延長中生界頁巖氣水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究

武　騫，張文哲，遲立賓，梁小兵，孫　曉，萬　鑫

（陜西延長石油<集團(tuán)>有限責(zé)任公司研究院，陜西西安710065）

延長中生界頁巖氣水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究

武騫*，張文哲，遲立賓，梁小兵，孫曉，萬鑫

（陜西延長石油<集團(tuán)>有限責(zé)任公司研究院，陜西西安710065）

本研究基于對陜西延長石油集團(tuán)頁巖氣國家示范基地中生界頁巖儲層構(gòu)造特征和地質(zhì)特點(diǎn)的認(rèn)識，結(jié)合勘探開發(fā)具體任務(wù)，經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)和現(xiàn)場試驗(yàn)，探索形成了適合延長中生界長7頁巖氣開發(fā)的井身結(jié)構(gòu)。井身結(jié)構(gòu)由構(gòu)造特點(diǎn)、地質(zhì)情況和工程因素共同決定。頁巖氣水平井井身結(jié)構(gòu)的選擇，不僅影響著鉆井施工的順利進(jìn)行，也影響著完井工藝的選擇以及氣井最終的產(chǎn)氣量。本研究根據(jù)頁巖儲層地質(zhì)特點(diǎn)、氣藏埋深、體積壓裂要求以及生產(chǎn)管柱尺寸約束等條件，確定了“三開”的井身結(jié)構(gòu)，并通過自下而上與自上而下兩種計(jì)算方法，并結(jié)合具體的地質(zhì)必封點(diǎn)與工程必封點(diǎn)，確定了各層次套管的下深，并給出了適合延長中生界長7頁巖儲層的水平井井身結(jié)構(gòu)。

中生界頁巖氣；井身結(jié)構(gòu)；必封點(diǎn)；體積壓裂

1　延長頁巖氣區(qū)的構(gòu)造概況及地質(zhì)特點(diǎn)

國家頁巖氣示范基地位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡中南部，氣田區(qū)域背景為一東高西低的單斜構(gòu)造，區(qū)內(nèi)構(gòu)造圈閉和斷層不發(fā)育，局部發(fā)育小型鼻狀隆起［1］。根據(jù)鄰井地層揭露情況，該區(qū)地層自上而下依次為新生界第四系，中生界白堊系洛河組，侏羅系中統(tǒng)安定組、直羅組，下統(tǒng)延安組、富縣組，三疊系上統(tǒng)延長組，其中延長組長7儲層為中生界主力頁巖氣藏［2］。

2　水平井開發(fā)延長中生界頁巖氣的優(yōu)勢

根據(jù)延長中生界頁巖氣的構(gòu)造概況及地質(zhì)特點(diǎn)，采用水平井開發(fā)具有如下優(yōu)勢：

（1）鑒于陜北特殊的地理地貌，采用水平井開發(fā)能夠有效降低修路、推井場等前期費(fèi)用，從而有效降低投資，提高投入產(chǎn)出比；

（2）延長中生界頁巖氣屬于陸相頁巖氣儲層，單井產(chǎn)能低，勘探開發(fā)成本高，水平井能夠大幅度提高單井控制儲量和氣井產(chǎn)能，使更大面積的井筒與儲層裂縫接觸和溝通，從而獲得更大的儲層泄流面積、天然氣產(chǎn)量和投入產(chǎn)出比；

（3）延長中生界頁巖氣采取“水平井+分段壓裂”的方式進(jìn)行開發(fā)，水平段延伸方位垂直于地層最大主應(yīng)力方向，能保證裂縫沿著地層最大應(yīng)力方向進(jìn)行展布［3］；

（4）采用水平井開發(fā)頁巖氣，可以減少井場數(shù)量及地面建設(shè)的費(fèi)用，減輕對陜北脆弱的生態(tài)環(huán)境造成的壓力。

3　影響井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的因素分析

影響頁巖氣水平井井身優(yōu)化設(shè)計(jì)的因素包括：地質(zhì)因素、地層壓力系統(tǒng)和鉆井施工過程中的各種工程因素。

3.1地質(zhì)因素

頁巖儲層的埋藏條件和地質(zhì)特征是與鉆井施工相對應(yīng)的基本矛盾，是影響井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最基本的因素。延長頁巖氣水平井鉆井周期長，鉆井液對長裸眼井段浸泡時(shí)間長，上部井段坍塌、漏失和易出水的矛盾比較突出，下部煤層、泥頁巖、鹽巖引起的復(fù)雜情況也經(jīng)常暴露。選擇合適的井身結(jié)構(gòu)，在一定程度上能夠減少鉆井過程中的井下復(fù)雜情況，從而有利于優(yōu)質(zhì)、快速、高效地鉆井。

