托甫臺區(qū)塊含鹽膏層深井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

劉 彪， 白彬珍， 潘麗娟， 牛麗霞， 樊艷芳

(1.中國石化西北油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆烏魯木齊 830011；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

塔河油田鹽區(qū)存在火成巖地層和鹽膏層，前期多采用“長裸眼穿過鹽層”的井身結(jié)構(gòu)[1],火成巖地層與鹽膏層同開次鉆穿，經(jīng)濟高效。但是托甫臺區(qū)塊油藏埋深6 400.00～6 500.00 m，較其他區(qū)塊約深1 000.00 m，同時二疊系火成巖地層裂縫發(fā)育，鹽膏層蠕變速率和構(gòu)造應力分布與其他區(qū)塊有較大差別，導致采用該井身結(jié)構(gòu)時經(jīng)常發(fā)生井漏、坍塌、卡鉆等井下故障，造成鉆井成本增加。為此，筆者在分析地層壓力、火成巖地層裂縫分布特征的基礎上，對井身結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化和調(diào)整。

1 “長裸眼穿過鹽層”井身結(jié)構(gòu)存在的問題

1.1 大尺寸井眼段長

新近系康村組以上砂泥巖互層段地層膠結(jié)程度差，承壓能力低，二疊系火成巖地層裂縫發(fā)育，需要進行承壓堵漏作業(yè)；石炭系鹽膏層易蠕變，需采用高密度鉆井液鉆進。因此，上層φ339.7 mm套管下深要加深，以防止承壓堵漏與采用高密度鉆進鹽膏層時壓漏套管鞋處地層，從而導致φ444.5 mm井眼段長達3 000.00 m，大大降低了機械鉆速。

1.2 火成巖地層堵漏困難

托甫臺區(qū)塊二疊系火成巖地層埋深5 000.00～5 200.00 m，巖性為凝灰?guī)r和玄武巖，裂縫發(fā)育，鉆井過程中易發(fā)生井漏，需要進行承壓堵漏作業(yè)。堵漏時主要借鑒塔河油田其他工區(qū)的堵漏經(jīng)驗，采用復合橋塞堵漏[2]與“橋堵+中強度可固化凝膠堵漏”[3]，但由于對火成巖地層的裂縫發(fā)育情況認識不清，堵漏作業(yè)難以一次成功。如TP138X井采用了“長裸眼穿過鹽層”井身結(jié)構(gòu)，鉆穿鹽膏層前按鄰區(qū)經(jīng)驗進行承壓堵漏作業(yè)，折算井底壓力當量密度1.74 kg/L，套管鞋處為1.88 kg/L。但采用密度為1.62～1.73 kg/L的鉆井液鉆開鹽膏層、測蠕變速率及擴眼期間發(fā)生4次井漏，進行了3次承壓堵漏作業(yè)，累計漏失鉆井液625 m3。

1.3 鹽膏層蠕變影響鉆井安全

托甫臺區(qū)塊借鑒鄰區(qū)經(jīng)驗，采用欠飽和鹽水聚磺鉆井液[4]與鉆后擴孔[3]相結(jié)合的技術(shù)鉆穿鹽膏層，主要以密度為1.66～1.73 kg/L的欠飽和鹽水聚磺鉆井液抑制鹽層蠕動，定期補充抗鹽抗高溫處理劑，維持鉆井液性能穩(wěn)定，防止因鹽膏層大量溶解而形成大肚子井眼和重結(jié)晶[3-4]；鉆穿鹽膏層后，擴孔并下入厚壁高抗擠套管封隔鹽膏層。但在鉆穿鹽膏層的過程中若發(fā)生井漏，井筒內(nèi)液面下降后會因環(huán)空液柱壓力不足以平衡蠕變應力而卡鉆，且隨時間推移蠕變加劇，導致無法解卡。TP138X井發(fā)生第4次井漏后，處理過程中伴隨二疊系火成巖地層掉塊以及鹽膏層蠕變縮徑卡鉆，導致填井側(cè)鉆。

