水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計之壓漏校核新方法

鄭雙進(jìn) 賈世文 張文敏 余 勤

（1.中石油鉆井工程重點實驗室長江大學(xué)研究室·長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢 434023；2.中國石油長城鉆探工程公司，遼寧盤錦 124221）

水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計之壓漏校核新方法

鄭雙進(jìn)1賈世文2張文敏2余 勤2

（1.中石油鉆井工程重點實驗室長江大學(xué)研究室·長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢 434023；2.中國石油長城鉆探工程公司，遼寧盤錦 124221）

目前水平井已成為高效開發(fā)油氣藏的一項重要技術(shù)，由于水平段地層壓力剖面的特殊性，在鉆井過程中隨著井眼的延伸，水平段易發(fā)生井漏，直接影響了施工效率與鉆井成本?；谒骄@井過程中水平段的受力特點，結(jié)合水平段地層壓力剖面特性，提出了一種壓漏校核新方法，該方法將環(huán)空動態(tài)壓力計算納入水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計中進(jìn)行考慮，逐段進(jìn)行環(huán)空動態(tài)壓力計算與校核，通過尋找壓漏臨界點確定套管下深，并根據(jù)鉆井實踐經(jīng)驗優(yōu)化水平井井身結(jié)構(gòu)，提高了水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計的科學(xué)性。該方法應(yīng)用于水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計中，將有助于保障水平井鉆井的安全性，提高施工效率，降低鉆井成本。

水平井；壓力剖面；漏失壓力；井身結(jié)構(gòu)；優(yōu)化

水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計是水平井成功實施的一項關(guān)鍵技術(shù)，其不僅直接關(guān)系到鉆井施工安全，而且關(guān)系到鉆井成本［1］。水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計主要參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5431—2008 《井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法》，基于壓力平衡關(guān)系進(jìn)行井身結(jié)構(gòu)設(shè)計，但在計算井筒壓力時未充分考慮環(huán)空動態(tài)壓力的影響。

在水平井鉆進(jìn)過程中，由于地層破裂壓力基本不變，隨著水平段井眼的延伸，作用在井底的環(huán)空動態(tài)壓力越來越大，導(dǎo)致水平段鉆井過程中容易發(fā)生井漏，直接影響了鉆井效率與鉆井成本。因此，基于水平段鉆井的受力特點，結(jié)合水平段地層壓力剖面特性，提出了一種針對水平井的壓漏校核新方法，該方法利用實際鉆井過程中的環(huán)空動態(tài)壓力進(jìn)行壓漏校核，并通過調(diào)整鉆井液性能優(yōu)化水平井井身結(jié)構(gòu)。該方法應(yīng)用于水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計中將有助于保障水平井鉆井的安全性，并提高鉆井效率，降低鉆井成本。

1 地層壓力剖面

相比常規(guī)直井與定向井，水平井地層壓力的特殊性在于隨著水平段的延伸，地層孔隙壓力和地層破裂壓力趨于一常量。在以垂深表示的壓力剖面上，水平段地層壓力值集中為一點；在以斜深表示的壓力剖面上，水平段地層壓力值表示為垂直線。為方便直觀，在進(jìn)行水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可以結(jié)合垂深地層壓力剖面和井眼軌道數(shù)據(jù)，把以垂深表示的地層壓力剖面轉(zhuǎn)化為以斜深表示的地層壓力剖面，這樣可以找到對應(yīng)于水平井井眼軌道上任意點的地層壓力數(shù)據(jù)，便于比較對照。在計算井筒環(huán)空壓降的時候可以采用斜深進(jìn)行計算，在計算井筒靜液壓力的時候需將斜深轉(zhuǎn)化為垂深，一般通過最小曲率法進(jìn)行斜深垂深轉(zhuǎn)換，可以獲得相對準(zhǔn)確的計算結(jié)果。

2 壓漏校核新方法

在水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，無論是經(jīng)驗設(shè)計，還是基于壓力平衡關(guān)系的科學(xué)設(shè)計，均未考慮環(huán)空動態(tài)壓力的影響。針對水平井壓漏特性作了深入分析，提出了一種動態(tài)壓漏校核新方法，并提出了壓漏臨界點的概念。

