瓊東南深水探井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

楊 燾，柯 坷，王 劍，秦丙林

瓊東南深水探井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

楊 燾1，柯 坷2，王 劍1，秦丙林1

（1. 中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，上海 200120；2. 中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101）

深水鉆井導(dǎo)管常采取噴射下入方式，在井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法上與淺水及陸地鉆井有著較大區(qū)別，為更好的完成瓊東南探井的鉆井工程設(shè)計(jì)，此文結(jié)合瓊東南地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境資料，并充分考慮深水井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)、挑戰(zhàn)及設(shè)計(jì)原則，進(jìn)行了瓊東南深水導(dǎo)管下深模擬計(jì)算、表層、技術(shù)套管設(shè)計(jì)，提出了針對瓊東南深水探井的導(dǎo)管下深及導(dǎo)管串結(jié)構(gòu)組成，形成了瓊東南深水探井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析方法可為瓊東南海洋深水鉆井設(shè)計(jì)提供參考與借鑒。

深水鉆井；井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；導(dǎo)管；噴射

1 深水井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)及設(shè)計(jì)原則

1.1 深水井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)

深水鉆井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與淺水及陸地鉆井相比，主要難點(diǎn)及特殊性表現(xiàn)在以下三個方面：

（1）深水鉆井導(dǎo)管井段普遍采用噴射下入方式，其下入?yún)?shù)設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)鉆井方式存有較大區(qū)別。

噴射下入導(dǎo)管是針對深水作業(yè)特點(diǎn)發(fā)展起來的一種導(dǎo)管下入工藝[1]，該技術(shù)將鉆井眼與下導(dǎo)管兩項(xiàng)作業(yè)“合二為一”進(jìn)行，在鉆進(jìn)的同時導(dǎo)管隨之下入到位，利用地層與導(dǎo)管之間的摩阻力固定導(dǎo)管并承擔(dān)后續(xù)載荷（鉆頭尺寸小于導(dǎo)管尺寸），保持井口穩(wěn)定。在水深較大，海底表層地層較軟的情況下，使用噴射方法下入導(dǎo)管要比常規(guī)方法節(jié)約大量時間，并且降低了表層作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。因此采用噴射方法下入導(dǎo)管不僅簡化了下導(dǎo)管、固井及起下鉆等作業(yè)流程，節(jié)省作業(yè)時間和成本，還能夠有效降低深水作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

由于作業(yè)方式發(fā)生改變，導(dǎo)管下入深度的設(shè)計(jì)在地層巖性等參數(shù)的前提下，主要以導(dǎo)管承載能力、水下井口承重及穩(wěn)定性為依據(jù)進(jìn)行。

（2）深水鉆井表層套管井段采用開眼循環(huán)方式鉆進(jìn)，鉆井液及巖屑從海底泥線處返出。因此，表層套管井段井筒中的鉆井液當(dāng)量密度由相應(yīng)水深的海水和井筒中的加重鉆井液（若采用鉆井液密度大于海水密度）兩部分構(gòu)成。由于開眼循環(huán)鉆進(jìn)，鉆井液密度調(diào)整能力有限，表層套管下入深度除受到地層巖性及地層壓力等參數(shù)限制外，還受到鉆井液存儲能力、大尺寸井眼攜巖能力等條件的限制，下入深度確定方法與常規(guī)淺水及陸地有較大差異。

（3）深水井筒溫度分布與淺水及陸地井存有較大差異，其特有的低溫環(huán)境會影響鉆井液流變性能，從而使深水鉆井安全鉆井液密度窗口的確定方法與淺水及陸地不同。

1.2 深水井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

井身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是根據(jù)地層壓力預(yù)測研究結(jié)果、鉆井液密度窗口，結(jié)合鄰井實(shí)鉆情況，并考慮易坍塌層、易漏層、含特殊流體層、井眼軌跡特殊要求等因素，設(shè)計(jì)各層套管的下入深度和尺寸[2]。其在滿足勘探開發(fā)要求的前提下，還應(yīng)遵循安全作業(yè)和經(jīng)濟(jì)性的原則：

（1）滿足勘探和開發(fā)要求

對于探井，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足地質(zhì)取資料要求（如：取心、測井、測試和加深等），滿足地質(zhì)封隔要求，能有效封隔地質(zhì)要求必封層位，考慮探井作業(yè)的不確定性，需要時可預(yù)留一層技術(shù)套管或指定備用套管層次方案。

