海上深探井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

方長傳 （中海油能源發(fā)展股份有限公司，北京100010）

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計是實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、安全和高效鉆井作業(yè)的基礎(chǔ)?，F(xiàn)有探井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計采用自上而下的方法，該方法雖然滿足了常規(guī)深井和探井封堵復(fù)雜層位的要求，在一定程度上應(yīng)對了海上鉆井作業(yè)的地質(zhì)不確定性[1，2]，但對于存在低滲層與常規(guī)層、高壓層與低壓層的深井，則不能完全封隔，容易引發(fā)復(fù)雜工程事故。為減少井下復(fù)雜情況，提高作業(yè)時效，滿足海上深探井后期取資料和測試作業(yè)要求，筆者擬在參考常規(guī)探井自上而下的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計原則基礎(chǔ)上，充分考慮地質(zhì)必封點對井身結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響，以安全鉆達目的層位為目標，提出針對具有復(fù)雜地質(zhì)條件尤其是存在高壓低滲層深探井的自中間向兩邊的井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，以保證海上深探井鉆井施工作業(yè)的安全、高效。

1 常規(guī)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

按井內(nèi)壓力系統(tǒng)平衡原則設(shè)計出各層套管的下入深度。要求在同一井段的裸眼內(nèi)保持壓力系統(tǒng)平衡，即在鉆進、起下鉆及井涌壓井過程中不會壓裂上部地層而發(fā)生井漏；在鉆井作業(yè)和下套管時不會發(fā)生壓差卡鉆、卡套管等復(fù)雜情況。當特殊地層造成不能正常鉆進時，應(yīng)考慮適當調(diào)整井身結(jié)構(gòu)。

1.1 自下而上設(shè)計方法

對于已探明地區(qū)的開發(fā)井，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計通常采用自下而上的原則進行，每層套管下入的深度最淺，可使套管費用最少，上部套管下入深度的合理性取決于對下部地層特性了解的準確程度和充分認識，最后一層套管的下入深度通常取決于井深或地質(zhì)要求，而完井的油層套管尺寸通常取決于完井和采油作業(yè)的要求[2，3]。

1.2 自上而下設(shè)計方法

對于預(yù)探井和地層復(fù)雜的深井，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計通常采用自上而下的原則進行，其套管層次設(shè)計不應(yīng)該以套管下入深度最淺、套管費用最低為主要目標，而應(yīng)以確保鉆井成功率、順利鉆達目的層為首要目標，套管下入深度根據(jù)上部已鉆地層的資料確定，不受下部地層的影響，有利于井身結(jié)構(gòu)的動態(tài)設(shè)計[4]。

井身結(jié)構(gòu)無論采用自下而上還是自上而下的設(shè)計方法，均應(yīng)保證同一裸眼段內(nèi)滿足壓力平衡原則，達到防噴、防卡和防漏的目的。

2 海上深探井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

必封點的位置是海上深探井在設(shè)計時首先要解決的問題，依據(jù)地層的巖性判斷是否存在易垮塌地層和鹽膏層等，依據(jù)地層壓力預(yù)測結(jié)果判斷是否存在異常壓力，結(jié)合區(qū)域性的地層認識確定必封點的位置。確定必封點位置和數(shù)量之后，再確定需要下入的技術(shù)套管層次。對于深探井還需著重考慮高壓油層上部套管的抗內(nèi)壓強度以保證鉆井過程中發(fā)生溢流后壓井的安全，最后再結(jié)合常規(guī)設(shè)計方法確定技術(shù)套管下入深度是否合適以及表層套管和油層套管的尺寸和下入深度，實現(xiàn)從中間向兩邊推導的設(shè)計方法[5]。與常規(guī)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法一致，采用自中間向兩邊的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法時，每兩層套管之間的裸眼井段必須滿足以下4個力學平衡方程：

式中：ρmax為裸眼井段的最大鉆井液密度，g/cm3；ρp，max為裸眼井段鉆遇的最大地層孔隙壓力當量密度，g/cm3；Sb為抽汲壓力允許值當量密度，g/cm3；Δρ為附加鉆井液密度，g/cm3；ρc，max為裸眼井段的最大地層坍塌壓力當量密度，g/cm3。

式中：i為計算點序號，在設(shè)計程序中每米取一個計算點；ρpi為計算點處的地層孔隙壓力當量密度，g/cm3；Hi為計算點處的深度，m；Δp為壓差卡鉆允值，MPa。

