東海西湖區(qū)塊高溫高壓深探井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

張海山， 楊 進， 宮吉澤， 葛俊瑞

(1.中海石油(中國)有限公司上海分公司，上海 200030；2.中國石油大學(北京)石油工程學院，北京 102249)

東海盆地位于中國東部海域，屬大陸邊緣斷陷-坳陷盆地，是重要的油氣勘探領(lǐng)域[1-2]。東海盆地西湖區(qū)塊地層復雜，存在多目的層和多套壓力系統(tǒng)，砂泥巖交互，煤層和水層多，井壁極易失穩(wěn)。上部存在易漏層，鉆進中下部地層過程中起下鉆遇阻、劃眼困難、卡鉆、井漏等井下故障和問題頻繁發(fā)生。深部地層研磨性強，可鉆性差，機械鉆速低，且存在異常高溫高壓地層，測得地層最高壓力當量密度1.658 kg/L，最高溫度176 ℃。以上因素造成東海西湖區(qū)塊深探井鉆井難度大、風險高、周期長。

要實現(xiàn)安全、高效、優(yōu)質(zhì)鉆井，滿足不同構(gòu)造、不同層位、不同目的層勘探開發(fā)的需要，首先要設計合理的井身結(jié)構(gòu)[3-5]。井身結(jié)構(gòu)不僅關(guān)系到鉆井施工的安全順利，還影響鉆井作業(yè)的經(jīng)濟效益。合理的井身結(jié)構(gòu)能夠有效避免井下故障的發(fā)生，降低鉆井成本，達到預期的鉆探目的。因此，根據(jù)東海西湖區(qū)塊預測的地層壓力，綜合鉆井技術(shù)、鉆井設備及施工能力，優(yōu)化了套管層次和各層套管的下深[6-12]，形成了適用于東海西湖區(qū)塊深部高溫高壓地層的深探井井身結(jié)構(gòu)。

1 鉆井技術(shù)難點

東海西湖區(qū)塊地質(zhì)條件復雜多變，勘探程度低，存在很多不確定因素，鉆井過程中存在以下技術(shù)難點：

1) 上部地層存在嚴重漏失層，使用海水鉆進也發(fā)生漏失，鉆井過程中通常采用快速鉆穿地層的方式鉆進上部地層。

2) 中下部地層巖性多變，造成φ311.1 mm井段易出現(xiàn)井徑擴大、井壁坍塌和卡鉆等井下故障，φ215.9 mm井段易出現(xiàn)卡測井儀器、卡鉆、井漏和固井質(zhì)量欠佳等復雜情況，嚴重影響了鉆井效率和工程質(zhì)量。

3) 深部地層硬度大，強度高，可鉆性差，鉆井速度低。巖石的非均質(zhì)性造成鉆進過程中經(jīng)常出現(xiàn)鉆頭卡滑現(xiàn)象，崩齒、斷齒及蹩跳鉆嚴重，鉆頭使用壽命短。

4) 由于該區(qū)塊地質(zhì)資料少、目的層深度大、地層壓力預測精度低，難以提供準確的全井地層三壓力剖面、地層層序和復雜地層井段的深度和厚度，鉆井過程中存在許多潛在風險。

5) 中上部井段為常壓地層，深部井段存在異常高壓地層，裸眼段中出現(xiàn)不同壓力體系，容易引起井漏、井噴等井下故障。由于地層的不可預見性，導致套管層次設計困難、鉆井液密度確定不準確等問題。

2 原有井身結(jié)構(gòu)存在的問題

東海西湖區(qū)塊原有井身結(jié)構(gòu)有常規(guī)井身結(jié)構(gòu)和簡化井身結(jié)構(gòu)2種[13]。

2.1 常規(guī)井身結(jié)構(gòu)

東海西湖區(qū)塊的常規(guī)井身結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 東海西湖區(qū)塊常規(guī)井身結(jié)構(gòu)Fig.1 Original casing program in Block Xihu of East China Sea

該井身結(jié)構(gòu)在前期深探井實踐中存在以下問題：

1)φ339.7 mm技術(shù)套管下深淺，給下部φ311.1 mm井段的加深和φ244.5 mm技術(shù)套管的下深帶來很大困難，無法滿足深探井的需求。

2)φ215.9 mm井段一旦遇到異常高壓層，常壓層和高壓層將出現(xiàn)在同一裸眼井段，若使用高密度鉆井液鉆進，影響常壓儲層的保護，且深部高溫會使鉆井液的性能變差，易發(fā)生井下故障，增大了鉆井風險。

