Tesco旋转套管固井工艺和应用评价

2018-03-29

石油矿场机械 2018年2期

(中海油能源发展股份有限公司工程技术湛江分公司，广东湛江 524057)①

低质量的固井胶结可导致水泥与套管之间或水泥与地层之间发生胶结断裂，进而可能导致诸如气串、水串、不同地层的无效隔离(层间串流)、套管环空带压(井筒完整性被破环)以及地下淡水层被污染等严重问题。

为了提高尾管的固井质量，目前通常采用旋转尾管固井技术[1-3]。该技术是在固井中的注水泥阶段，使用专用的可旋转的尾管悬挂器，在钻台上采用顶驱或转盘带动送入尾管管柱的钻柱旋转，从而带动下部的可旋转尾管悬挂器和尾管管柱一起旋转；在固井施工中，可通过旋转整段套管柱——从井口到套管鞋(Full casing rotation)实现。

目前，仅有为数不多的国外几家油服公司能够提供此类技术服务，其中又以Tesco公司的旋转套管固井工艺最具有代表性。本文以Tesco公司的旋转套管固井工艺为例，介绍旋转套管固井工艺。

1 旋转套管固井工艺原理

旋转套管固井技术[4-6]是指在固井施工注水泥阶段，在钻井平台上使用顶驱、转盘等动力驱动设备，通过套管驱动井下套管发生旋转运动。当水泥浆由井底上返顶替钻井液时，套管的旋转使套管四周的钻井液更容易、完全地被水泥浆顶替。最终在水泥浆胶结凝固形成水泥环时，水泥环与井壁、套管之间的胶结度得以提高，并且有效防止水泥环中的水泥串槽及微环隙的形成。

2 Tesco 旋转套管固井技术

Tesco 旋转套管固井技术源自Tesco的CDS顶驱旋转下套管装置[7-11](Casing Driver System)。CDS顶驱旋转下套管装置是旋转套管固井技术的关键设备。

2.1 CDS顶驱旋转下套管装置

CDS顶驱旋转下套管装置根据夹持套管的部位分为内套管驱动系统(ICDS)和外套管驱动系统(ECDS)，通过使用该装置，可以实现下套管作业的自动化。该系统在钻井顶驱的配合下，在下套管的同时可以实现边旋转套管边灌注循环钻井液，使得下套管作业变得更为顺畅。在固井注水泥阶段，可以通过CDS实现在注水泥浆的同时进行套管旋转和上下往复运动。

2.2 旋转套管固井系统

Tesco旋转套管固井系统分为地面部分和地下部分，地面部分核心工具为侧接旋转水泥头、投球释放器和转矩监控系统。

2.2.1侧接旋转水泥头

侧接旋转水泥头连接在CDS的顶端，为固井水泥浆从顶驱的下面进入套管内提供了入口。侧接旋转水泥头内部中心管上部有屏障，阻止水泥向上流入顶驱内部。在进行旋转套管固井时，侧接旋转水泥头侧向连接的固井管线可以保持不动，在固井注水泥阶段，侧接旋转水泥头下部连接的套管可以随CDS上下活动或旋转，从而实现旋转套管固井。如图1所示。

图1 侧接旋转水泥头

2.2.2投球释放器

投球释放器外形与常规T型三通类似，只是多了一个手动投球手柄，水平两端为一进一出，进口一端与钻台附近的与泵车相连的水泥管线相连；出口一端与连接侧接旋转水泥头的水泥硬管线相连接，垂直一端出口为卸压口，在注完固井设计水泥浆量之后，停固井泵，卸压口开启，释放投球释放器内部压力，然后旋转手动投球手柄，将相应尺寸的耐压树脂球射入水泥管线中，关闭卸压口，重新开固井泵，泵送顶替液，顶替水泥管线中的水泥浆。如图2所示。

图2 投球释放器

2.2.3转矩监控系统

转矩监控系统根据数据传递方式，分为无线转矩监测记录和有线转矩监测记录系统2种。转矩监控系统安装在侧接旋转水泥头和顶驱之间，实现套管上扣转矩和套管旋转转矩的实时现场记录和监控。

2.2.4井下部件

Tesco旋转套管固井系统的井下部件包括固井底胶塞、固井顶胶塞、套管螺旋刚性扶正器、套管划眼导鞋等。

套管划眼导鞋底部设计成贝壳式导流面，有助于通过井眼台阶。在局部存在严重狗腿度、缩径和有断层的井段，套管划眼导鞋可降低下入时的阻力，并可钻铝合金材质。外部螺旋分布硬质合金块可以修整井壁，在水平井眼里面扶正居中划眼导鞋，螺旋硬质合金块旋转的时候可以搅动研磨水平井眼低边的岩屑床，破碎套管下行中所遇到的障碍物；导鞋底部的 3个水眼提供流体循环通道，起清洗贝壳式导流面的作用。如图3所示。

