彭政德， 戚亞東， 彭先波， 宋玉良

(1.中國石油集團 川慶鉆探鉆采工程技術研究院， 四川 廣漢 618300； 2.中海石油(中國)有限公司天津分公司， 天津 300459； 3.西南石油大學 油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室， 成都 610500)

1 超深井修井現(xiàn)狀調研分析

隨著油氣田勘探開發(fā)的力度越來越大，油田的開采向著更深的地層鉆進，隨之而來的就是修井作業(yè)的難度也越來越大，國內修井難度大的油井基本都有“三高一超一小一長”特征[1]，即高溫、高壓、高含H2S、超深井(特深井)、裸眼小、裸眼段長，對井下作業(yè)提出了新的要求[2]。國內一般將井深超過4 500 m的油氣井定義為深井，井深超過6 000 m的井定義為超深井，如塔里木盆地越來越多的油氣井井深已超8 000 m[3-5]。陸地最大修井機型號為XJ850，其作業(yè)范圍能覆蓋7 000 m以內的超深井，對于井深超過8 000 m的超深井常規(guī)修井機不能滿足修井安全載荷要求。在目前大多數(shù)擁有超過8 000 m超深井的油田，如中石油塔里木油田、中石化西北油田都面臨著修井機及配套修井工藝而臨鉆具強度低、修井機負載高等諸多修井問題[6]，尤其是8 000 m以上的超深井，常規(guī)的修井機已經滿足不了作業(yè)需求，目前超深井修井作業(yè)主要采用“鋼鉆桿+大型鉆機”進行修井作業(yè)，作業(yè)成本巨大[7]。西北某油田區(qū)塊進行修井作業(yè)4次，主要作業(yè)類型是打撈和處理坍塌，由于井深超過8 000 m，修井機不能滿足作業(yè)需求，只能采用ZJ50型鉆機進行作業(yè)，鉆機作業(yè)日費約為修井機的2.2倍以上，單井作業(yè)費用超過千萬，費用巨大[8]。鉆機及修井機的性能參數(shù)見表1。

表1 鉆機及修井機性能參數(shù)

針對目前超深井修井作業(yè)面臨的常規(guī)修井機載荷不足、鉆具安全系數(shù)低和作業(yè)成本巨大等問題，急需進行超深井修井作業(yè)輕量化研究。為此，提出“兩減一增”對策，“一增”是指在井下加入井下增力器等設備，“兩減”是指采用新型輕質鉆桿替代原有的鋼鉆桿，減輕地面大鉤載荷，提高安全系數(shù)。

2 超深井修井減載技術

2.1 井下增力器技術

超深井修井作業(yè)面臨常規(guī)修井機提升載荷不足的問題，目前大多采用鉆井修井的方式解決普通修井機的提升能力不足的問題，這也就勢必增加修井費用。提出一種井下液壓增力修井技術[9-10]，該技術改變常規(guī)在井口施加打撈力的理念，通過地面增壓設備打壓的方式，將液壓力通過鉆桿傳遞到井下增力器上并在井下產生上提力，因此不受作業(yè)設備(修井機)提升載荷限制，有效解決了常規(guī)作業(yè)設備在超深井作業(yè)設備打撈能力受限的問題[11]。同時，該技術不受井身結構的影響，尤其適合大斜度井及水平井落物打撈。常規(guī)修井機或鉆機打撈作業(yè)是在大修設備井口加力，提升力及扭矩傳遞效率低，而井下液壓增力打撈是在小修水平段直接增力，液壓力全部直接作用于井下魚頂[12]，如圖1和圖2所示。

圖1 常規(guī)打撈工具作業(yè)示意圖

圖2 液壓增力打撈工具示意圖

液壓增力打撈技術的技術原理：在油管內進行打壓，錨定工具實現(xiàn)定位，多級液缸產生大負荷拉力，每打壓一次行走一個行程，走完行程自動卸壓，為沖、撈、松、拔4個步驟的循環(huán)[13]。

液壓打撈工具根據(jù)作業(yè)需求不同分很多系列，各個系列的具體性能參數(shù)見表2。

表2 液壓打撈工具各系列性能參數(shù)

超深井修井作業(yè)中使用井下液壓增力器可以提供40 t以上的上提力，該技術不受作業(yè)設備限制，打撈管柱以上油管或者鉆桿受力小，對下入管柱強度要求低，可以配合修井機使用，降低作業(yè)成本[14]。