參照SY/T 5431—2008 《井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法》，考慮地質(zhì)必封點和鉆井實踐經(jīng)驗，初步確定井身結(jié)構(gòu)開次和各開次深度后，開始進(jìn)行壓漏校核，具體步驟如下。

（1）確定水平段所在開次是否會發(fā)生壓漏。

①計算井底不被壓漏的最大允許壓力增量Δpz

式中，Δpz為井底不被壓漏的最大允許壓力增量，Pa；ρf為地層破裂壓力當(dāng)量密度，kg/m3；Δρf為地層破裂壓力誤差允量，kg/m3；ρm為鉆井液密度，kg/m3；Hb為井底垂深，m。

②計算井底處的環(huán)空壓降Δpb1。水平井環(huán)空動態(tài)壓降主要與鉆井液密度、黏度、排量、井眼尺寸、鉆柱尺寸等有關(guān)，任一點的環(huán)空動態(tài)壓降可采用如下公式計算［2］

式中，pfd為井底處的環(huán)空壓降，Pa；μpv為鉆井液塑性黏度，Pa·s；Lp為鉆桿段或鉆鋌段長度，m；Q為循環(huán)排量，m3/s；dh為井眼尺寸，m；dp為鉆桿或鉆鋌外徑，m。

根據(jù)式（2）計算井底的環(huán)空壓降Δpb1，如果Δpz大于或等于Δpb1，表明本開次鉆井不會被壓漏；如果Δpz小于Δpb1，表明本開次鉆井會被壓漏，需要進(jìn)一步進(jìn)行壓漏校核。

（2）如果壓漏，確定是否需要下套管封隔。經(jīng)初步校核如果水平段某開次鉆井會被壓漏，不必急于下套管封隔，需綜合考慮施工單位的鉆井技術(shù)水平、鉆井新工具新技術(shù)的應(yīng)用情況、處理壓漏事故的技術(shù)措施等，如果通過上述措施可以在避免井涌的前提下降低井漏或阻止井漏，則不必下套管封隔，可以避免下套管的高額成本。

通過調(diào)整鉆井液密度與性能來減小環(huán)空壓降，以降低井筒壓力也是避免或減輕壓漏的一項重要措施。如果通過上述措施和調(diào)整鉆井液密度與性能仍然無法避免壓漏情況，那么只能增加開次。

①計算降低鉆井液密度后，保證井底不產(chǎn)生井涌的最大允許壓力降低值Δpm

式中，Δpm為保證井底不產(chǎn)生井涌的最大允許壓力降低值（調(diào)整鉆井液密度與性能引起），Pa；ρm為鉆井液密度，kg/m3；ρp為地層孔隙壓力當(dāng)量密度，kg/m3；Δρm為鉆井液密度附加值，kg/m3。

②計算調(diào)整鉆井液密度與性能后井底的環(huán)空壓降Δpb2

調(diào)整后的鉆井液密度為

根據(jù)調(diào)整后的鉆井液密度與性能運用式（2）計算井底的環(huán)空壓降Δpb2，如果Δpm大于等于Δpb2，表明通過調(diào)整鉆井液密度與性能減小井底壓力可以完全抵消鉆井液循環(huán)引起的環(huán)空壓降，則不需要下套管封隔即可安全鉆到井底。如果Δpm小于Δpb2，表明通過調(diào)整鉆井液密度與性能減小井底壓力不能平衡鉆井液循環(huán)引起的環(huán)空壓降，需要下套管進(jìn)行封隔。

（3）計算壓漏臨界點深度，確定套管下深。如果Δpm小于Δpb2，表明隨著水平段的延伸，環(huán)空壓降增長速度比調(diào)整鉆井液密度與性能降低引起的靜液壓力降低速度快，在水平段中必然存在某一點處的環(huán)空壓降與調(diào)整鉆井液密度與性能后降低的靜液壓力相等，該點即為壓漏臨界點深度，即套管下深。由于計算復(fù)雜，該點深度需進(jìn)行計算機(jī)迭代計算。