3.1.1上部地層

延長中生界頁巖氣上部地層包括第四系、洛河組、安定組、直羅組、延安組、富縣組、延長組等。對于井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來講，存在的主要風(fēng)險(xiǎn)因素包括：（1）第四系黃土層松軟，地層膠結(jié)性差，鉆進(jìn)中易發(fā)生裂縫性漏失從而導(dǎo)致地層垮塌、井架傾斜等各種鉆井事故；（2）根據(jù)現(xiàn)場巖屑錄井發(fā)現(xiàn)，直羅組、富縣組在鉆井過程中容易發(fā)生井壁坍塌，而且井壁在鉆井液中浸泡時(shí)間越長坍塌現(xiàn)象也越嚴(yán)重；（3）延安組含有多套煤層，鉆井過程中易垮塌形成大肚子；（4）延安組屬于邊底水油藏，底部含水較多，并且承壓能力低，鉆井和固井中易發(fā)生井漏，并且經(jīng)常影響固井質(zhì)量；（5）延長組上部也同屬于低破裂壓力帶，承壓能力低易發(fā)生井漏。

3.1.2目的層段

本研究以中生界三疊系上統(tǒng)延長組長7層為研究對象。長7層頁巖儲層主要地質(zhì)特點(diǎn)包括：（1）長7頁巖儲層微裂縫發(fā)育，地層承壓能力低，鉆井過程中易發(fā)生漏失并對氣藏造成傷害；（2）長7頁巖地層長水平段（1000m以上）鉆井中易發(fā)生井塌等問題，從而造成卡鉆、埋鉆具等工程事故；（3）長7頁巖層段容易吸水膨脹，從而導(dǎo)致井眼縮徑，產(chǎn)生卡鉆。

3.2地層壓力

在頁巖氣鉆井中，地層壓力是確定鉆井液密度窗口和設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)的依據(jù)，關(guān)系到能否安全、優(yōu)質(zhì)、快速的進(jìn)行鉆井作業(yè)。因此，準(zhǔn)確地確定地層壓力是合理設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)的前提。

按照我國SY/T6168-1995石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)頁巖氣區(qū)塊已完鉆井的壓力統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表1）：延長頁巖區(qū)大部分氣井屬于低壓氣井，只有少數(shù)幾口屬于常壓氣井，沒有高壓和異常高壓氣藏。因此，井身結(jié)構(gòu)重點(diǎn)要考慮的是鉆井液漏失而不是井涌和井噴。

3.3工程因素

鉆井施工過程中的各項(xiàng)工程參數(shù)包括：鉆機(jī)負(fù)荷、井身結(jié)構(gòu)、鉆具強(qiáng)度、鉆井液類型、鉆井液密度、鉆壓、摩阻、扭矩、抽吸壓力和激動壓力系數(shù)、地層破裂壓力安全系數(shù)、井涌系數(shù)、壓差卡鉆的臨界值等。由于上述各項(xiàng)系數(shù)隨著井深的變化而變化，因而在鉆井工程中，應(yīng)采用隨井深變化的數(shù)值。

4　井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求

對延長中生界長7頁巖氣的水平井井身結(jié)構(gòu)有以下要求：（1）有利于發(fā)現(xiàn)和保護(hù)氣藏，能有效防止溢流和井噴；（2）能有效的在長裸眼井段內(nèi)處理井塌、井漏、遇阻、遇卡等井下復(fù)雜情況，能為后期套管腐蝕修復(fù)留有余地；（3）選擇合適的井身剖面，通過計(jì)算使全井段的鉆柱力學(xué)參數(shù)最大程度優(yōu)化，摩阻和扭矩最小；（4）表層套管下深不少于300m，并進(jìn)入基巖至少50m，建立井口，安裝防噴器；（5）造斜點(diǎn)應(yīng)該選擇在可鉆性較好并且?guī)r性相對穩(wěn)定的延長組中下部，如果是水平井井組的方式進(jìn)行開發(fā)，那么各個(gè)井的造斜點(diǎn)要相互錯開，并做好防碰掃描工作；（6）靶前距、增斜率和井斜角的選擇既要滿足地質(zhì)要求也要應(yīng)滿足工程要求，水平段長度應(yīng)接近最優(yōu)段長；（7）充分考慮頁巖氣水平井增產(chǎn)方式、體積壓裂要求以及生產(chǎn)工藝對井眼尺寸和井身結(jié)構(gòu)的限制和約束。

