對于深水井頂部井段的鉆探，無隔水管套管鉆井技術(shù)能有效緩解和隔開深水井淺層鉆井造成的危害。根據(jù)人們對普遍的孔隙壓力和破裂壓力梯度的認(rèn)知，深水井建井的這種轉(zhuǎn)變能讓深水無隔水管套管鉆井鉆至設(shè)定深度，而不是既定的“頂部設(shè)定”淺層危害的策略。
深水井鉆井設(shè)計的一個主要缺陷就是頂部井段初始導(dǎo)管或結(jié)構(gòu)套管的淺層設(shè)定深度沒有利用好海底以下不斷增加的上覆壓力和破裂壓力梯度來加深導(dǎo)管的設(shè)定深度。技術(shù)上有限的噴射鉆井工藝是打造這部分井眼的主要手段，為的是在深水鉆井作業(yè)前完成初始導(dǎo)管的下入，為導(dǎo)管設(shè)定其淺層深度。
如圖1所示，水深的增加對上覆壓力的影響。隨著水深的增加，上覆壓力的增速會下降。再加上公認(rèn)的“頂部設(shè)定”淺層危害的做法，頂部井段內(nèi)可能有過多的套管層，特別是在較深的深水中作業(yè)，使得井身結(jié)構(gòu)被過早地瘦身。井筒幾何形狀早期的縮小可能會導(dǎo)致油井深層的操作壓力窗口變窄，這也是深水鉆井運(yùn)營商可能無法實(shí)現(xiàn)其建井目標(biāo)的主要原因。同樣值得注意的是，所有深水井的鉆井作業(yè)，大約70%的運(yùn)營損失存在于無隔水管鉆井階段，其中包括第一批鉆井作業(yè)期間合同規(guī)定的鉆井船重新開鉆或經(jīng)常遇到的無隔水管鉆井的困難。
圖1
深水鉆井初始導(dǎo)管或結(jié)構(gòu)套管通常是通過噴射鉆井工藝來下入安裝，見圖2，該工藝使用鉆頭和泥漿馬達(dá)技術(shù)，無需鉆具旋轉(zhuǎn)，將初始導(dǎo)管“推入”沉積物中。這種被廣泛接受的做法在技術(shù)上將初始導(dǎo)管設(shè)定置深度受限的、泥漿管線以下約90 m的深度，這個深度不足以鉆更硬的地層。
圖2
需要一種新的頂部井眼的施工方法，利用海底以下不斷增加的上覆壓力和破裂壓力梯度。這可通過利用無隔水管套管鉆井技術(shù)替代噴射鉆井工藝來實(shí)現(xiàn)。圖3說明了無隔水管套管鉆井的優(yōu)勢。
圖3
套管鉆井技術(shù)在深水中的應(yīng)用
套管鉆井可以將初始導(dǎo)管設(shè)定深度加深至預(yù)定的破裂壓力梯度符合深水鉆井要求的深度，而設(shè)定深度不受噴射工藝的限制?？偟奶坠軐訑?shù)會減少，從而可以降低鉆井成本，擴(kuò)大一口井的井徑或井筒幾何形狀。基于已經(jīng)得到證明的套管和尾管鉆井技術(shù)的優(yōu)勢，套管鉆井一次井下作業(yè)即可減輕淺層危害，在套管達(dá)到設(shè)定深度后，即可開始固井作業(yè)。
減輕淺層危害。根據(jù)國際鉆井承包商協(xié)會的定義，淺層危害是指在設(shè)定第一級壓力密封管柱以及將防噴器安置在井口之前可能遇到的不利的地下鉆井工況。這些危害多種多樣，可能包括淺層氣體、淺層水流、分離的天然氣水合物、泥火山、斷層、巨石以及井筒不穩(wěn)定等現(xiàn)象。淺層危害可通過地震勘測調(diào)查、試鉆井、地層建模和鄰井?dāng)?shù)據(jù)來確定，見圖4淺層危害緩解策略。
圖4
預(yù)先計劃和防范是降低風(fēng)險的關(guān)鍵。如果避開已知的淺層危害區(qū)域不可行，那么先鉆一個先導(dǎo)井眼是該行業(yè)的一種慣用做法，這是一種在“受控環(huán)境”下物理識別淺層危害的方法。先導(dǎo)井眼就是在安裝防噴器之前鉆一個較小的井眼，隨后在開始主井眼鉆井作業(yè)之前將其堵死。與傳統(tǒng)的鉆井方法相比，鉆先導(dǎo)井眼的BHA（井底鉆具組合）以及所鉆井眼較小的環(huán)形面積可以及早發(fā)現(xiàn)淺層危害，并能更好地控制險情，例如水或氣體的流量。