图3 套管划眼导鞋

3 Tesco旋转套管固井施工

当使用CDS把套管下至预定深度时，在转盘上放入卡瓦坐好套管后，将带有剪切销钉和铝质球座的水泥顶胶塞安装在CDS的底部。水泥顶胶塞顶端的铝制球座在水泥顶替作业时为树脂球提供一个落座的地方，并且可以永久固定树脂球。将水泥高压软管管线安装在侧接旋转水泥头上。将一个投球释放器与钻台附近的水泥高压硬管线相连，然后将水泥管线从投球释放器接口处通到水泥车上，与常规固井作业一样。如图4所示。特别强调的是与侧接旋转水泥头连接的水泥管线必须是高压软管。

图4 高压软管与侧接旋转水泥头连接示意

固井作业时，首先将固井底胶塞投放入套管内，然后将底部装好水泥顶胶塞的CDS插入套管，夹持套管。开启固井泵车，将水泥泵入井内套管之中，此时，CDS可从转盘提起，可同时进行注水泥浆和旋转套管作业。旋转套管的转矩和套管的转速根据井眼全角变化率、地层、所旋转的套管、钻井液等综合情况进行考虑。在现场实际操作过程中，不合适的套管上扣转矩和套管旋转转矩会造成套管接头螺纹的损坏。套管的转速控制在11～15 r/min，转矩不得超过所旋转套管的最大上扣转矩值的80%。一旦固井底胶塞坐落到套管浮箍上，压力增大，固井底胶塞的中空薄弱区破裂，打开水泥浆流动通道，水泥浆流入井眼底部，然后沿井眼和套管之间的环空上返，直至预计的水泥返高。当设计的所有水泥浆量都被泵入后，停止CDS，旋转投球释放器的投球手柄，将树脂球顶入水泥浆流动通道；然后将顶替液泵入，起始阶段顶替液泵入排量约0.2 m3/min。树脂球沿水泥高压软管线上行，穿过侧接旋转水泥头，并穿过CDS坐落在水泥顶胶塞的铝质球座内。当固井泵车的泵压达到剪切销钉剪切预设值之后(通常为10 MPa左右)，切断剪切销钉，水泥顶胶塞从CDS分离，被水泥浆顶替进入套管，水泥浆泵入排量提高到正常水平，顶替过程一直持续下去。在水泥浆顶替过程中，CDS旋转套管，直至水泥顶胶塞坐落到套管浮箍之上的水泥底胶塞的顶端(如图5)，固井泵车的泵压突然升高，显示碰压成功，旋转套管固井注水泥作业结束。在旋转套管固井作业完成后，侧接旋转水泥头、投球释放器和转矩监控系统都可以从井口被拆卸下来。

图5 水泥顶胶塞坐到水泥底胶塞示意

4 固井质量评价

图6为北美某油田作业方提供的2口井的声幅测井图，图6a为ø244.5 mm套管直井固井声幅测井图，采用常规固井方式；图6b为ø139.7 mm套管水平井固井声幅测井图，采用Tesco套管旋转固井工艺固井。通过对比，常规固井的套管波反射区比较明显，表明第1胶结界面(套管与水泥环)胶结质量差，而旋转固井的套管波反射区缺失，则表明第1胶结界面(套管与水泥环)胶结质量良好；在地层波反射区，常规固井的地层波反射区不清晰，表明第2胶结界面(水泥环与地层)胶结质量差，旋转固的地层波反射区清晰整齐，表明第2胶结界面胶结质量良好。综合来看，采用Tesco套管旋转固井工艺的固井质量优于常规固井方式的固井质量。

图6 固井质量测井图对比1

通过固井质量成像测井图，可反映水泥环内部的胶结质量。图7为5口ø139.7 mm套管水平井固井成像测井图，采用常规固井的3口井，水泥浆凝固时，所形成的水泥环内部容易产生缝隙，形成互相连通的流体(气体和液体)流动通道；且在水泥环本体和套管的第1胶结界面以及水泥环本体和地层的第2胶结界面，容易生成微孔隙和微裂缝，可能会导致水泥串槽，导致地层串通，造成固井失败。采用Tesco套管旋转固井工艺固井的2口井，水泥环内部不能产生互相连通流体的(气体和液体)流动通道，水泥环内部气体和液体的含有量以及气泡和液泡的数目和体积都大幅度减少，水泥环的2个胶结界面都显示有较好的胶结，固井质量良好。