表1　頁巖氣區(qū)塊已完鉆井的壓力統(tǒng)計(jì)

4.2地質(zhì)必封點(diǎn)與工程必封點(diǎn)的確定

要保證鉆井施工的順利，首先需要確定必封點(diǎn)的位置，然后進(jìn)行封隔。必封點(diǎn)包括地質(zhì)必封點(diǎn)和工程必封點(diǎn)，地質(zhì)必封點(diǎn)包括易坍塌的頁巖層、塑性泥巖層、鹽巖層、巖膏層、裂縫性溶洞、破裂帶地層等。因此，在進(jìn)行井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)具體地層情況，確定地質(zhì)必封點(diǎn)的位置，再結(jié)合傳統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法確定表層套管、技術(shù)套管、生產(chǎn)套管的尺寸和下深，從而確定具體的井身結(jié)構(gòu)。下面根據(jù)延長頁巖氣區(qū)的地質(zhì)狀況確定長7頁巖氣井的地質(zhì)必封點(diǎn)：

（1）第一必封點(diǎn)：延長頁巖氣區(qū)表層往往覆蓋著黃土，黃土層在鉆井施工過程中經(jīng)常發(fā)生跑漿現(xiàn)象，因此表層套管首先必須封固第四系黃土層；（2）第二必封點(diǎn)：洛河組容易發(fā)生漏失，洛河組漏失會導(dǎo)致陜北地下水源和飲用水的污染，因此表層套管其次必須封固洛河組；（3）第三必封點(diǎn)：延安組底部存在底水容易發(fā)生井漏，且長4+5的底部承壓能力低，易漏失，同時(shí)二開鉆進(jìn)與三開鉆進(jìn)也存在鉆井液轉(zhuǎn)換的問題，而三開鉆井液體系通常適合目的層鉆進(jìn)，因此技術(shù)套管應(yīng)封固長7目的層段以上的地層，并進(jìn)入頁巖層5～10m；（4）第四必封點(diǎn)：中生界長7頁巖氣水平井一般采用體積壓裂的方式進(jìn)行投產(chǎn)，生產(chǎn)套管必須下入人工井底，并進(jìn)行全井段固井。

下面，我們將應(yīng)用自下而上和自上而下的方法并結(jié)合已經(jīng)確定的各個(gè)必封點(diǎn)對套管下深進(jìn)行確定。

4.3套管下深的確定

根據(jù)壓裂工藝的選擇以及投產(chǎn)管柱尺寸的約束可以確定井眼尺寸和套管層次。傳統(tǒng)的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要有自下而上、自上而下2種方法來逐層確定每層套管的下入深度。

自下而上的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法是自下而上逐層確定每層套管的下入深度，保證套管下入深度最淺、費(fèi)用最低，套管下深的合理性取決于對下部地層壓力大小的判斷和特性的了解；而在自上而下的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中，套管下深根據(jù)上部已鉆地層資料確定，不受下部地層影響，有利于遵循地層特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)井身結(jié)構(gòu)的動態(tài)設(shè)計(jì)。每層套管下入深度最深，從而為后續(xù)鉆進(jìn)留有足夠的套管強(qiáng)度余量，有利于保證順利鉆達(dá)目的層。

4.3.1自下而上的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

自下而上井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法遵循的基本原則是：在有效保護(hù)氣層的前提下最大限度地保證裸眼井段的安全鉆進(jìn)，避免鉆進(jìn)過程中發(fā)生漏、噴、塌、卡等事故，確保安全、順利鉆達(dá)目的層。設(shè)計(jì)的基本依據(jù)是了解所鉆地區(qū)的地層特性剖面、地層孔隙壓力剖面、地層破裂壓力剖面、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系數(shù)以及鉆井資料等。設(shè)計(jì)的步驟是由內(nèi)向外，自下而上，逐層進(jìn)行，從而使各層套管功效最大化。具體方法和步驟如下：