2.2 鈦合金鉆具減載技術

油氣田開發(fā)面臨提高采收率和提質增效的雙重壓力，井況復雜的井越來越多。大位移井井筒的傾斜角、環(huán)空和鉆柱的尺寸、鉆桿的偏心率等因素造成井眼軌跡復雜，摩阻、扭矩分布規(guī)律掌控、旋轉導向鉆井穩(wěn)斜控制難度大[15]；高溫、高壓對鉆具、井下工具、儀器要求苛刻；短半徑水平井造斜井段短，造斜率高，測點滯后，井眼不規(guī)則，易發(fā)生鉆柱“自鎖”[16]；老井開窗側鉆水平井鉆井泵壓高、摩阻大、托壓現(xiàn)象突出、鉆壓傳遞困難。面對以上問題，普通鉆桿施工產生的交變應力很大，常常引起鉆桿疲勞斷裂。因此，國內外學者嘗試研制鈦合金鉆桿替代普通鉆桿。鈦合金材料由于具有高比強度、低彈性模量，優(yōu)異的韌性、疲勞性能和耐蝕性[17]，已經成為嚴酷工況環(huán)境下油井管和海洋開發(fā)工具的熱門候選材料，鈦合金鉆桿在油氣田開發(fā)領域有著廣闊的應用前景，鈦合金具體尺寸參數(shù)見表3。

表3 鈦合金鉆桿具體性能參數(shù)

鉆桿極限下深計算公式[18]為

(1)

式中：σmin為鉆桿材料最小屈服強度，MPa；ρe為鉆桿材料密度，kg/m3；ρm為鉆井液密度，kg/m3；Sf為安全系數(shù)。

根據(jù)式(1)，取常規(guī)鋼鉆桿屈服強度為380～1 030 MPa，鈦合金鉆桿屈服強度為190～1 080 MPa，安全系數(shù)為1.5，得到鈦合金鉆桿和鋼鉆桿的極限下深如圖3所示，在鉆井液密度為1.0～2.0 g/cm3時，常規(guī)鋼鉆桿的極限下深為10 218～11 965 m，鈦合金鉆桿極限下深為20 732～28 895 m。鈦合金鉆桿的極限下深約為普通鋼鉆桿的2倍以上，因此，考慮鉆桿本身強度、修井機載荷等因素，鉆合金鉆桿比鋼鉆桿更適用于超深井修井作業(yè)。

圖3 鈦合金鉆桿和常規(guī)鋼鉆桿的極限下深對比

以西北某油田修井作業(yè)為例，該井作業(yè)深度為8 500 m，由于作業(yè)井較深，修井機載荷不足，現(xiàn)場采用“鋼鉆桿+鉆機”進行修井作業(yè)，作業(yè)鉆具組合數(shù)據(jù)見表4。

從表4中看出，采用S135鋼鉆桿進行超深井修井作業(yè)，最大鉤載超過了200 t，只能采用ZJ50鉆機進行作業(yè)，且安全系數(shù)較低。

表4 鋼鉆具修井作業(yè)鉆具組合數(shù)據(jù)

由于鈦合金較為昂貴，現(xiàn)場作業(yè)可采用“鈦合金鉆桿+鋼鉆桿”的組合方式進行修井作業(yè)。以西部某油田修井作業(yè)為例，該井作業(yè)深度8 500 m，設計采用“鈦合金+鋼鉆桿”的方式進行修井作業(yè)，作業(yè)鉆具組合見表5。

表5 鈦合金與鋼鉆具組合數(shù)據(jù)

從表4中可以看出，采用“S135鋼鉆具+鈦合金”的組合方式進行修井作業(yè)，相同的尺寸組合，“鈦合金+鋼鉆具”的鉆具組合下最大鉤載僅有119.6 t，可以搭配XJ750修井機進行作業(yè)，從而取代“鋼鉆桿+鉆機”的作業(yè)模式，大大減少修井成本。

鈦合金鉆桿可以搭配修井機使用，發(fā)展鈦合金在石油鉆井行業(yè)的應用，不僅可以節(jié)省成本投入，更能提高應對復雜條件的能力，特別是對于三維叢式水平井與大位移井、連續(xù)管作業(yè)等，鈦合金鉆桿更能提升作業(yè)能力，對于石油鉆井行業(yè)具有重要的意義。

2.3 鋁合金鉆桿減載技術

鋁合金鉆桿最早由俄羅斯開始研發(fā)設計，早在20世紀50年代，蘇聯(lián)就開始進行鈦合金鉆桿的研究應用，并將鋁合金鉆桿成功應用于井深高達12 262 m的俄羅斯科拉半島的SG3井，該井井底溫度達220 ℃[19]。而在國內對鋁合金鉆桿的相關研究也已開始，已有多個廠家可以生產相應規(guī)格的鋁合金鉆桿，鋁合金鉆桿相比于鋼鉆桿其優(yōu)點有：

1)密度低。鋁合金鉆桿的密度約為鋼鉆桿的一半左右，在相同的作業(yè)環(huán)境下，鋁合金鉆桿相比于鋼鉆桿可以鉆進更深的地層，同時大大減輕鉆具或者修井機載荷，提高修井作業(yè)效率[20]。