相對于在一個先導(dǎo)井眼鉆井計劃中看到的傳統(tǒng)的鉆井方法和做法，套管鉆井所產(chǎn)生的套管與井壁之間的環(huán)形截面要狹小得多。套管鉆井有利于鉆先導(dǎo)井眼，因?yàn)閭鹘y(tǒng)鉆井鉆先導(dǎo)井眼的BHA在完成鉆井后需要起出，而套管鉆井在鉆完先導(dǎo)井眼后，套管就在原位置被固井水泥所固住，無需起鉆將BHA起出，以及因起鉆產(chǎn)生的抽吸效應(yīng)。圖5是先導(dǎo)井眼鉆井和套管鉆井的對比分析。
圖5
套管鉆井所鉆的井眼井徑較小，但套管的內(nèi)徑較大，這有助于實(shí)現(xiàn)一個自然的動態(tài)井控系統(tǒng)。與鉆先導(dǎo)井眼使用的BHA相比，套管鉆井以其較大的內(nèi)徑可產(chǎn)生一個較高的BHP（井底壓力），以控制和遏制潛在的地層流體涌入，特別是當(dāng)套管與井徑的尺寸比超過0.8時，見圖6，套管鉆井水力參數(shù)的優(yōu)勢。
圖6
套管鉆井做作業(yè)中的挑戰(zhàn)
套管鉆井作業(yè)中，因起下產(chǎn)生的沖擊壓力和抽吸壓力幾乎不再存在，因?yàn)樵谔坠茔@井時套管隨著鉆進(jìn)的進(jìn)行井壁即刻就被套管封住。據(jù)估計，因抽吸效應(yīng)的影響，美國墨西哥灣深水鉆井以及挪威鉆探作業(yè)中約有13%的井控事件發(fā)生在起鉆作業(yè)期間。初始導(dǎo)管在達(dá)到設(shè)計深度時可即刻被水泥漿原位封固，套管不會再被起出，從而能獲得更好的固井效果。與常規(guī)鉆井相比，套管鉆井的固井效果已從水泥膠結(jié)測井?dāng)?shù)據(jù)中得到驗(yàn)證，顯示出的膠結(jié)效果更加完好。
井筒的不穩(wěn)定。上述的淺層危害都會導(dǎo)致井筒不穩(wěn)定問題。井筒不穩(wěn)定是一種不良的工況，其中井筒的裸眼段，其結(jié)構(gòu)的完整性是由機(jī)械應(yīng)力、流體循環(huán)引起的侵蝕或因鉆井液與地層流體以及礦物質(zhì)之間化學(xué)作用所產(chǎn)生的變化所導(dǎo)致的。在鉆非固結(jié)性疏松地層或構(gòu)造應(yīng)力地層時，無隔水管井段的井筒失穩(wěn)對起出鉆具后套管的下入和固井施工尤其成問題，把握好非常困難。
非固結(jié)性地層是松散堆積的，地層顆粒、沙礫或卵石之間很少或沒有膠結(jié)性粘合，這些顆粒物在鉆井和起下鉆作業(yè)期間很容易落入裸眼井段內(nèi)。在起出鉆具和下套管之前這段時間地層可能會坍塌。井筒的不穩(wěn)定性在許多深水淺層的作業(yè)中很常見；因此，在傳統(tǒng)的無隔水管鉆井作業(yè)中，在完成相應(yīng)井段的鉆進(jìn)后，盡快下入套管并展開固井作業(yè)將套管就位固結(jié)至關(guān)重要。這為套管鉆井作為緩解井筒不穩(wěn)定性問題提供了有力的論據(jù)，套管鉆井一旦鉆至總井深，井就會直接被套管和固井水泥封固住，無需起鉆和下套管的時間。
套管鉆井過程中，井筒似乎出現(xiàn)了受力或加固，這在套管鉆井圈內(nèi)被廣泛稱之為“涂抹效應(yīng)”。涂抹效應(yīng)就是巖屑對井筒壁的抹灰，這似乎增加了井筒的箍應(yīng)力，也增強(qiáng)了地層裂縫延伸壓力。套管鉆井期間的涂抹效應(yīng)有助于增加裂縫梯度，緩解井漏問題，減少鉆井作業(yè)中的非生產(chǎn)時間。許多論文都提到了涂抹效應(yīng)，這是因其能實(shí)現(xiàn)比預(yù)期更快的鉆井性能和更高質(zhì)量的井筒而受到贊譽(yù)。
無隔水管套管鉆井系統(tǒng)
在鉆結(jié)構(gòu)套管這部分井段時需要一個RCDT（無隔水管套管鉆井工具）系統(tǒng)。圖7是一個36-in. x 28-in. RCDT系統(tǒng)的概念性設(shè)計，這個RCDT系統(tǒng)有效地消除了噴射鉆井后通常需部署“鉆前工具”的要求，即為第二個導(dǎo)管所實(shí)施的鉆井作業(yè)。
圖7