（4）增加開次后，重新進(jìn)行壓漏校核。經(jīng)第（3）步，增加套管開次后，需重新定義井眼和套管尺寸，環(huán)空動態(tài)壓力計算發(fā)生變化，需要重新按照（1）、（2）、（3）步驟進(jìn)行壓漏校核，直至滿足要求為止。

3 工程應(yīng)用

基于壓漏校核新方法，采用C++程序設(shè)計語言開發(fā)了水平井壓漏校核計算軟件，應(yīng)用青海油田紅柳泉區(qū)塊、馬北區(qū)塊等地區(qū)4口水平井的地質(zhì)資料和鉆井資料進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)壓漏校核計算結(jié)論與現(xiàn)場實鉆情況基本一致，吻合率達(dá)到92.1%。

由于壓漏校核計算方法綜合考慮了井徑、鉆井液性能、環(huán)空巖屑等因素的影響，壓力計算準(zhǔn)確。該方法應(yīng)用于大斜度定向井、水平井及大位移井，尤其是窄密度窗口地層中，可以準(zhǔn)確判斷地層壓漏情況，為井身結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考，促進(jìn)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，保障鉆井安全，降低鉆井成本。

4 結(jié)論

（1）井身結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性在很大程度上依賴于對鉆井地質(zhì)環(huán)境（包括巖性、地下壓力特性、復(fù)雜地層分布、井壁穩(wěn)定性、地下流體特性等）的認(rèn)識程度［2］。因此，應(yīng)通過多種手段充分認(rèn)識水平井地層壓力及巖性分布情況等，有助于設(shè)計科學(xué)的井身結(jié)構(gòu)方案。

（2）通過對水平井壓漏特性的深入分析，提出了一種壓漏校核新方法，并提出了壓漏臨界點的概念。該方法重點考慮了水平段鉆井容易壓漏的特點，并考慮了鉆井工程實踐經(jīng)驗對井身結(jié)構(gòu)的影響，彌補(bǔ)了常規(guī)設(shè)計方法的不足，有助于促進(jìn)井身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，保障鉆井安全，降低鉆井成本。

［1］徐小峰，孫五苓，白亮清.冀東油田水平井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計［J］.石油鉆采工藝，2007，29（7）：7-10.

［2］陳庭根，管志川.鉆井工程理論與技術(shù)［M］.東營：石油大學(xué)出版社，2000.

（修改稿收到日期 2013-01-30）

Leakage check method of casingprogram design for horizontal wells

ZHENG Shuangjin1, JIA Shiwen2, ZHANG Wenmin2, YU Qin2

（1. Yangtze University Laboratory of Key Laboratory of Drilling Engineering,CNPC,College of Petroleum Engineering,Yangtze University,Wuhan434023,China; 2. Great Wall Drilling and Exploration Engineering Company,CNPC,Panjin124221,China）

Horizontal wells have become an important technology for effectively developing oil and gas at present. With wellbore goes forward, well leakage is likely to occur on horizontal section because of the particularity of formation fracture pressure for horizontal wells, which affects the drilling eff i ciency and drilling cost. Considering the characteristics of formation fracture pressure and force analysis of horizontal section during drilling, a new leakage check method was developed with consideration of the annular dynamic pressure and practical experience of drilling. This method was safer, more eff i cient and more cost-saving than conventional design methods.

horizontal well; pressure prof i le; leakage pressure; casing program; optimization

鄭雙進(jìn)，賈世文，張文敏，等.水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計之壓漏校核新方法［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（3）：16-18.

TE22

B

1000 – 7393（ 2013 ） 03 – 0016 – 03

國家科技重大專項“鉆井工程設(shè)計和工藝軟件”（編號：2011ZX05021-006）的部分內(nèi)容。

鄭雙進(jìn)，1983年生。2009年畢業(yè)于長江大學(xué)油氣井工程專業(yè)，現(xiàn)從事油氣井固井完井技術(shù)教學(xué)與研究工作，講師。電話：13986678667。E-mail：Zhengshuangjin@yangtzeu.edu.cn。

〔編輯

薛改珍〕