對于開發(fā)井，井身結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足完井、采油及增產(chǎn)作業(yè)的要求；為有效的保護(hù)油氣層，可考慮必要時增加一層技術(shù)套管。

（2）壓力平衡原則

壓力平衡是井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則，在各井段均應(yīng)滿足壓力平衡原則。

（3）安全作業(yè)原則

（4）經(jīng)濟(jì)性原則

在滿足安全、高效作業(yè)的前提下，減少套管層數(shù)。

套管和井眼尺寸的優(yōu)選應(yīng)考慮不同井眼尺寸的鉆井效率和材料消耗，以縮短鉆井周期，降低建井成本。

2 瓊東南深水探井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 導(dǎo)管下入深度模擬設(shè)計(jì)

針對深水井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特殊性和難點(diǎn)，對淺層上部井段設(shè)計(jì)，主要考慮導(dǎo)管噴射下入及表層開眼循環(huán)的特點(diǎn)[3]，重點(diǎn)對導(dǎo)管噴射下入深度進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)（海平面為深度零點(diǎn)）。

根據(jù)瓊東南區(qū)域的水深分布特點(diǎn)以及井位的水深情況，本文模擬分析中施工井位水深為1 400 m。由于目前尚未獲得瓊東南海域的淺部地層土質(zhì)參數(shù)調(diào)查數(shù)據(jù)，因此通過對相關(guān)資料文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果，根據(jù)文獻(xiàn)中給出的南海、渤海及墨西哥灣等海域的淺部地層土性質(zhì)的特點(diǎn)及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)范圍進(jìn)行計(jì)算。

南海瓊東南X井作業(yè)水深為1 400 m，采用噴射方法下入36"導(dǎo)管，選擇設(shè)計(jì)外載加適當(dāng)鉆井載荷情況下的安全系數(shù)1.5，進(jìn)行導(dǎo)管下入深度設(shè)計(jì)所需的各項(xiàng)參數(shù)如表1。求得當(dāng)表層套管懸掛在導(dǎo)管上時，導(dǎo)管需要承擔(dān)的安全載荷隨導(dǎo)管下入深度的變化曲線（圖1），分別采用API RP 2A中的α法和β法計(jì)算黏性土和砂性土中的單位面積極限側(cè)摩阻力，運(yùn)用黏性土和砂性土的單位面積端阻力計(jì)算方法，得到導(dǎo)管的單位面積極限承載能力設(shè)計(jì)指標(biāo)（表2）。由得到導(dǎo)管的單位面積極限承載能力設(shè)計(jì)指標(biāo)做出導(dǎo)管的單位面積極限承載能力剖面[4]，以及導(dǎo)管在地層中的極限承載力隨導(dǎo)管下入深度的變化曲線（圖2）。

導(dǎo)管靜止4 h、8 h、24 h、2 d及4 d后的實(shí)時承載能力隨導(dǎo)管下入深度的變化曲線如圖3a和圖3b所示，其中導(dǎo)管的承載力增長系數(shù)分別取0.1和0.15。

根據(jù)以上分析疊加得到不同恢復(fù)時間及不同承載力增長系數(shù)條件下的導(dǎo)管的安全下入深度（圖4）。從圖4中可以看出，當(dāng)導(dǎo)管的承載力增長系數(shù)取0.1時，導(dǎo)管在24 h、2 d、4 d恢復(fù)時間條件下的安全下入深度分別為70 m、62 m和56 m；當(dāng)導(dǎo)管的承載力增長系數(shù)取0.15時，導(dǎo)管在24 h、2 d、4 d恢復(fù)時間條件下的安全下入深度分別為58 m、48 m和42 m。為保證作業(yè)安全，設(shè)計(jì)過程中選擇導(dǎo)管承載力增長系數(shù)為0.1。懸掛表層套管前的恢復(fù)時間取24 h，導(dǎo)管設(shè)計(jì)下入深度為70 m，同時參照鄰井經(jīng)驗(yàn)（附近陵水區(qū)塊已鉆深水井導(dǎo)管大多選擇70 m左右的下入深度），三口井導(dǎo)管設(shè)計(jì)為下入泥線以下70 m?？紤]到入泥上部導(dǎo)管受到的彎矩最大，上部3根選用導(dǎo)管壁厚為1.5"，下面導(dǎo)管選用壁厚為1"。