（1）利用壓力剖面圖上最大地層壓力梯度求中間套管下入深度假設(shè)點(diǎn)D21（預(yù)計(jì)要發(fā)生井涌時(shí)采用）：

上式中的D21可用試算法求得，試取D21的值代入上式中，若計(jì)算值ρf與實(shí)際值相差不大或略小于實(shí)際值，則D21即為中間套管下入深度的假定點(diǎn)，否則另取D21值進(jìn)行計(jì)算，直到滿足要求為止。

（2）驗(yàn)證中間套管下入深度是否有卡鉆危險(xiǎn)［4］：

其中：

若Δp≤Δpn，則假設(shè)中間套管下入深度即為實(shí)際中間套管下入深度；

Δp≥Δpn則中間套管下入假設(shè)點(diǎn)有卡鉆危險(xiǎn)；

（4）校核鉆井尾管下到假定深度D31處是否會產(chǎn)生壓差卡套管，具體校核方法與步驟（2）相同。

（5）計(jì)算表層套管下入深度D1：根據(jù)中間套管鞋處（D2）的地層壓力梯度，給定井涌條件Sk，用試算法計(jì)算表層套管下入深度。每次給定D1，并代入下式計(jì)算。

在壓力剖面圖上找出ρpper值，該值對應(yīng)的深度即為中間套管的下入深度D2；

（3）計(jì)算鉆井尾管的下入深度的假定點(diǎn)：若出現(xiàn)壓差卡鉆，按上式重新計(jì)算中間套管下深后，還需要解決D21到D2間的鉆井安全問題。往往需要多下一層套管或尾管，并需要確定尾管的下入深度。

試算結(jié)果中，若ρfE接近或小于D2處的破裂壓力梯度時(shí)即符合設(shè)計(jì)要求，該深度即為表層套管的下入深度。

4.3.2自上而下的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

該方法自上而下逐層確定每層套管的下入深度。其步驟是：

（1）首先根據(jù)當(dāng)?shù)氐貙淤Y料并參考傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的結(jié)果，確定出表層套管的下入深度Hb。從表層套管下深Hb開始，根據(jù)裸眼井段須滿足的約束條件，向下確定出安全裸眼井段的長度La1，從而確定出第一層技術(shù)套管應(yīng)下入的深度Hj1=Hb+La1。

（2）然后，再從第一層技術(shù)套管應(yīng)下入的深度Hj1開始，按照同樣的方法確定出Hj1下部的安全裸眼井段的長度La2，從而確定出第二層技術(shù)套管的應(yīng)下入深度Hj2=Hj1+La2。

（3）依此類推，一直到目的層位，逐層確定出每層套管的下入深度。

自上而下設(shè)計(jì)方法的基本依據(jù)除了所鉆地區(qū)的地層特性剖面、地層孔隙壓力剖面、地層破裂壓力剖面、地區(qū)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系數(shù)以及已鉆井的資料外，還考慮了井壁坍塌壓力對井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。

（1）裸眼井段鉆井液密度必須滿足的約束條件：

防噴、防漏∶ρmax=max｛｝（ρmax+Sb+ΔP），ρcmax

防卡∶（ρmax-ρpi）×Hi×0.0098≤ΔP

防漏∶ρmax+sf+sk+Hpmax/Hi≤ρfi

關(guān)井時(shí)防漏∶ρmax+sg+sf≤ρfi

（2）井內(nèi)液柱壓力體系：

靜止?fàn)顟B(tài)：井底壓力=環(huán)空靜液柱壓力；

正常循環(huán)：井底壓力=環(huán)空靜液柱壓力+環(huán)空循環(huán)壓耗；

用旋轉(zhuǎn)防噴器循環(huán)：井底壓力=環(huán)空靜液柱壓力+環(huán)空循環(huán)壓耗+旋轉(zhuǎn)防噴器的回壓；

循環(huán)出氣涌：井底壓力=環(huán)空靜液柱壓力+環(huán)空循環(huán)壓耗+阻流器（套管壓力）［6］。

（3）最大鉆井液密度：最大鉆井液密度和鉆進(jìn)井段中的最大地層壓力有關(guān)，應(yīng)能保證在起鉆時(shí)不致產(chǎn)生井涌：

（4）井內(nèi)最大壓力梯度ρb：正常作業(yè)情況應(yīng)考慮激動壓力：

發(fā)生井涌壓井應(yīng)考慮井涌允值：

（5）各層套管下入深度：

①據(jù)正常鉆進(jìn)時(shí)避免套管鞋漏失，求出套管預(yù)選下深H1；

②據(jù)井涌壓井不壓漏地層，求出套管預(yù)選下深H2（主要對淺層套管）；

③據(jù)避免壓差卡套管求出套管預(yù)選下深H3；

④必封點(diǎn)深度H4。

各層套管下深由上面4項(xiàng)數(shù)值最小者決定，具體計(jì)算參照下面算法進(jìn)行［5］。

根據(jù)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法并結(jié)合具體必封點(diǎn)可以確定各層次套管的下深。下面結(jié)合現(xiàn)場壓裂方式以及生產(chǎn)管柱尺寸約束確定套管的層次及尺寸。