3) 由于套管層次限制，如果下部出現(xiàn)復雜地層，不得不增加一層技術(shù)套管，深部地層只能采用小井眼鉆進，難以獲取完整準確的地層測試資料及地質(zhì)資料。

2.2 簡化井身結(jié)構(gòu)

東海西湖區(qū)塊簡化井身結(jié)構(gòu)如圖2所示。該簡化井身結(jié)構(gòu)省去了φ508.0 mm表層套管，節(jié)約了套管，縮短了作業(yè)時間，在東海西湖區(qū)塊探井中得到了廣泛應用，總體情況良好，但隨著探井井深的不斷增加，該井身結(jié)構(gòu)在現(xiàn)場應用中也暴露出以下問題：

1)φ444.5 mm井眼僅鉆至井深1 500.00 m左右，給下部井段的鉆進帶來很大困難。因此，為了滿足深探井的要求，需要加深φ311.1 mm井段，以保證φ215.9 mm井眼能夠安全鉆至目的井深。

圖2 東海西湖區(qū)塊簡化井身結(jié)構(gòu)Fig.2 Original simplified casing program in Block Xihu of East China Sea

2) 鉆井過程中φ311.1 mm裸眼段和φ215.9 mm裸眼段較長，鉆井液浸泡時間長，鉆井和測井過程中易發(fā)生卡鉆、卡測井儀器、憋泵、蹩鉆等井下故障。

3)φ311.1 mm井眼一般鉆至井深3 600.00 m，給φ215.9 mm井眼的鉆進帶來很大挑戰(zhàn)，深部裸眼段較長，高溫高壓的地質(zhì)環(huán)境使鉆井液性能變差，造成井下故障頻繁發(fā)生。

4)φ215.9 mm井段較長，導致φ177.8 mm尾管固井質(zhì)量不穩(wěn)定，無法為后期射孔壓裂測試提供良好的環(huán)境，儲層資料獲取困難。

以上分析表明，東海西湖區(qū)塊原有的常規(guī)井身結(jié)構(gòu)和簡化井身結(jié)構(gòu)，滿足不了高溫高壓深探井的鉆井需要。

3 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化及應用效果

傳統(tǒng)井身結(jié)構(gòu)設計方法通常采用自下而上的方法，由目的層深度確定完井套管的下入深度，根據(jù)地層特性設計上部套管合理的下入深度，以獲取最大的經(jīng)濟效益[14]。由于東海西湖區(qū)塊存在地震資料可靠性差、地層壓力預測精度低、深部地層不確定性大等問題，自下而上的設計方法無法滿足深探井的鉆井需求。

依據(jù)海洋鉆井常用的井身結(jié)構(gòu)，結(jié)合西湖區(qū)塊地層的巖性和地層壓力預測結(jié)果，采用自上而下的方法，在滿足壓力平衡的條件下，確定表層套管下深，從表層套管鞋處開始向下逐層設計套管的下入深度，盡量使每層套管的下入深度最深，保證最后一層套管尺寸滿足地層評價的要求，以有利于實現(xiàn)地質(zhì)勘探目標[15-16]。

3.1 套管層次優(yōu)化

為了保證深探井順利鉆至目的層，有效獲取地質(zhì)資料，結(jié)合常規(guī)套管層次，考慮目的層段套管尺寸滿足地層測試的要求，設計合理的井身結(jié)構(gòu)。由于深部存在高溫高壓等復雜地層，預留一層套管層次，避免深部井段出現(xiàn)小尺寸井眼完井，保證取全、取準地質(zhì)資料。東海西湖區(qū)塊優(yōu)化后的高溫高壓深探井套管層次為：φ762.0 mm隔水管+φ508.0 mm表層套管+φ339.7 mm技術(shù)套管+φ298.4 mm技術(shù)套管(備用套管層次)+φ244.5 mm技術(shù)套管+φ177.8 mm尾管。

3.2 表層套管下深優(yōu)化

東海西湖區(qū)塊探井鉆井實踐證明，上部500.00～700.00 m井段存在易漏易垮塌地層，利用5～6根隔水管封固軟泥層后，考慮到下部井段的加深可能帶來不確定的復雜情況，為了應對下部井段鉆遇不可預見的異常壓力地層，提供充足的井控能力，φ508.0 mm表層套管下至東海群組地層下600.00 m左右，封固不穩(wěn)定地層并建立井口，保證中深部井段安全鉆進。

