水平井大修技术探讨及借鉴性经验分享

水平井大修作业技术探讨及借鉴性经验分享

国泰技术管理部

二〇一三年四月二十三日

目录一水平井概念及分类

二水平井完井方式

三水平井压裂方法简介

四水平井作业技术特点

五钻具工具的选择

六水平井冲砂工艺技术

七解卡打捞作业技术

八钻铣技术

九卡堵水技术

十套损井修井技术

十一结论

水平井大修作业技术探讨及借鉴性经验分享

前言水平井能增加油藏的渗流和供油面积,增加油气井产能、注入能力、动用的储量,是油气田高效开发的一项重要技术 ,是当今石油工业发展最重要的关键技术之一。随着钻井技术水平的不断提高和油气田开采进入后期 ,水平井的应用越来越广泛。目前,在吉林油田水平井以独特的工艺技术,显示出了卓越的优点，已经进入了一个崭新的发展阶段。随着水平井技术的推广应用,相应产生了水平井井下故障排除作业技术，据调研，在吉林油田针对水平井井下故障，实施小修作业已经进行多口井尝试性作业，没有收到较好的效果。截止目前，大修作业并未开展此项工作，因此，针对水平井大修工艺技术进行可行性探讨是一项具有前瞻性技术课题，对拓展和提升大修技术水平具有重要意义，应是企业一项发展战略目标。

面对国内各大油田关于水平井作业研究和实践，结合吉林油田及合资的实际情况，引入和消化水平井作业部分技术，可对国泰公司水平井作业配套措施研究，进行科学的论证，为水平井作业提供一个新的思路。以下是：水平井大修作业技术探讨及借鉴性经验分享，仅供参考。

一水平井概念及分类

(一)水平井概念

水平井是井眼轨迹同油层走向基本一致，井斜角不低于86°的特殊定向井。它可有效地增加油气层的泄露面积，提高油气采收率，是增加产油量的有效

（二）水平井分类

二水平井完井方法简介

目前，水平井的完井方法多达近30种，其中主要的完井方法是针对出砂油气田。用于不出砂的油气田的完井方法种类反而少一些。

二水平井完井方式

（一）不防砂的水平井完井方法

（1）裸眼完井（2）割缝衬管完井（3）打孔管完井（地面预钻孔尾管）（4）带ECP的割缝衬管完井（5）射孔完井

（二）防砂的水平井完井方法

（1）割缝衬管完井（2）绕丝筛管完井（3）裸眼预充填砾石筛管完井（筛管太重，应用较少，水平井基本不用（4）裸眼金属纤维筛管完井(5)裸眼烧结陶瓷筛管完井(6)裸眼金属毡筛管完井(7)裸眼井下砾石充填完井（8）裸眼化学固砂（9）衬管外化学固砂（10）裸眼高级优质筛管防砂完井（11）管内下绕丝筛管完井（12）管内金属纤维筛管完井（13）管内烧结陶瓷筛管完井（14）管内金属毡筛管完井（15）管内井下砾石充填完井（16）套管外化学固砂（目前基本不用）（17）管内井下压裂＋砾石充填完井（18）管内高级优质筛管防砂完井

（三）常规完井图例

多级套管外封隔器完井技术

三水平井压裂方法简介

（一）方法分类

在水平井开发过程中，形成了多种增产改造工艺方法，目前主要有以下６种。（1）机械封隔器裸眼水平段分段压裂、酸化（2）遇液封隔器裸眼水平段分段压裂、酸化（3）油管不动管柱喷射压裂（4）连续油管喷射、环空压裂（5）机械桥塞分段压裂、酸化（6）固井滑套分段压裂、酸化

（二）压裂方法例证

（1）机械封隔器裸眼水平段分段压裂、酸化

（2）遇液封隔器裸眼水平段分段压裂、酸化

四水平井作业技术特点

对于斜井或水平井弯曲井段可看作是由井斜角不同的多边形组成的，水平井中的管柱受力较为复杂，特别是“钟摆力”和弯曲应力很大、分力多，活动解卡时的拉力和扭矩不易最大限度的传递到卡点上，解卡成功的机率低。倒扣时也无法准确掌握中和点，倒扣打捞落物长度短，提下打捞工具次数多。造成水平井修井技术具有难度高、风险大、工艺要求复杂等特点，这进一步导致常规直井修井技术在难以水平井中有效实施。