式中：Sg為激動壓力允許值當量密度，g/cm3；Sf為地層壓裂安全增值當量密度，g/cm3。

式中：Sk為井涌條件壓力允許值當量密度，g/cm3；Hp，max為裸眼井段最大地層孔隙壓力處的井深，m；ρfi為計算點處的地層破裂壓力當量密度，g/cm3。

3 設(shè)計實例

東海某地區(qū)井深超過5000m，地層復(fù)雜，上部井段煤層和砂泥巖互層多。部分井地層實測壓力值如表1所示，地層壓力預(yù)測值如圖1所示，4000m以上地層為常壓地層，深部地層存在低滲和異常高溫高壓層，高壓井段垂深在4000m，進入高壓井段后，壓力、溫度變化間距很短，200～400m之間出現(xiàn)臺階性變化且溫壓距離變化間隔短，鉆井工程難度大。

該地區(qū)現(xiàn)有井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方案如表2所示，現(xiàn)場鉆井作業(yè)中，?311mm井段裸眼段長、夾層多、可鉆性差、井壁容易失穩(wěn)，導致起下鉆困難，劃眼時間長，井壁坍塌及卡鉆等問題，嚴重影響了作業(yè)時效。由于要充分考慮高壓層影響，使得現(xiàn)有井身結(jié)構(gòu)層次有限，不能完全封隔低滲層與常規(guī)層、高壓層與低壓層，造成工程事故多，取資料、測試作業(yè)環(huán)境惡劣。

表1 部分井地層壓力值統(tǒng)計

圖1 地層壓力預(yù)測值

表2 現(xiàn)有井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

為有效降低?311mm井段鉆井作業(yè)難度，減少井下復(fù)雜情況，封堵該地區(qū)上部井段煤層和砂泥巖互層，并封隔低滲層與常規(guī)層、高壓層與低壓層，滿足后期取資料及測試作業(yè)要求，根據(jù)自中間向兩邊的井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，充分考慮地質(zhì)必封點的影響，確定了3個必封點位置，分別是400～600m封固上部易垮塌地層、3000～3500m封固東營組上部不穩(wěn)定地層和3500～4000m封固高壓層上部地層，綜合淺層的隔水導管下入深度以及綜合考慮目的層的井眼尺寸需求，可以考慮?444mm井段下部備用一層非常規(guī)技術(shù)套管，最終將?445mm井段加深至2500m左右，?244mm套管下入至高壓層頂端，具體設(shè)計方案如表3所示。根據(jù)鉆井手冊規(guī)定，并通過分析鄰井錄井、井史、地質(zhì)等資料，采用表4所列參數(shù)對該井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行了校核，校核結(jié)果滿足安全作業(yè)要求。

表3 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案

表4 深探井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計系數(shù)參考值

采用自中間向兩邊的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方案后，該海域深探井起下鉆遇鉆卡、井壁失穩(wěn)等井下復(fù)雜情況減少，尤其是?311mm井段作業(yè)難度大幅降低，后期取資料和測試作業(yè)環(huán)境明顯改善，平均鉆井時效提高了20%。

4 結(jié) 論

1）自下而上的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法適合已探明地質(zhì)情況的開發(fā)井，可使每層套管下入最淺，節(jié)省套管費用。自上而下的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法可以使每層套管下入深度最大，以保證鉆達目的井深，對于探井具有較好的適應(yīng)性。

2）對于地層復(fù)雜深探井，尤其是具有低滲層和常規(guī)層、高壓層和低壓層的海上深探井，充分考慮地質(zhì)必封點的自中間向兩邊的井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法具有很強的適應(yīng)性，技術(shù)套管應(yīng)當下入至高壓層頂端。同時，為保證井下作業(yè)安全，應(yīng)根據(jù)鄰井作業(yè)資料，選取合適的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計系數(shù)。

3）自中間向兩邊的井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法得到了東海某區(qū)塊海上深探井的驗證，平均鉆井時效提高了20%，取得了良好的應(yīng)用效果。

[1]楊進，周建良，劉書杰 .渤中13－1油田井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究 [J].中國海上油氣 （工程），2003，15（4）：36～39.

[2]董星亮，曹式敬，唐海雄，等 .海洋鉆井手冊 [M].北京：石油工業(yè)出版社，2010.

[3]管志川，李春山，周廣陳，等 .深井和超深井鉆井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法 [J].石油大學學報 （自然科學版），2001，25（6）：42～44.

[4]周延軍，賈江鴻，李真祥，等.復(fù)雜深探井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及應(yīng)用研究 [J].石油機械，2010，38（4）：8～11.

[5]侯喜茹，柳貢慧，仲文旭，等 .井身結(jié)構(gòu)設(shè)計必封點綜合確定方法 [J].石油大學學報 （自然科學版），2005，29（4）：19～22.