庫車凹陷地區(qū)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

樂　明王　俊王　劍許恒岳王殿榕（.長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北　武漢　00；.中國石油遼河油田分公司興隆臺采油廠采油作業(yè)五區(qū)，遼寧　盤錦　00；.中國石油西部鉆探定向井技術(shù)服務(wù)公司，新疆　烏魯木齊　8006；.中國石油遼河石油勘探局遼河工程技術(shù)處，遼寧　盤錦　00）

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庫車凹陷地區(qū)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

樂明1王俊2王劍3許恒岳4王殿榕4
（1.長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢434100；2.中國石油遼河油田分公司興隆臺采油廠采油作業(yè)五區(qū)，遼寧盤錦124010；3.中國石油西部鉆探定向井技術(shù)服務(wù)公司，新疆烏魯木齊830026；4.中國石油遼河石油勘探局遼河工程技術(shù)處，遼寧盤錦124010）

摘要庫車凹陷位于塔里木盆地北部南天山山前地區(qū)，具有十分優(yōu)越的油氣地質(zhì)條件。然而呈現(xiàn)出儲層埋藏深、地層壓力系統(tǒng)復(fù)雜（高壓鹽水層、鹽膏層、高壓氣層）、井深地溫高和鹽膏層影響井身結(jié)構(gòu)質(zhì)量和后期固井質(zhì)量等問題。在預(yù)測地層孔隙壓力、坍塌壓力、破裂壓力的三壓力剖面基礎(chǔ)上，考慮鹽膏層蠕變問題，通過分析庫車山前地區(qū)地質(zhì)情況、已鉆井的井身結(jié)構(gòu)和復(fù)雜事故等確定了井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞井身結(jié)構(gòu)地層壓力鹽膏層鉆井液密度必封點(diǎn)

修訂回稿日期：2016-03-01

0　引言

井身結(jié)構(gòu)主要包括套管層次和每層套管的下入深度，以及套管和井眼尺寸的配合。井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅關(guān)系到安全鉆井，而且對鉆井效益的提高有著特別重要的意義，在地層壓力系統(tǒng)復(fù)雜情況下尤其重要。庫車地區(qū)吉迪克組存在巨厚鹽膏層，由于鉆井液密度不合理，容易發(fā)生蠕變縮徑，使下套管受阻或者擠毀套管，影響了井身結(jié)構(gòu)質(zhì)量，從而導(dǎo)致固井作業(yè)困難；此外，第四系庫車組結(jié)構(gòu)松散，礫石成份大，易發(fā)生滲透性漏失，第三系附近存在高壓鹽水層和高壓氣層，易發(fā)生溢流。因此，為了提高庫車山前構(gòu)造地區(qū)的發(fā)展，庫車地區(qū)井身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化亟需完成。

1　鉆遇地層復(fù)雜情況及鉆井難點(diǎn)

大古1井是一口位于庫車凹陷大澇壩2號構(gòu)造的預(yù)探井，該井主要是為了探索大澇壩2號構(gòu)造的儲層發(fā)育特征、儲層的成因機(jī)制及含油氣性。鉆遇吉迪克組4 810 m、4 964 m、5 019.61 m時分別發(fā)生測井遇阻，溢流；在通過巴什基奇克組時，在5 445.39 m、5 689.93 m發(fā)生了高壓差條件下的吸附卡鉆，在5 600～5 650 m發(fā)生了較大量的漏失（11～13 m3）。大古2井是一口位于塔河油田二八臺一號構(gòu)造的一口勘探井，大古2井在吉迪克組4 800 m、5 200 m、5 930 m、6 475.28 m多處遇阻，嚴(yán)重的是在舒善河組6 431 m處發(fā)現(xiàn)油氣上竄速度高達(dá)808.53 m3/h。庫車1井也有類似情況，庫車山前地區(qū)上部第四系處發(fā)生漏失，多處發(fā)生壓差卡鉆、溢流、遇阻和地層水、氣侵入。

通過對庫車山前地區(qū)大古1井、大古2井，庫車1井的實(shí)鉆情況和復(fù)雜事故分析，發(fā)現(xiàn)庫車山前地區(qū)上部第四系地層礫石與粘土膠結(jié)差，地層易塌易漏；庫車組、康村組以及吉迪克組上部地層膠結(jié)疏松，泥巖地層軟，遇水軟化、膨脹而造成縮徑阻卡；吉迪克組中下部地層含膏、膏質(zhì)泥巖，易發(fā)生膏浸污染鉆井液，易縮徑，輕微導(dǎo)致環(huán)形空間變小，影響固井質(zhì)量，嚴(yán)重則導(dǎo)致套管擠毀，甚至井的報廢，因此鹽膏層段控制縮徑量尤其重要。吉迪克下部發(fā)育有多套高壓鹽水層，鄰井就因?yàn)楦邏蝴}水層沒有完全封固造成多次井下復(fù)雜情況。