五水平井钻具工具及配合工具的选择

（一）钻具工具选择

（1）防止工作部件的磨损：使用18°坡度钻杆、或无接箍柔性钻具及井下动力钻具。

（2）防止堵塞水眼：使用大水眼钻具或工具。

（3）工具接头以及配合接头最大外径处支点与钻柱之间的中心线倾斜角。选择工具接头及配合接头的最大外径与预捞管柱外径基本一致，并且接头上下具有外倒角，防刮、防卡，这样有利于起下及抓捞落物。

（4）落井管柱与打捞工具的偏心距基本一致，中心线基本一致，否则应给予调节，内捞时工具端部有引锥，外捞时工具端部有拔钩，外表面无死台阶，上下具有外倒角，防止挂卡现象发生。

（5）无需大力解卡打捞落井管柱时，选用与落井管柱同尺寸的钻柱。偏心距和中心线与井下一致，有利于抓捞落物。

（6）为利于轴向载荷和扭转载荷的传递，可选用倒装钻具，即：下段采用与落井管柱同尺寸的钻具柱，上段采用大一级的钻柱，或把钻铤加在垂直井段。 （7）尽可能采用与落井管柱尺寸接近的打捞钻柱，这样就只需小量调整或不需调整钻柱偏心距和中心线。如：预捞φ62mm 油管（接箍外径88.9mm ），选用φ60.3mm 钻杆（接头外径85.73mm ）。

（8）在打捞钻柱上加扶正器，调整下段钻柱的偏心距和中心线，使之与落井管柱基本一致。

件落物卡阻型

艺管柱断脱卡阻型

下工具卡阻型 井仪器卡阻型

它复杂卡阻型 头引入和修整难 性工具和管柱下入难 阻大，工艺实施难 下落物判断难 钻磨易破坏套管

砂易二次沉积,阻卡管柱

（9）在钻柱上近工具处加扶正器，利用钻柱的弯曲变形来调节井下工具倾斜角β（见图1）。即:支点T至工具端部中心线与井眼中心线夹角。以利于抓捞落物。

（10）使用优质钻具施工，勤检查，勤倒换钻具，重点防止钻具折断。（二）扶正器的选用

根据几何原理，三点才能决定一条定形的曲线。因此，三个扶正器保持和井壁三点接触（双扶正器时，井下工具相当于下扶正器），从而限制井下工具的侧向移动。钻柱可看作受集度为q的均布载荷作用的细长杆，由于井壁磨擦力的影响，钻头的真实钻压是很难了解的，钻压对扶正器安放位置影响小，为计算方便不考虑钻压的影响，即不考虑钻柱压曲而造成的正旋和螺旋弯曲，仅考虑自重作用。

（1）近工具扶正器（下扶正器）的安放位置：

下扶正器至工具端部可看作一悬臂梁，取下扶正器至工具接头下圆的最大挠度（绝对值）

（2）扶正器间距的计算将一段钻柱作为一根连续梁，有几个扶正器支撑着，选取中间支座处梁的截面弯矩作为多余约束力矩，由三弯矩方程知：在水平段扶正器扶正间距最小，向上逐渐增大，使用不同的扶正器扶正间距不同，但差别不大。必要时可每隔一个单根安放一个扶正器，目的主要是减少磨擦面积，防止粘卡。

六水平井冲砂工艺技术

（一）水平井冲砂特点

传统的冲砂工艺虽然能满足直井、定向井的要求, 但难以满足水平井水平井段的冲砂要求。由于水平井井身结构特殊, 地层砂更容易进入井筒内, 并在井筒底部形成砂床, 出砂严重时可能砂堵井眼。与直井冲砂相比, 水平井冲砂存在以下问题: ①冲洗液在水平井段及斜井段的携砂能力低, 地层砂易沉降, 停泵时很容易在大斜度井段形成砂桥, 造成冲砂过程中砂卡事故的发生; ②需冲洗的井段长; ③砂不易被冲起和清除干净。为利于冲洗液将砂