RCDT系統(tǒng)在設(shè)計和功能上類似于液壓平衡的尾管下入工具、無尾管懸掛器和尾管頂部封隔器。初始導(dǎo)管的鉆井作業(yè)在操作上類似于下尾管的鉆井作業(yè)。一只直徑32-in. 可鉆套管的鉆頭與28-in.套管底部的接頭相連接，套管與井徑的尺寸比為 0.88（28 in./32 in.）。這個尺寸比是動態(tài)井壓場景的最佳選擇，因?yàn)樘坠芘c井徑比>0.8創(chuàng)建的BHP可顯著增加每單位的泵速，如圖6所示。每單位泵速產(chǎn)生的更高的環(huán)空流速將能優(yōu)化提高井眼凈化的水力學(xué)參數(shù)。傳統(tǒng)鉆井的BHA無法復(fù)制套管與井徑比>0.8的場景，這被認(rèn)為是涂抹效應(yīng)所產(chǎn)生效益的最小值。
RCDT將采用液壓平衡技術(shù)，以消除可能導(dǎo)致RCDT過早釋放計劃外壓力峰值的可能性。LPWHH（低壓井口殼體）組件會通過一個連接接頭與結(jié)構(gòu)套管相連接，LPWHH組件位于套管下入工具上方，可在開闊水域的井口自由旋轉(zhuǎn)，而且，可在套管鉆井作業(yè)期間從主扭矩路徑中被移除。
海底套管鉆井工具與現(xiàn)有的海底LPWHH組件和高壓井口殼體設(shè)計兼容，因?yàn)楹５滋坠茯?qū)動裝置會與套管上特殊造型的套筒相連接。由于LPWHH在套管鉆井時靠近泥漿管線，鉆出的巖屑可能會落入導(dǎo)管內(nèi)，一個位于套管下入工具組件上方的碎屑屏障將會保護(hù)RCDT免受鉆出巖屑的影響。36-in. x 28-in.錐形套管柱下方的36-in. 套管接頭接有擴(kuò)眼刀片，所鉆 的井眼能讓36-in.套管通過。
導(dǎo)管固井系統(tǒng)在設(shè)計上與傳統(tǒng)的深水套管和尾管固井系統(tǒng)相似，水泥漿循環(huán)穿過鉆桿管柱、內(nèi)固井管柱和浮箍，通過套管鉆頭的噴嘴射出離開。在內(nèi)固井管柱底部有一個收集短節(jié)，泵注水泥漿后，收集器作為一個容器收集鉆桿刮刷器刮刷的落物。
36-in.和28-in.結(jié)構(gòu)套管連接器的機(jī)械強(qiáng)度，即軸向、壓縮、彎曲、爆裂和破壞等級至少是相應(yīng)套管機(jī)械強(qiáng)度100%的匹配等級，以承受套管鉆井作業(yè)所帶來的機(jī)械負(fù)荷。必須考慮連接點(diǎn)周期性受力的抗疲勞性問題，如36-in.和28-in.套管可能旋轉(zhuǎn)數(shù)千次的場景。
結(jié)構(gòu)套管的集中化是一個需要考慮的關(guān)鍵因素，由于28-in. x 32-in.和36-in. x 41-in.套管鉆井的狹窄環(huán)面，最大環(huán)形液壓旁路（流量）面積至關(guān)重要。在不改變套管冶金學(xué)性能的情況下，將扶正器刀片直接用于套管比滑套調(diào)節(jié)式扶正器設(shè)計更可取，因?yàn)榛渍{(diào)節(jié)式扶正器套筒包圍了大部分的液流區(qū)域，增大了環(huán)形液流的機(jī)會。將扶正器刀片直接用于套管可最大限度地增大環(huán)形液流面積。
套管鉆井也是一種經(jīng)過驗(yàn)證的、能減輕井筒不穩(wěn)定的行之有效的方法，尤其是在下套管之前不能用傳統(tǒng)的方法保持一段時間裸眼井筒的鉆井工況。深水鉆探采用無隔水管套管鉆井需要我們在處理深水井建井設(shè)計的方式上采取一種范式轉(zhuǎn)變，因?yàn)橛糜诔跏紝?dǎo)管下入并實(shí)施固井的傳統(tǒng)噴射鉆井工藝已被套管鉆井所取代。深水井建井的這種轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)了基于普遍認(rèn)知的孔隙壓力和破裂壓力梯度確定深水無隔水管套管的深度設(shè)定，而不是“頂部設(shè)定”淺層危害的既定策略，頂部設(shè)定套管深度可能會造成套管浪費(fèi)以及過早地縮小井眼的井徑，或使井眼的幾何形狀發(fā)生變化。
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