3.3 技術(shù)套管下深優(yōu)化

根據(jù)東海西湖區(qū)塊井壁穩(wěn)定性分析和地層壓力預測結(jié)果，認為三潭組、柳浪組、玉泉組和龍井組地層屬于常壓地層，適合長裸眼段鉆進，考慮到已鉆井井下故障與井身結(jié)構(gòu)的關(guān)系，采用“PDC鉆頭+螺桿鉆具”復合鉆井技術(shù)，兼顧φ311.1 mm裸眼段長度和φ244.5 mm套管的下深，將φ339.7 mm技術(shù)套管下深由1 800.00 m左右增至2 400.00 m左右，封住三潭組不整合面和煤層等不穩(wěn)定地層，鉆穿柳浪組和玉泉組地層。將φ244.5 mm套管下至花港組高壓層頂部，下深由原來的3 600.00 m左右增至4 000.00 m左右，封固壓力過渡帶，保證打開儲層時具有良好的承壓能力，同時為φ215.9 mm井段的鉆井作業(yè)和固井作業(yè)創(chuàng)造有利條件。與原有井身結(jié)構(gòu)相比，φ244.5 mm套管下深增加，相應縮短了φ215.9 mm井段的長度，降低了深部高溫高壓地層的固井難度，為后續(xù)儲層測試提供了良好的井筒環(huán)境，有利于達到取全、取準地層資料的目的。

為了預防復雜地層帶來的不確定因素，優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)增加一層備用套管，在2 400.00～4 000.00 m井段鉆進過程中頻繁發(fā)生井下故障或鉆遇易垮塌地層時，可擴眼鉆φ355.6 mm井段并下入φ298.4 mm技術(shù)套管，φ355.6 mm井眼一般約鉆至井深3 600.00 m，以避免深部出現(xiàn)小井眼井段和儲層測試困難的現(xiàn)象。同時考慮在井身結(jié)構(gòu)限定的范圍內(nèi)，不改變套管層數(shù)、上部套管尺寸、套管下深，可利用膨脹管技術(shù)作為井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化的補充，封隔高壓層或其他復雜井段，然后使用原尺寸鉆頭鉆進，鉆過該井段后，用下層套管將其封固。綜上所述，優(yōu)化后的高溫高壓深探井井身結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 高溫高壓深探井井身結(jié)構(gòu)Fig.3 Optimized casing program for HPHT deep exploratory wells

東海西湖區(qū)塊的直井 N2-1-1 井和 T2-1-2 井采用了優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)，與采用原有井身結(jié)構(gòu)的直井相比，處理井下故障的時間明顯縮短，平均單井處理井下故障時間縮短69.31 h(見表1)，單井鉆井成本降低約580萬元。

表1井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的鉆井時效對比

Table1Comparisonofdrillingefficiencybeforeandaftercasingprogramoptimization

年份井號井型完鉆井深/m處理井下故障時間/h平均單井處理故障時間/h20112012N4-3-1直井4 950.00115.25N4-2-1直井4 800.00137.00H2-2S-1直井4 607.0088.25N1-1-2直井4 860.00109.25112.442013N2-1-1直井4 800.0064.75T2-1-2直井4 751.0021.5043.13

這說明采用優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)不僅有效提高了鉆井作業(yè)效率，優(yōu)質(zhì)高效地完成鉆探目標，而且取得了良好的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)論與建議

1) 設計高溫高壓深探井的井身結(jié)構(gòu)時，必須充分考慮鉆遇地層的地質(zhì)特征、出現(xiàn)井下故障的可能性，以成功鉆探為目的，合理優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，滿足復雜多變的地質(zhì)要求。

2) 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化后不但可以降低深探井的鉆井成本，而且還能減少井下故障，縮短鉆井周期，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效的鉆井作業(yè)。

3) 深探井井身結(jié)構(gòu)中適當增加上部套管的下深，封隔復雜地層，有利于降低下部井段的鉆進作業(yè)難度，提高鉆井效率。

4) 建議進一步加強東海西湖區(qū)塊地質(zhì)構(gòu)造和地層壓力預測研究，建立地層壓力剖面，為合理的井身結(jié)構(gòu)設計提供較為可靠的依據(jù)。

5) 建議加強膨脹管技術(shù)、隨鉆擴眼技術(shù)的研究與應用，進一步提高復雜深探井井身結(jié)構(gòu)的適應性。

參考文獻
References

[1] 李敏，陳永進，姜文斌.西湖凹陷平湖組巖性油氣藏形成條件[J].油氣地質(zhì)與采收率，2012，19(2)：23-25.

Li Min,Chen Yongjin,Jiang Wenbin.Hydrocarbon accumulation conditions for lithologic reservoirs in Pinghu formation,Xihu depression[J].Petroleum Geology and Recovery Efficency,2012,19(2):23-25.