携走, 需采用有效措施确保砂和杂质处于悬浮状态。常规冲砂工艺存在的缺陷和不足，缺点是：

1）、由于接单根需要停泵，上返的砂子低于悬浮速度后迅速下沉，不但降低了冲砂的速度，还容易形成砂桥发生卡钻事故。

2）、冲接一根单根需要14min，加深管柱越多需要冲洗的时间越长。

3）、没有实现冲砂池的密闭循环，冲砂液流经地面产生污染。

（二）建议水平井冲砂采用旋流连续冲砂工艺技术

旋流连续冲砂工艺技术能有效地解决目前油田冲砂作业施工中存在的易砂卡、污染环境等问题, 同时能解决水平井冲砂存在的问题。反循环旋流连续冲砂效率高, 使冲砂液全部排入储液池, 便于回收, 同时能改善工人工作条件。为此研制了系列连续冲砂装置，实现了不停泵作业，减少了接入单根前循环时间，减少了冲砂完毕循环时间，减少劳动强度，有效地解决了冲砂问题。

（1）旋流地面换向连续冲砂工艺技术

旋流连续冲砂工艺技术是利用普通

油管实现水平井反循环旋流连续冲砂的,在接单根过程中不停泵,防止砂粒下沉和砂卡管柱事故的发生,同时能保护井场环境,改善工人工作条件。水平井普通油管反循环旋流连续冲砂工艺管柱见图

水平井普通油管反循环旋流连续冲砂工艺管柱结构示意图

1—新型反冲洗阀;2—高压自封封井器;3—油管;

4—安全泄流阀;5—扶正器;6—水力旋流冲砂器

旋流连续冲砂工艺配套工具由井口循环工具和井下冲砂工具两部分构成。

井下冲砂管柱自下而上为:水力旋流冲砂器+1根73mm(27/8英寸)油管

+118mm扶正器+27/8″mm油管+安全泄流阀+73mm油管至井口+新型反循环洗阀

装置。

1）井口循环工具

井口循环工具包括高压自封封井器和反循环冲洗阀（如图）。利用该部分

工具可实现水平井不

作业,使冲砂液全部排

入储液池,以便回收,

既能保护井场环境,又

能改善工人工作条件。

施工时,冲砂油管每一

根上端接一新型反冲

洗阀,它在管柱中的作

用是:

(1)在入封井器前

相当于油管短节,此时

冲砂液循环路线为:大

四通油套环空进入,油

管上升至反冲洗阀通过管线流到地面储液池。

(2)进入封井器后,下部的滑动阀打开,上端的单流阀自动关闭,反冲洗阀

与封井器共同形成循环通道,冲砂液循环路线为:大四通油套环空进入,油管

上升通过反冲洗阀的滑动阀进入封井器的循环出口通道,通过管线接到地面

储液池里。此时管柱正好座在井口吊卡上,可实现不停泵接单根作业,从而实

现水平井连续冲砂作业。

(3)入井后(通过封井器后)滑动阀自动关闭,在封井器以下时还是相当于

油管短节。

2）井下冲砂工具

井下冲砂工具包括水力旋流冲砂器、安全泄流阀和扶正器。该部分完成对地层砂的冲洗和安全泄流功能。水平井旋流冲砂器的作用是在套管内形成高速旋流,搅动水平井段内的沉砂,有效地破坏砂床,使砂子和杂质始终处于悬浮状态,有利于冲洗液将地层砂携走,将砂粒彻底冲洗干净。安全泄流阀在冲洗阻力过高时起安全卸压的作用。

3）主要配套工具

1、新型反冲洗阀

新型反冲洗阀主要由油管接箍、压盖、弹簧、

阀球、球座、中心管、护套、矩形弹簧、O形密封

圈、滑动阀、下接头等零件组成,如图2所示。

4）水力旋流冲砂器

为提高水平井连续冲砂效率,有利于冲洗液将砂携走,需采用有效措施确保砂和杂质处于悬浮状态,引进水力旋流冲砂器。水力旋流冲砂器是用普通油管实现连续冲砂配套工具的关键部件,其结构组成如图3所示。它主要由上接头、冲洗管、压紧套、自封皮碗、皮碗座、中心管、旋转喷头限位套、旋转喷头、轴承、引鞋、隔圈、顶丝、O形密封圈等组成。自封皮碗内设钢丝骨架结构,耐压差高,密封可靠,既增加了工作的可靠性,又增强了皮碗的整体联动性能,可有效防止皮碗落井现象的发生。自封皮碗承受工作压差达到15MPa以

