12.0 （215袋）-和“G”級混合，其次是尾水泥漿由15.8（80袋） 和“G”級結(jié)合，大約17噸水泥分發(fā)表面。截止插頭下降，成功地實現(xiàn)了6.4桶/分鐘。一位土地管理局的代表見證固井工作，任何補(bǔ)救井都是需要的.圖10是一個示意圖序列的鉆探DS3鉆頭替代，以及雙級固井工藝。圖10 鉆頭3 工具轉(zhuǎn)換和連接步驟l 套管鉆井結(jié)合多個一級固井技術(shù)被證明是比較優(yōu)越的做法。平均時間節(jié)約2.72 以及減少21 已經(jīng)實現(xiàn)l 硬質(zhì)合金鉆套管鉆井階段使用的工具與技術(shù)，表面洞鉆井與常手段的間隔是5.75天和7.38天。l 這項技術(shù)使運(yùn)營商，在計劃

20、套管深度下大大減少了工作時間。l 套管鉆井技術(shù)工具結(jié)合固井工具使每三口井的進(jìn)行表面鉆洞工作的非作業(yè)性時間減少3天，使非作業(yè)性時間減少了47 ，在兩個井，非作業(yè)性時間減少了0和0.35天。l 套管鉆井的流體損失顯著小于表面常規(guī)鉆洞，據(jù)記載在失水中的損失節(jié)省多達(dá)4.0萬美元l 常規(guī)鉆井有兩項工作是套管在300英尺和427英尺的距離以及深度進(jìn)行的。 每口井使用套管鉆井技術(shù)可以使表面套管到達(dá)到計劃的深度l 所有階段的工作的固井工具的是在套管鉆井水泥返回地面后完成的l 套管鉆井技術(shù)使平均井斜減少44 l 所有使用DS3鉆頭PDC 刀片的環(huán)沒有發(fā)生任何事故。全部DS3的鉆采用常規(guī)牙輪鉆頭。結(jié)論 套管鉆井使

21、用一級固井確保主要的水泥工作表面。l 套管鉆井相比以往的常規(guī)鉆井減少了非作業(yè)性時間。l 套管鉆井可以使所有的套管放入油井預(yù)定深度 l DS3鉆頭是一個成熟的套管鉆井工具，鉆探完成孔科，鉆頭與常規(guī)鉆頭被置換成PDC刀具。專業(yè)術(shù)語BHA =井底管柱結(jié)構(gòu)BLM =土地管理局CBL =水泥膠結(jié)測井 DS3 = 鉆頭3DwC =鉆井與套管ICDT =內(nèi)部套管驅(qū)動工具 MD =測量深度 NPT =非作業(yè)性時間 ROP =滲透速度RPM =轉(zhuǎn)/分鐘SCF =標(biāo)準(zhǔn)立方英尺TD =總深度UCS =無側(cè)限抗壓強(qiáng)度WOB =鉆頭重量表1. 套管鉆具使用之前鉆具的擺動情況井底管柱結(jié)構(gòu)長度(ft)累計長度(英尺)外徑(

22、英寸)內(nèi)徑(英寸)鉆頭(國際鉆井承包商協(xié)會系列415X)1.501.5012.75鉆井馬達(dá)27.0928.598.008寸鉆鋌29.3957.987.883.00穩(wěn)定器5.8863.868.002.81減震裝置13.7077.568.192.758寸鉆鋌29.86107.427.883.068寸鉆鋌r30.27137.697.312.87轉(zhuǎn)換接頭3.18140.878.02.626 1/4寸鉆鋌31.04171.916.252.256 1/4寸鉆鋌31.00202.916.252.256 1/4寸鉆鋌31.09234.006.192.256 1/4寸鉆鋌31.03265.036.252.316 1/4寸鉆鋌31.05296.086.252.256 1/4寸鉆鋌31.04327.126.252.25表2 在地表井段最大化傾斜的數(shù)據(jù)比較井名套管鉆井 測量深度(英尺)最大井斜角度(度)聯(lián)邦 298-18-1否7342聯(lián)邦299-26-1否3.0113聯(lián)邦 299-23-1否2.1597.25聯(lián)邦299-27-1否2.4506聯(lián)邦 299-27-2否2