2　井身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)是地層孔隙壓力和地層破裂壓力。通過對庫車山前構(gòu)造帶資料統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)新近系吉迪克組地層膏質(zhì)泥巖發(fā)育，泥膏巖易發(fā)生塑性蠕變，造成井眼縮徑，從而導(dǎo)致遇阻、卡鉆、擠毀套管等復(fù)雜情況的發(fā)生。因此，鹽膏層的蠕變壓力也是設(shè)計(jì)該地區(qū)合理的井身結(jié)構(gòu)的必要條件。

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理與否，其中一個重要的決定因素是設(shè)計(jì)中所用到的抽吸壓力系數(shù)、激動壓力系數(shù)、破裂壓力安全系數(shù)、井涌允量和壓差卡鉆允值這些基礎(chǔ)系數(shù)是否合理。抽吸和激動壓力允值應(yīng)從該地區(qū)大量的抽吸和激動壓力數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)而來，即由該地區(qū)所有井每趟起下鉆所產(chǎn)生的抽吸和激動壓力，折合成壓力梯度，然后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析來確定抽吸和激動壓力允值的取值范圍。由于不同鉆具組合與井眼結(jié)構(gòu)對抽吸激動壓力的影響不同，為了準(zhǔn)確地描述各段的抽吸激動壓力允值，針對庫車區(qū)塊鉆井使用的鉆具組合、套管與井眼數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)［1］（表1）。

根據(jù)庫車區(qū)塊已鉆井起下鉆記錄、井涌、卡鉆等井史資料，確定了庫車區(qū)塊井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)△pn為11 MPa、△pab為18 MPa、鉆井液密度允差Sf為0.02～0.03 g/cm3和井涌允值Sk為0.06～0.07 g/cm3。

表1　庫車區(qū)塊井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抽吸壓力允許值Sb、激動壓力允許值Sg取值范圍表

3　鹽膏層層段蠕變研究

鹽膏層作為油氣儲層的良好蓋層，在庫車山前構(gòu)造帶鹽膏層普遍發(fā)育，尤其是在吉迪克組、蘇維依組等。由于鹽巖蠕變外擠壓力是隨時間逐漸增加而且鹽巖蠕變外擠壓力很大，容易擠毀套管。因此，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要考慮的是裸眼井段鹽膏層蠕變引起的縮徑問題。然而在眾多的影響因素中，只有鉆井液密度可以調(diào)節(jié)［2］。

3.1蠕變參數(shù)的確定

3.1.1彈性參數(shù)E、μ的確定

利用地震層速度資料，結(jié)合該井上部層段的測井資料，提取地震特征參數(shù)進(jìn)行特征壓縮，建立起層速度與聲波時差之間的關(guān)系模型，然后利用該模型對鹽巖層的聲波時差進(jìn)行預(yù)測，并結(jié)合地層密度求得鹽巖地層的彈性參數(shù)為：E=6.994 2×104MPa；μ=0.32。

3.1.2蠕變參數(shù)A、n的確定

庫車山前構(gòu)造帶含膏巖地層蠕變模型可采用FLAC3D中WIPP蠕變模型模擬計(jì)算（ε=Aσ- n，其中A=e--R）。由于沒有取到新近系吉迪克組膏泥巖地層的巖心，膏泥巖層蠕變參數(shù)可以通過測量已鉆井的蠕動速率，并結(jié)合地應(yīng)力及使用的鉆井液密度，運(yùn)用軟件回歸得到蠕變參數(shù)，該地區(qū)蠕變參數(shù)為A= 2.63e-4，n=3.5。

3.2膏泥巖層鉆井液密度的確定

確定安全鉆穿鹽巖層的合理鉆井液密度與膏泥巖層所處于的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，本研究對該地區(qū)新近系吉迪克組膏泥巖層特性及地應(yīng)力分布情況進(jìn)行了分析，并利用FLAC3D軟件對該地區(qū)新近系吉迪克組膏泥巖層進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2、表3，并根據(jù)該表繪制出不同埋深下鹽巖井眼縮徑率圖譜（圖1、圖2）。