上,自封皮碗自由状态下最大外径为118mm,受压可缩小,紧贴套管壁,能有效地密封油套环形空间。

水力旋流冲砂器工作原理:反循环连续冲砂施工时,液流从冲洗管的水眼进入,通过冲洗管和中心管之间的环空进入到旋转喷头的内腔,再从旋转喷头的水眼喷出,形成高速射流,根据水力学原理,此时旋流喷头在水力作用下会高速运转,在套管内形成高速旋流,对水平井段内的沉砂进行充分搅动,从而有效地破坏砂床,使砂子和杂质始终处于悬浮状态,有利于冲洗液将地层砂携走,将砂粒彻底冲洗干净。

水平井旋流连续冲砂示意图

（三）上述为地面换向，最好使用套内换向装置实施水平井旋流连续冲砂

（1）套管内自动换向连续冲砂技术

1）施工管柱结构从下到上：旋流冲砂笔尖+无接箍油管+挠性接头+垂直段的普通油管。

2）套管内换向连续冲砂装置：

（2）套管内换向连续冲砂技术特点

密封换向阀

双补偿冲砂自封

衬管

套管内自动换向冲砂施工示意图

A、对提高冲砂施工效果和施工效率、延长油井生产周期、增加原油产量有重要作用，还可进行冲砂收油。

B、冲砂过程中不停泵，可以有效避免因为接单根停泵而造成的砂卡管柱事故。

C、冲砂管上部不用接冲砂活动弯头和高压水龙带，能够降低工人的劳动强度，提高施工效率，同时有利于安全生产。

D、冲砂液自动换向，不需要任何控制，施工简单。

（四）水平井冲砂液选择

高粘度优质无固相低摩阻修井液：具有不污染油层、高携砂力、低磨阻的特性，在修井液中加入降阻剂、石墨粉、石蜡、白油等润滑剂，在钻具及井壁间形成润滑层，有效降低磨阻系数。适合于冲砂井段较大的井使用。

泡沫修井液：泡沫修井液是针对地层漏失采取的降低修井液密度的技术措施，适合于地层漏失量较小的井。

油井暂堵液：油井暂堵液适用于地层漏失非常严重，不能建立循环的井。冲砂注意事项及遵循原则：

（1）采用高粘携砂液加大排量进行冲洗，提高携砂能力和液流速度；另外要尽量缩短洗井时管柱在井内静止时间，以避免砂粒的二次沉淀所导致的卡钻。（2）对负压层段用暂堵剂进行暂堵，再对措施层段进行冲洗。

（3）在井口压力的许可范围内，泵的排量一定要大，以足以形成高速紊流，有效地将井筒中形成的致密砂床进行破碎，对井筒进行充分清洗。

（4）由于水平井水平段长，流动阻力大，携砂液达不到临界速度，砂粒的下沉速度大于携砂速度，极易造成砂卡，尤其是在管柱静止时这种现象更易发生。

（5）采用常规冲砂笔尖，冲砂管柱进入水平段后，冲砂液易在流动阻力小的上部形成循环通道，只能带出一些浮砂，井壁附近较坚固的砂床难以清理干净。

（五）水平井捞砂作为辅助清砂技术

七水平井解卡打捞作业技术

（一）解卡打捞技术难点

由于水平井井眼轨迹的特殊性，致使水平段打捞工具、打捞管柱的工作、受力状态发生变化，作业时井口施加的扭矩、拉力很难传递到水平段鱼顶位置，常规打捞、解卡等无法正常实施。现场应用常规打捞工具通过地面及现场试验发现，在水平段打捞成功率极低，打捞遇卡后不能顺利实施解卡、退出等措施，打捞成功后在起打捞管柱时落鱼易脱落。因此，要完成水平段打捞等施工，须对打捞工具、解卡力的施力方式、打捞管柱进行设计和改进。水平井井眼轨迹同油层的走向基本一致，水平段的井斜角达到86°以上。相对于常规定向井具有井斜角大、井眼曲率变化大，连续增斜段长，水平位移大等特点。水平井按曲率变化可分为长曲率、中曲率和短曲率水平井。

水平井中管柱受力复杂，不同井段管柱受力不同，特别是“钟摆力” 和弯曲应力很大，分力多。管柱和工具工作状态发生根本变化，常规井下作业管柱和工具不能满足水平井作业要求。