[2] 張娟.西湖凹陷平湖油氣田斷層評價[J].油氣地質(zhì)與采收率，2012，19(4):18-20.

Zhang Juan.Study on fault-sealing in Pinghu oil and gas field,Xihu depression[J].Petroleum Geology and Recovery Efficency,2012,19(4):18-20.

[3] 唐志軍.井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法[J].西部探礦工程，2005,17(6)：78-80.

Tang Zhijun.Preliminary study on optimization of casing program[J].West-China Exploration Engineering,2005,17(6):78-80.

[4] 吳建忠.川東北深井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化探討[J].石油地質(zhì)與工程，2009,23(2)：88-90,93.

Wu Jianzhong.Discussion about optimization of deep well bore frame in NortheastSichuan[J].Petroleum Geology and Engineering,2009,23(2):88-90,93.

[5] 唐志軍.川東北河壩區(qū)塊井身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與實踐[J].石油鉆探技術(shù)，2011,39(1)：73-77.

Tang Zhijun.Casing optimization and practice at Heba Block of Northeastern Sichuan Basin[J].Petroleum Drilling Techniques,2011,39(1):73-77.

[6] 衛(wèi)懷忠.西部地區(qū)深井井身結(jié)構(gòu)設計技術(shù)探討[J].石油鉆探技術(shù)，2006,34(2)：29-31.

Wei Huaizhong.Discussions on casing program design technology in Western China[J].Petroleum Drilling Techniques,2006,34(2):29-31.

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

Guan Zhichuan,Li Chunshan,Zhou Guangchen,et al.A method for designing casing program in deep and superdeep wells[J].Journal of the University of Petroleum,China:Edition of Natural Science,2001,25(6):42-44.

[8] 步宏光，唐世忠，饒富培，等.大港油田井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究與應用[J].石油鉆采工藝，2011，33(4)：105-108.

Bu Hongguang,Tang Shizhong,Rao Fupei,et al.Research and application of Dagang Oilfield casing program optimization[J].Oil Drilling & Production Technology,2011,33(4):105-108.

[9] 劉小剛，崔治軍，陶林，等.渤海油田科學探索井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計[J].斷塊油氣田，2011,18(5)：663-665.

Liu Xiaogang,Cui Zhijun,Tao Lin,et al.Optimization design of wellbore structure for scientific exploration well in Bohai Oiifield[J].Fault-Block Oil & Gas Field,2011,18(5):663-665.

[10] 劉彪,白彬珍，潘麗娟，等.托甫臺區(qū)塊含鹽膏層深井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計[J].石油鉆探技術(shù)，2014，42(4)：48-52.

Liu Biao,Bai Binzhen,Pan Lijuan,et al.Casing program of deep well with evaporite bed in Tuofutai Block[J].Petroleum Drilling Techniques,2014,42(4):48-52.

[11] 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.

[12] 唐志軍，邵長明.鉆井工程設計優(yōu)化與應用[J].石油地質(zhì)與工程，2007,21(3)：75-78.

Tang Zhijun,Shao Changming.Drilling engineering design optimization andapplication[J].Petroleum Geology and Engineering,2007,21(3):75-78.

[13] 關(guān)德，羅勇，張海山.西湖凹陷低孔低滲深探井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究與應用[J].中國海上油氣，2013,25(2)：61-63.

Guan De,Luo Yong,Zhang Haishan.The optimal research and application of casing program in low porosity and low permeability deep exploratory wells in Xihu Sag,East China Sea[J].China Offshore Oil and Gas,2013,25(2):61-63.

[14] 葛鵬飛，馬慶濤，張棟.元壩地區(qū)超深井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化及應用[J].石油鉆探技術(shù)，2013,41(4)：83-86.

Ge Pengfei,Ma Qingtao,Zhang Dong.Optimization and application of ultra-deep well casing program in Yuanba Area[J].Petroleum Drilling Techniques,2013,41(4):83-86.

[15] 劉繪新，張鵬，熊友明.合理井身結(jié)構(gòu)設計的新方法研究[J].西南石油學院學報，2004,26(1)：19-22.

Liu Huixin,Zhang Peng,Xiong Youming.A new method of well structure design by salt rock creep pressure profile[J].Journal of Southwest Petroleum Institute,2004,26(1):19-22.

[16] 管志川，柯珂，蘇堪華.深水鉆井井身結(jié)構(gòu)設計方法[J].石油鉆探技術(shù)，2011，39(2)：16-21.

Guan Zhichuan,Ke Ke,Su Kanhua.Casing design and optimization for deepwater drilling[J].Petroleum Drilling Techniques,2011,39(2):16-21.