1.4 套管程序復雜

鹽膏層下部地層為巴楚組“雙峰灰?guī)r”地層，存在微裂縫，在高密度鉆井液作用下，容易發(fā)生漏失；同時，目的層為縫洞型油藏，上部的東河塘組地層存在水層，若以壓穩(wěn)水層的鉆井液鉆進目的層，勢必造成井漏并傷害儲層，因此需要下套管分別封隔。

2 地層壓力與火成巖地層特性分析

2.1 地層壓力分布

利用地應力分析軟件Drillworks對測井資料進行反演并與實鉆、測試資料結(jié)合，得到托甫臺區(qū)塊地層的三壓力剖面(見圖1)。從圖1可以看出，托甫臺區(qū)塊地層孔隙壓力當量密度為1.05～1.25 kg/L，屬正常壓力系統(tǒng)，其中石炭系卡拉沙依組、巴楚組(含鹽膏層)以及泥盆系東河塘組地層的孔隙壓力當量密度為1.20～1.25 kg/L；坍塌壓力當量密度較低，約為1.00～1.30 kg/L，整體井壁穩(wěn)定性較好；新近-古近系及以上地層的破裂壓力當量密度為1.70～1.80 kg/L，白堊系至奧陶系頂部為1.80～1.90 kg/L，奧陶系地層為1.60～1.70 kg/L；二疊系火成巖地層的初始漏失壓力當量密度為1.30 kg/L，是全井的薄弱地層之一。

圖1 托甫臺區(qū)塊地層三壓力剖面Fig.1 The three pressure profiles of Tuofutai Block

以上分析可知，二疊系地層為全井承壓能力最低地層，而鹽膏層需高密度鉆井液抑制其蠕變，一次鉆開2個不同壓力系統(tǒng)的地層，存在漏失風險。若采用密度1.62～1.73 kg/L的鉆井液鉆穿鹽膏層，要么采用承壓堵漏技術(shù)提高二疊系火成巖地層的承壓能力，要么將鹽膏層與火成巖地層封隔開。

2.2 火成巖地層特征分析

托甫臺區(qū)塊火成巖地層以凝灰?guī)r和玄武巖為主，凝灰?guī)r多夾有火山角礫巖和少量凝灰質(zhì)砂巖、粉砂巖，但玄武巖較純較厚，水敏性不強。

2.2.1 強度分析

采用巴西劈裂法[5]測定了托甫臺區(qū)塊火成巖地層巖石的抗拉強度，結(jié)果見表1。由表1可知，托甫臺區(qū)塊火成巖地層的抗張強度較大。

表1托甫臺區(qū)塊火成巖地層巖石抗張強度

Table1ThetensilestrengthtestofigneousrockinTuofutaiBlock

巖心編號試樣尺寸直徑/mm長度/mm劈裂載荷/kN抗張強度/MPaBX125.1817.1710.8415.96BX225.1615.7011.8619.11BX325.237.905.2716.83BX425.227.426.3621.63

圖2為托甫臺區(qū)塊火成巖地層巖石的應力-應變曲線。從圖2可以看出，巖石破壞后應力急劇下降，說明托甫臺區(qū)塊火成巖地層具有較強的脆性特征。

圖2 托甫臺區(qū)塊火成巖地層巖石應力應變曲線Fig.2 The curve of stress-strain of igneous rock in Tuofutai Block

2.2.2 裂縫發(fā)育特征

成像測井(見圖3)顯示：玄武巖段高導裂縫發(fā)育[6]，裂縫傾角22°～86°，其傾向、走向雜亂；低阻、呈暗黑色團塊狀與形狀不規(guī)則的高導異常體沿裂縫呈星點狀分布，表明裂縫以溶蝕孔洞為主。

火成巖地層巖樣(見圖4)的表觀裂縫發(fā)育，充填有砂巖、粉砂巖，呈現(xiàn)條帶狀充填特征，具有較強的非均質(zhì)性。電鏡掃描結(jié)果(見圖5)表明，玄武巖及凝灰?guī)r巖樣內(nèi)部礦物晶體的晶間微觀裂隙發(fā)育，礦物內(nèi)部解理發(fā)育。