中和点无法准确掌握，倒扣捞出落物长度往往较短，造成起下工具次数多；水平段修井液流态发生变化，不同井段施工参数要求不同；

（二）水平井打捞解卡工具选择

(1）工具主要考虑以下因素

①增加打捞整体的抗拉强度；②在水平段能实现正常打捞；③打捞遇卡必须能顺利退出；④打捞成功后起钻落物不易脱落。

(2)主要工具

增力器是近年来修井作业解卡技术的一项突破，不仅可以补偿钻具抗拉强度和地面设备提升力的不足，同时实现了大井斜段、水平段解卡力的传递问题。液压生力器为多级活塞液压加力机构，操作简单。主要由两部分组成：座封悬挂部分、液压提升部分。

可根据地面泵压变化及负荷变化观察解卡状态。

原理：利用打捞增力器把大钩的垂直拉力，转变成水平拉力并具有增力效果，二力共同作用实现解卡；

适用：各种管柱断脱滑落至弯曲或水平段被卡，或生产、压裂等管柱被砂卡在水平段内的情况；

现场验证：液压打捞增力器（3级）一次最大收缩距400mm，在30MPa 下增力35t，满足工艺要求。

（3）其它工具：

根据水平井井身结构的特殊性和解卡打捞具体要求，必须借鉴成熟工具，少走弯路，同时，要根据具体情况，创新开发研究新型水平井解卡打捞工具。比如：鱼头引入工具、磨套工具、扶正工具等等。

（4）常用工具明细

（三）解卡技术

由于使用常规解卡工艺在解卡不成功的情况下往往造成井下事故复杂化，应

根据水平井井身结构的特殊性和解卡作业的具体要求，采取以下工艺进行作业。

A 增力解卡技术:针对水平井井斜角大、在井口活动管柱能量传递效果差、不易解卡的实际，利用井下打捞增力器把大钩的垂直拉力转变成水平拉力并具有增力效果，二力共同作用实现解卡。

B 震击解卡技术

:针对水平井钻压传递困难的情况，可采用倒装钻具结构或配合下击器共同作用进行震击解卡，或利用连续油管配合连续油管震击器、加速器等管柱进行近卡点震击解卡。适用于管柱掉井后砂卡或小件落物造成的管柱阻卡后的解卡。

C 震击倒扣解卡技术:在前两种方法解卡不成功时，可利用震击配合倒扣进行解卡。管柱结构和震击法管柱结构相似，只是打捞工具采用可倒扣打捞工具。由于倒扣时无法准确掌握中和点，倒扣打捞落物长度短，当倒出一部分管柱过卡阻点后，再配合震击，再行打捞。

(四)打捞技术

常规水平井解卡打捞工序示意图

和直井一样，水平井在生产和各项作业过程中，也可能出现工具落井的意外情况，造成下步措施受阻，为此必须实施打捞作业，以保证后续工艺顺利实施。另外，由于防砂或堵水等工艺的要求，部分井下工具及管柱会留在井中。若管柱失效，也必须进行打捞。

（1）井下增力打捞工艺是针对水平井实施打捞的一项技术，对卡点附近的打捞解卡，尤其是防砂失效井滤砂管的解卡效果非常明显。打捞管柱主要由可退式捞矛、井下打捞增力器、扶正器和配套工具等组成，对于普通落鱼的打捞解卡，直接下可退式打捞工具倒扣处理至卡点附近，再下入井下增力器将落鱼捞获以井下打捞增加产生的大吨位拉力将落鱼捞出。

（2）水平井管柱切割打捞技术与工具

水平井由于管柱卡钻，造成打捞和磨铣风险较大，采用切割打捞技术:

钻具组合：水力割刀＋稳定器＋异径接头＋连接管＋定位器

工艺技术：

1.根据落鱼确定定位器接触面至割刀。

2.连接割刀，确定记录刀头启动时的排量。

3.按照钻具串连接工具。

4.计算定位器下入时的方入。

5．定位器接触面与鱼头接触时，加压30-40NK

6.以最低转速转动转盘，旋转平稳后，开泵切割刀的排量，排量为初时排量的1.2-1.3倍。

7.切割15-20分钟，停泵起钻。

八钻铣技术

水平井钻铣作业所使用的井下动力钻具管柱主要由钻头（磨铣工具）、滚动扶正器、动力钻具等工具组成，其中动力钻具提供旋转动力，滚动扶正器可以保证钻头沿着井眼的方向钻进，防止工具损伤井壁，避免钻侧孔现象发生。利用该套钻具组合可以完成水平井套管内水泥用该套钻具组合可以完成水平井套管内水泥塞、可钻材料封隔器等井下工具的钻铣。

管柱结构：锥度钻杆+扶正器+（通井、钻、套、磨铣）工具