2)優(yōu)異的耐腐蝕能力。鋁合金鉆桿有著較強的抗酸堿能力，可以適用于井下環(huán)境惡劣、含H2S的超深井[21]。

3)應用面廣。鋁合金鉆桿由于鉆具材料彈性模量低，有著較強的延展性和可塑性，因此鋁合金鉆桿可以應用于各種直井、斜井和水平井[22]。

取常規(guī)鋼鉆桿屈服強度為380～1 030 MPa，鋁合金鉆桿屈服強度為400～500 MPa，安全系數(shù)為1.5，根據(jù)式(1)對鋁合金、鈦合金和鋼鉆桿的極限下深進行比較，結果如圖4所示。

圖4 鋼鉆桿鈦合金和鋁合金鉆桿極限下深對比

從圖4可以看出，當鉆井液密度為1.0～2.0 g/cm3時，常規(guī)鋼鉆桿的極限下深為10 218～11 965 m，鋁合金鉆桿極限下深約為19 089～43 562 m，鋁合金鉆桿的極限下深約為普通鋼鉆桿的4倍左右。當條件一定時，鋼鉆桿、鈦合金鉆桿和鋁合金鉆桿的極限下深比較為：鋁合金鉆桿>鈦合金鉆桿>鋼鉆桿。

以西部某油田修井為例，該井井深8 500 m，假設該井用鋁合金鉆桿進行修井作業(yè)，具體作業(yè)鉆具組合參數(shù)見表6。

從表6中可以看出，采用4 1/2 in和3 1/2 in鉆桿進行修井作業(yè)，在井深滿足作業(yè)需求下，最大鉤載僅為132.8 t，可以輕松使用XJ750型修井機進行修井作業(yè)，長遠來看，采用鋁合金鉆桿作業(yè)將大大節(jié)省修井成本。

表6 鋁合金鉆桿修井作業(yè)鉆具組合數(shù)據(jù)

3 修井作業(yè)減載技術性評價

3.1 修井作業(yè)減載技術優(yōu)劣性分析

針對“兩減一增”的對策，對各種修井作業(yè)減載方案進行評價，評價結果見表7。

表7 修井機減載技術評價

3.2 修井作業(yè)減載技術經濟性分析

以西北某油田修井作業(yè)為例，該井井深8 500 m，需要進行打撈修井作業(yè)，通過對比不同修井減載方法，對不同減載作業(yè)的經濟性進行評價，作業(yè)方式及費用見表8。

表8 不同作業(yè)方式及費用

若作業(yè)天數(shù)為x，則對于鋼鉆具配合鉆機修井作業(yè)，設總花費為yg，則總花費約為

yg=7.8x

(2)

對于鈦合金鉆具，配合XJ750完成修井作業(yè)，設總花費為yt，則總花費為

yt=2.8x+2 621.5

(3)

對于鋁合金鉆具，配合XJ750完成修井作業(yè)，設總花費為yl，則總花費為

yl=2.8x+1 990.8

(4)

不同的鉆具進行超深井修井作業(yè)，所需的費用如圖5所示。

圖5 不同類型鉆具修井作業(yè)費用

從圖5中可知，當超深井修井作業(yè)施工周期較短時，鋼鉆桿配合ZJ50等鉆機作業(yè)費用較為經濟；當作業(yè)周期較長，超過400 d時，選用鋁合金鉆桿或者鈦合金鉆桿配合XJ750等修井機作業(yè)更節(jié)約成本，長遠來看，就超深井修井作業(yè)經濟性而言：鋁合金鉆桿>鈦合金鉆桿>鋼鉆桿。

4 結論

1)針對線超深井修井作業(yè)面臨的問題提出了“兩減一增”的對策，即通過液壓增力器進行井下增力、通過采用鋁合金鈦合金等減載鉆具對地面進行減載的措施。

2)以實際修井作業(yè)案例為參考，提出了采用鈦合金鉆具和鋼鉆具、鋁合金與鋼鉆具的新型鉆具組合，兩種鉆具組合均可滿足常規(guī)修井機作業(yè)，替代了原有的鉆機和鋼鉆桿作業(yè)，解決了特深井修井作業(yè)中鉆具強度低、修井機負荷高的難題。

3)超深井短期修井作業(yè)采用鋼鉆具配合鉆機較為經濟，長遠來看，就超深井修井作業(yè)經濟性而言：鋁合金鉆桿>鈦合金鉆桿>鋼鉆桿。分析和總結了超深井修井作業(yè)的難點，提出了“兩減一增”的修井作業(yè)減載技術，研究結果可為8 000 m以上的超深井修井提供參考。