圖3 火成巖井段裂縫分布Fig.3 The fracture distribution of igneous rock formation in Tuofutai Block

圖4 火成巖地層的巖樣Fig.4 Sample of igneous rock formation in Tuofutai Block

圖5 火成巖地層巖樣的電鏡掃描照片F(xiàn)ig.5 Microscopic photo of igneous rock formation in Tuofutai Block

以上分析可知，二疊系火成巖地層存在以縱向張性為主的裂縫[7]，且發(fā)育有大小不均的溶蝕孔洞，縫寬和溶蝕孔洞大小分布規(guī)律復雜，導致橋堵材料級配難以確定，不能對縫、洞完全封堵；一次承壓堵漏后，高密度鉆井液濾液在壓差作用下侵入巖石裂縫內(nèi)，充填在裂縫內(nèi)的砂泥巖在濾液作用下產(chǎn)生水力劈裂效應，導致脆性火成巖地層掉塊，破壞井壁使漏失面積增大，增加堵漏難度，加劇漏失，而漏失又引起膏鹽層蠕變導致井眼縮徑。因此，采用橋堵堵漏工藝難以將火成巖地層的承壓能力提高到需要的強度，必須對井身結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計。

3 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

3.1 必封點的確定

由托甫臺區(qū)塊地層三壓力剖面(見圖1)可知，井深2 600.00 m以淺地層的破裂壓力當量密度不高于1.70 kg/L。實鉆數(shù)據(jù)表明，二疊系火成巖地層的漏失壓力當量密度為1.30 kg/L，需采用1.50 kg/L的低密度水泥漿固井，固井時井底壓力當量密度達到1.70 kg/L。為確保固井中不發(fā)生井漏，該層套管需下至井深2 600.00 m，才能滿足井口壓力達到9 MPa時不壓漏套管鞋處地層的要求。

現(xiàn)場承壓堵漏表明，火成巖地層最大承壓當量密度為1.72 kg/L，而鉆穿鹽膏層時需將鉆井液密度提高至1.70～1.73 kg/L，才能有效抑制鹽膏層蠕變。為此，二疊系火成巖地層與鹽膏層不能同一開次鉆開。

考慮鹽膏層之下地層與目的層存在漏失風險，需在鉆穿鹽膏層后及時封隔，以免高密度鉆井液壓漏下部承壓能力較低的海相沉積地層。

下部奧陶系地層的風化殼承壓能力低，需將中完井深定在風化殼以上的泥巖段，以便將屬于不同壓力系統(tǒng)的地層單獨鉆開。

以上分析可知，托甫臺區(qū)塊地層存在1個風險點與3個必封點，分別是：1)風險點位置井深2 600.00 m；2)第1個必封點為鹽膏層頂部；3)第2個必封點為鹽膏層底部；4)第3個必封點為目的層頂部。

3.2 井身結(jié)構(gòu)設計

托甫臺區(qū)塊的典型“長裸眼穿過鹽層”井身結(jié)構(gòu)為：一開，φ660.4 mm鉆頭×300.00 m，φ508.0 mm套管×299.00 m，封隔第四系地層；二開，φ444.5 mm鉆頭×3 200.00 m，φ339.7 mm套管×3 198.00 m，封隔新近系地層；三開，φ311.1 mm鉆頭×5 685.00 m，φ244.5 mm套管×(3 048.00～5 555.00) m，φ265.1 mm套管×(5 555.00～5 628.00) m，用厚壁高抗擠套管封鹽膏層；四開，φ215.9 mm鉆頭×6 305.00 m，φ177.8 mm套管×6 303.00 m；五開，φ142.9 mm鉆頭×6 472.09 m，裸眼完井。