表1 瓊東南X井導(dǎo)管下入深度設(shè)計(jì)所需參數(shù)

圖1 導(dǎo)管的單位面積極限承載能力剖面圖

表2 瓊東南X井導(dǎo)管單位面積極限承載能力設(shè)計(jì)指標(biāo)

圖2 導(dǎo)管的安全載荷隨下入深度變化曲線

2.2 表層套管、技術(shù)套管設(shè)計(jì)

表層套管：深水鉆井過程中，表層套管是開眼鉆進(jìn)，鉆完之后再下入防噴器組和隔水管及其相應(yīng)系統(tǒng)裝備，因此在鉆進(jìn)的時候都是海水鉆進(jìn)。表層套管的下深要求是，首先，保證淺層地質(zhì)災(zāi)害地層必須封隔，第二，盡可能的加大套管下深，這樣有利于下一步的鉆進(jìn)，有利于增加下一層套管的下深，有利于盡量減少套管的層次[5]，節(jié)約操作成本。

圖3 導(dǎo)管的實(shí)時承載能力剖面圖

圖4 導(dǎo)管下入深度設(shè)計(jì)結(jié)果

技術(shù)套管：深水鉆井技術(shù)套管的下深確定方法和常規(guī)的設(shè)計(jì)方法基本相同，根據(jù)壓力約束條件進(jìn)行，考慮地層的必封點(diǎn)，得到下深值。由于作業(yè)窗口狹窄，遇到復(fù)雜地質(zhì)情況時，不可一味封隔地層，不斷下入套管（套管層次的增加，會影響后續(xù)的尺寸，并增加作業(yè)成本）。

（1）3井

36"結(jié)構(gòu)套管下至1 330 m

下該層套管的主要原因是為了泥線處的結(jié)構(gòu)整體性，支撐井口和隔水管載荷。根據(jù)導(dǎo)管入泥深度和井口穩(wěn)定性分析與評估，為了保證井口穩(wěn)定，導(dǎo)管外徑應(yīng)為36"，下至泥線以下70 m（水深1 260 m，井口高出泥面約3.5 m）。

20"表層套管下至1 960 m

下該層套管的主要原因是封固淺層松散地層。這層套管需要保證套管鞋處能承受安裝防噴器（BOP）及隔水管后繼續(xù)鉆進(jìn)的強(qiáng)度。水泥需返至海床。

13-3/8"技術(shù)套管下至3 220 m

封固上部疏松地層。保證套管鞋處的強(qiáng)度滿足本開井段及下開井段的井控要求。

9-5/8"技術(shù)套管下至4 360 m

9-5/8"套管盡量下至預(yù)測儲層上部，封隔異常壓力層段，保證含油氣層段集中在后續(xù)井段中。然后用8-1/2"鉆頭鉆至完鉆深度。

7"技術(shù)套管下至5 170 m

保證后續(xù)井眼進(jìn)行miniDST作業(yè)的順利進(jìn)行，需下7"套管封固8-1/2"裸眼井段。 7"套管座掛至4 210 m，與9-5/8"套管重疊150 m。

（2）4井

36″結(jié)構(gòu)套管下至1 440 m

下該層套管的主要原因是為了泥線處的結(jié)構(gòu)整體性，支撐井口和隔水管載荷。根據(jù)導(dǎo)管入泥深度和井口穩(wěn)定性分析與評估，為了保證井口穩(wěn)定，導(dǎo)管外徑應(yīng)為36″，下至泥線以下70 m（水深1 370 m，井口高出泥面約3.5 m）。

20″表層套管下至1 895 m

下該層套管的主要原因是封固淺層松散地層，在預(yù)測淺層氣之前50 m完成該井段。這層套管需要保證套管鞋處能受安裝BOP及隔水管后繼續(xù)鉆進(jìn)的強(qiáng)度。水泥需返至海床。

13-3/8″技術(shù)套管下至2 795 m

封固上部疏松地層，保證套管鞋處的強(qiáng)度滿足本開井段的要求。封固油氣層段以上200 m地層。

9-5/8″技術(shù)套管下至3 475 m

用12-1/4″鉆頭直接鉆至本井設(shè)計(jì)井深，預(yù)測油氣層均在此井段，同時12-1/4″井眼可得到較好的測井效果。

備用8-1/2″井眼

若本井有較好的油氣發(fā)現(xiàn)，可提前結(jié)束鉆進(jìn)，進(jìn)行電測，取得地質(zhì)資料，或地層孔隙壓力異常，壓力窗口不滿足繼續(xù)鉆至設(shè)計(jì)井深，下入9-5/8″套管封固主要目的層，用8-1/2″鉆至完鉆深度。