4.4井身結(jié)構(gòu)的選擇

頁巖氣井要獲得可觀的產(chǎn)能必須采用大型的體積壓裂［7］，為了滿足大排量施工的順利以及生產(chǎn)管柱的下入，要求三開套管必須在?139.7mm以上，這也就決定了二開應(yīng)采用?311.2mm的鉆頭并下入244.5mm的套管、一開采用?444.5mm的鉆頭并下入?339.7mm的套管。最終決定了長7頁巖氣水平井三開的井身結(jié)構(gòu)為：

三開采用?215.9mm的鉆頭×?139.7mm的套管，套管封閉全部井段，固井水泥漿返至地面；

二開采用?311.2mm的鉆頭×?244.5mm的中間

圖1　例井井身結(jié)構(gòu)示意圖　

套管，中間套管下入到入窗位置，封閉頁巖層段以上的地層，固井水泥漿返至地面；

一開采用?444.5mm的鉆頭×?339.7mm的套管，套管封閉黃土層和洛河組，固井水泥漿返至地面。

5　現(xiàn)場應(yīng)用情況

延頁平2井為延長石油集團(tuán)國家頁巖氣示范基地的一口陸相頁巖氣水平井。根據(jù)上述設(shè)計(jì)方法，給出延頁平2井的井身結(jié)構(gòu)示意圖（圖1）。

由于進(jìn)行了井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，在相同的地質(zhì)條件和工藝條件下，延頁平2井機(jī)械鉆速平均提高2%以上，井下復(fù)雜事故率降低3%以上，鉆井周期縮短3%以上，固井質(zhì)量合格率達(dá)到100%。并且壓裂施工順利，沒有出現(xiàn)異常情況。

6　結(jié)論與認(rèn)識

（1）頁巖氣直井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法不完全適合于水平井。頁巖氣水平井井身結(jié)構(gòu)主要由地質(zhì)條件、完井方法、壓力規(guī)模（中生界頁巖氣水平井一般大于103m/min）以及產(chǎn)量任務(wù)共同決定。

（2）根據(jù)體積壓裂方式以及生產(chǎn)管柱尺寸約束并結(jié)合地層特點(diǎn)，本研究推薦中生界頁巖氣水平井采用“?444.5mm鉆頭×?339.7mm套管+?311.2mm鉆頭× ?244.5mm套管+?215.9mm鉆頭×?139.7mm套管”三開形式的井身結(jié)構(gòu)。

（3）地質(zhì)與工程因素共同決定著井身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。本研究通過自下而上和自上而下2種計(jì)算方法，并結(jié)合具體的地質(zhì)必封點(diǎn)和工程必封點(diǎn)確定了不同類型的延長中生界頁巖氣水平井三層套管分別的下入深度。

［1］姜呈馥，王香增，張麗霞，萬永平，雷裕紅，孫建博，郭超.鄂爾多斯盆地東南部延長組長7段陸相頁巖氣地質(zhì)特征及勘探潛力評價(jià)［J］.中國地質(zhì)，2013,40（6）：30-32.

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TE243

A

1004-5716（2016）01-0041-05

2015-01-13

十二五國家863重點(diǎn)項(xiàng)目《頁巖氣勘探開發(fā)新技術(shù)》課題一“頁巖氣鉆完井及儲層評價(jià)與產(chǎn)能預(yù)測技術(shù)研究”（編號2013AA064501）以及陜西省科技統(tǒng)籌項(xiàng)目《陸相頁巖氣資源地質(zhì)研究與勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)》課題二“陸相頁巖氣水平井鉆完井工藝技術(shù)攻關(guān)”的部分研究內(nèi)容。

武騫（1978-），男（漢族），陜西咸陽人，工程師，現(xiàn)從事完井工藝技術(shù)工作。