根據(jù)以上分析結(jié)果，將“長裸眼穿過鹽層”的井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化為“專封鹽膏層”井身結(jié)構(gòu)。“專封鹽膏層”井身結(jié)構(gòu)為：一開，φ660.4 mm鉆頭×100.00 m，φ508.0 mm套管×99.00 m，封隔第四系地層；二開，φ444.5 mm鉆頭×2 600.00 m，φ339.7 mm套管×2 599.00 m，封隔新近-古近系地層；三開，φ311.1 mm鉆頭×5 625.00 m，φ244.5 mm套管×5 623.00 m，封隔鹽膏層以上地層；四開，φ215.9 mm鉆頭×5 685.00 m，φ206.4 mm套管×(5 573.00 ～5 682.00) m，采用厚壁高抗擠套管封隔鹽膏層；五開，φ165.1 mm鉆頭×6 305.00 m，φ142.9 mm套管×6 303.00 m；六開，φ114.3 mm鉆頭×6 472.09 m，裸眼完井。與“長裸眼穿過鹽層”井身結(jié)構(gòu)相比，“專封鹽膏層”井身結(jié)構(gòu)有3個優(yōu)點：第一，縮短了φ444.5 mm井眼的長度，有利于提高機械鉆速，減少了大尺寸套管用量；第二，若鉆穿火成巖地層過程中不發(fā)生漏失，可省去承壓堵漏工序直接鉆至鹽膏層頂部，若出現(xiàn)漏失，其承壓最大只需滿足低密度固井要求，降低了承壓堵漏的難度；第三，分別封固火成巖地層與鹽膏層，避免了鉆進火成巖地層時的漏失、坍塌，有利于安全鉆穿鹽膏層。

3.3 套管層序優(yōu)選

與“長裸眼穿過鹽層”井身結(jié)構(gòu)相比，“專封鹽膏層”井身結(jié)構(gòu)一開、二開及三開的鹽膏層之上套管規(guī)格不變，僅下深有改變；不同點是鹽膏層與鹽膏層以下井段套管程序有所變化，具體變化見表2。

表2 2種井身結(jié)構(gòu)的套管參數(shù)對比Table 2 Comparison of the casing parameters

對比“專封鹽膏層”井身結(jié)構(gòu)中的φ206.4 mm和φ142.9 mm套管與“長裸眼穿過鹽層”井身結(jié)構(gòu)中的φ265.1 mm和φ177.8 mm套管，僅φ206.4 mm套管相對于φ265.1 mm套管抗外擠強度低2.1 MPa。同時，φ206.4和φ142.9 mm套管的抗拉強度均降低較多，但是由于封固井段較短(托甫臺區(qū)塊鹽膏層井段使用套管最長80.00 m、鹽膏層底部到目的層頂部距離800.00 m)，按BEB套管強度校核法[8]計算，抗拉系數(shù)分別達88.6和6.3，表明“專封鹽膏層”井身結(jié)構(gòu)的套管強度滿足要求。

3.4 配套鉆井工藝

“專封鹽膏層”井身結(jié)構(gòu)的六開井眼尺寸為φ114.3 mm，存在超深小井眼循環(huán)壓耗大、環(huán)空返速低的問題，為此采用本體外徑為88.9 mm、接箍外徑為108.0 mm的非標準鉆桿，該鉆桿與API標準φ73.0 mm鉆桿相比，每1 000.00 m可降低壓耗1.65 MPa，有利于充分利用水力能量。同時，為解決深井扭矩傳遞困難，采用 “PDC鉆頭+螺桿鉆具”復合鉆井技術(shù)，減小鉆具承受的扭矩，防止鉆具疲勞損壞?！癙DC鉆頭+螺桿鉆具”組合為：φ114.3 mm鉆頭+φ95.0 mm螺桿+單流閥+φ88.9 mm鉆鋌×7根+旁通閥+φ88.9 mm鉆鋌×9根+φ88.9 mm非標準鉆桿+φ127.0 mm鉆桿+φ139.7 mm鉆桿。

4 實鉆效果

TP155X井是托甫臺區(qū)塊第一口采用“專封鹽膏層”井身結(jié)構(gòu)的深井，封隔二疊系后，采用密度1.70～1.73 kg/L的鉆井液鉆穿鹽膏層，沒有出現(xiàn)井漏與鹽膏層蠕變導致的井下故障。