表2　不同埋深、不同鉆井液密度下膏泥巖層井眼10 d蠕變量表mm

表3　不同埋深、不同鉆井液密度下膏泥巖層井眼30 d蠕變量表mm

圖1　不同埋深下膏泥巖層10 d井眼蠕變量圖譜圖2　不同埋深下膏泥巖層30 d井眼蠕變量圖譜

為了在鉆井過程中防止鹽膏巖蠕變縮徑造成卡鉆事故或影響固井質(zhì)量，必須通過嚴(yán)格控制鉆井液密度來控制新近系吉迪克組泥膏層的縮徑率，以保證鉆進(jìn)安全順利進(jìn)行，另外，為保證機(jī)械鉆速，鉆井液密度不能太大。庫車2井第三次開鉆井段4 910～5 637 m，采用311.15 mm鉆頭鉆進(jìn)和下入265.1 mm中間套管，環(huán)形空間間隙23.025 mm，進(jìn)入新近系吉迪克組時鉆井液密度由1.8 g/cm3上提到2.1 g/cm3，30 d后的蠕變量為18.38 mm，小于環(huán)形空間間隙，不會發(fā)生縮徑擠毀套管的事故，且順利鉆穿新近系吉迪克組地層。

4　套管層次、套管下深和必封點(diǎn)的確定

設(shè)計(jì)的基本原理是根據(jù)裸眼井段的力學(xué)平衡關(guān)系［3］

防壓差卡鉆的力學(xué)關(guān)系式：

關(guān)井時防漏的力學(xué)關(guān)系式：

式中，ρmax為裸眼段最大鉆井液密度，g/cm3；ρpmax，ρpmin為鉆遇的地層最大和最小時地層孔隙壓力當(dāng)量密度，g/cm3；ρfmin為鉆遇的最小地層破裂壓力當(dāng)量密度，g/cm3；Hpmax，Hpmin為最大和最小地層孔隙壓力所對應(yīng)的深度，m。在確保鉆井與井下作業(yè)安全的前提下，結(jié)合地層穩(wěn)定性分析、充分考慮完井油管和油層套管尺寸，采取“由內(nèi)到外”和“由下而上”相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法合理確定各層套管和鉆頭尺寸［4-5］。合理的井身結(jié)構(gòu)是優(yōu)快鉆井技術(shù)的基礎(chǔ)和先決條件，為此，通過對庫1井礫石層的地層壓力、發(fā)育、機(jī)械鉆速及膠結(jié)特性分析，對庫2井的井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化研究，主要體現(xiàn)在：①庫2井第一次開鉆設(shè)計(jì)鉆穿第四系地層并進(jìn)入庫車組50 m結(jié)束第一次開鉆，減少了第一次開鉆大尺寸井眼的長度，從而提高了上部地層的機(jī)械鉆速、縮短了鉆井周期；②鹽膏層段套管采用265.1 mm×TP155V×22 mm×TP-FJ直連式無接箍厚壁高抗擠套管，降低鹽膏層套管被擠毀風(fēng)險；③第四次開鉆采用215.9 mm鉆頭鉆進(jìn)，下入177.8 mm套管，如果第四次開鉆遇異常高壓地層或鉆進(jìn)中出現(xiàn)復(fù)雜情況，在壓差超過允許最大壓差值25 MPa以上時，可采取擴(kuò)孔后下入206.4 mm套管，下開次采用165.1mm鉆頭鉆至完鉆井深后，下入142.68 mm或127 mm尾管，確保安全鉆達(dá)完鉆井深（表4）。

表4　庫2井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化表

5　現(xiàn)場應(yīng)用

庫車2井是位于庫車地區(qū)天山南區(qū)亞肯北1號構(gòu)造的一口重點(diǎn)風(fēng)險探井（直井），設(shè)計(jì)完鉆井深6 560 m，完鉆層位白堊系舒善河組23 m。該井存在大段礫石層、巨厚鹽膏層及目的層高壓氣層等，鉆井施工進(jìn)度緩慢。針對這種情況，將優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)方案應(yīng)用到庫車2井，庫車2井的鉆井周期比鉆井設(shè)計(jì)周期提前了22.27％；相比庫車1井的鉆井周期725.46 d，庫車2井鉆井周期縮短了291.75 d，鉆井周期縮短率為40.21％。庫車2井機(jī)械鉆速為1.30 m/h，同比庫車1井的0.68 m/h提高了91.18％。

6　結(jié)論

1）庫車山前地區(qū)所鉆的井基本上屬于深井超深井，加之地層壓力系統(tǒng)復(fù)雜，考慮到鹽膏層縮徑問題，預(yù)測結(jié)果會與實(shí)際情況有不小差異，因此，在井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)對地質(zhì)不確定性預(yù)留一定的變化空間，否則會發(fā)生復(fù)雜事故。

2）在深井超深井鉆井過程中，特別是井下存在大段鹽膏層時，鹽膏層段合理的鉆井液密度確定是最重要的環(huán)節(jié)之一。

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（編輯：李臻）

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：2095-1132（2016）02-0050-04

doi：10. 3969/j. issn. 2095-1132. 2016. 02. 013

作者簡介：樂明（1989-），碩士研究生，研究方向?yàn)閹r石力學(xué)與石油工程。E-mail：yomy403756284@vip.qq.com。