（3）5井

根據(jù)本井完鉆井深比較淺，且目的層在井底的風(fēng)化殼，本井的井眼和套管尺寸確定如下：

36"結(jié)構(gòu)套管下至1 462 m

下該層套管的主要原因是為了泥線處的結(jié)構(gòu)整體性，支撐井口和隔水管載荷。根據(jù)導(dǎo)管入泥深度和井口穩(wěn)定性分析與評估，為了保證井口穩(wěn)定，導(dǎo)管外徑應(yīng)為36"，下至泥線以下70 m（水深1 392 m，井口高出泥面約3.5 m）。

20"表層套管下至1 990 m

下該層套管的主要原因是封固淺層松散地層。這層套管需要保證管鞋處能承受安裝BOP及隔水管后繼續(xù)鉆進(jìn)的強(qiáng)度。水泥需返至海床。

9-5/8"套管下至2 590 m

簽于本井主要目的層為基底風(fēng)化殼及不整合覆蓋在前第三系基底之上地層，為防止鉆遇不整合面及基底風(fēng)化殼時發(fā)生嚴(yán)重漏失，確保上部井眼的穩(wěn)定與安全，所以在未鉆入風(fēng)化殼之前，下套管把上部井眼封固，同時考慮用12-1/4"鉆頭鉆本井油氣層段，12-1/4"井眼可得到較好的測井效果，鉆達(dá)設(shè)計(jì)井深后，下9-5/8"套管。

7"套管下至2 700 m

用8-1/2"鉆頭鉆基底風(fēng)化殼至完鉆深度。保證后續(xù)井眼進(jìn)行miniDST作業(yè)的順利進(jìn)行，需下7"套管封固8-1/2"裸眼井段。7"套管座掛至2 440 m，與9-5/8"套管重疊150 m。

3 結(jié)論

本文根據(jù)深水鉆井的特點(diǎn)及難點(diǎn)，結(jié)合瓊東南地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境資料，提出了瓊東南3口井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案：導(dǎo)管下深模擬計(jì)算得到的導(dǎo)管下深數(shù)據(jù)與附近區(qū)塊已鉆井導(dǎo)管下深接近（均在70 m左右），說明導(dǎo)管下深模擬計(jì)算方法是可行的；在技術(shù)套管設(shè)計(jì)中對4井井位淺層氣問題、9井基底風(fēng)化殼漏失等問題均予以考慮和應(yīng)對。最終形成了瓊東南深水探井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法可為瓊東南海洋深水鉆井設(shè)計(jì)提供參考和支持。

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

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Discussion about Bore Hole Structure Design of Deep Water Exploration Well in Qiongdongnan Basin

YANG Tao1, KE Ke2, WANG Jian1, QIN Binglin1
（1. Institute of Petroleum Engineering Technology, SINOPEC Shanghai Offshore Oil & Gas Company, Shanghai 200120, China; 2. SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineering, Beijing 100101, China）

Deepwater drilling conductor is usually run by special jet-in technique. The design method of borehole structure design method for deep exploration well is quite different with that in shallow water and onshore drilling. In order to finish the design of Qiongdongnan deep exploration well， on the basis of geological environments， the difficulties， challenges and design principles of deep water borehole structure design have been considered fully, and simulation calculation for detailed conductor setting depth and design of surface technical casing have been conducted for Qiongdongnan deepwater drilling. The design scheme for deep water wellbore structure in Qiongdongnan basin has been decided, and this design method can provide experiences and

for Qiongdongnan deepwater well borehole structure design.

deepwater drilling; well borehole structure design; conductor pipe; jet-in

TE22

A DOI:10.3969/j.issn.1008-2336.2016.03.098

1008-2336（2016）03-0098-05

2016-04-28；改回日期：2016-06-02

楊燾，男，1983年生，工程師，2005年本科畢業(yè)于西南石油大學(xué)，主要從事鉆井工程工作。

E-mail:yangtao.shhy@sinopec.com。