該井三開、四開、五開和六開井段的平均井徑擴大率分別為5.80%、66.00%(鹽膏層)、4.96%和3.80%，井身質(zhì)量優(yōu)秀；聲幅測井顯示，四開、五開固井質(zhì)量均為優(yōu)秀，達到了封隔鹽膏層與水層的目的；六開采用“PDC鉆頭+螺桿鉆具”復合鉆井技術(shù)，保證了鉆井安全，實現(xiàn)了一趟鉆鉆至設計井深。

TP155X井鉆井周期較設計周期縮短13.2 d，創(chuàng)造了托甫臺鹽區(qū)井下故障率最低、鉆井速度最快的紀錄。

5 結(jié)論與建議

1) 為解決火成巖地層承壓能力不能滿足長裸眼鉆穿鹽膏層的問題，根據(jù)地層壓力分布和火成巖地層的裂縫分布特征，設計了“專封鹽膏層”井身結(jié)構(gòu)。

2) “專封鹽膏層”井身結(jié)構(gòu)雖然解決了鉆穿鹽膏層易發(fā)生井下故障的問題，但是六開井眼尺寸較小，需要進一步優(yōu)選套管，在滿足強度要求的條件下，盡量增大井眼尺寸。

3) 建議研究適用于該地區(qū)的堵漏技術(shù)，將火成巖地層的承壓能力提高到能滿足長裸眼鉆穿鹽膏層的需要，以簡化井身結(jié)構(gòu)。

參考文獻
References

[1] 王京紅，鄒才能，靳久強，等.火成巖儲集層裂縫特征及成縫控制因素[J].石油勘探與開發(fā)，2011，38(6)：708-715.

Wang Jinghong，Zou Caineng，Jin Jiuqiang,et al.Characteristics and controlling factors of fractures in igneous rock reservoirs[J].Petroleum Exploration and Development，2011，38(6):708-715.

[2] 陳亮，王立峰，蔡利山，等.塔河油田鹽上承壓堵漏工藝技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù)，2006，34(4)：60-64.

Chen Liang,Wang Lifeng，Cai Lishan，et al.High pressure circulation lost teehniques for salt beds in the Tahe Oilfield[J].Petroleum Drilling Techniques，2006，34(4):60-64.

[3] 劉四海，崔慶東，李衛(wèi)國.川東北地區(qū)井漏特點及承壓堵漏技術(shù)難點與對策[J].石油鉆探技術(shù)，2008，36(3)：20-23.

Liu Sihai，Cui Qingdong，Li Weiguo.Circulation loss characteristics and challenges and measures to plug under pressure in Northeast Sichuan Area[J].Petroleum Drilling Techniques，2008，36(3):20-23.

[4] 郭春華，馬玉芬.塔河油田鹽下區(qū)塊鹽膏層鉆井液技術(shù)[J].鉆井液與完井液，2004，21(6)：19-22.

Guo Chunhua，Ma Yufen.Drilling fluid technology for salt-gypsum formation of Yanxia Block in Tahe Oilfield[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2004，21(6):19-22.

[5] 楊玉坤.川東北地區(qū)深井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計[J].石油鉆探技術(shù)，2008，36(3)：33-36.

Yang Yukun.Deep well casing structure optimization in Northeast Sichuan Area[J].Petroleum Drilling Techniques,2008，36(3):33-36.

[6] 金衍.井壁穩(wěn)定力學研究[D].北京：石油大學(北京)石油天然氣工程學院，1998.

Jin Yan.Research on mechanics of borehole stability[D].Beijing:University of Petroleum(Beijing),Faculty of Petroleum Engineering,1998.

[7] 劉之的，戴詩華，王洪亮，等.火成巖裂縫有效性測井評價[J].西南石油大學學報，2008，30(2)：66-68.

Liu Zhide,Dai Shihua,Wang Hongliang,et al.Evaluation of the fracture effectiveness of igneous rock by using logging data[J].Journal of Southwest Petroleum University,2008,30(2):66-68.

[8] 孫寧.鉆井手冊：上[M].北京：石油工業(yè)出版社，2013：456-462.

Sun Ning.Drilling handbook:part A[M].Beijing:Petroleum Industry Press，2013:456-462.