塔里木盆地玉科區(qū)帶石炭系膏鹽巖地層套管變形原因分析及應(yīng)用

安琪，尹國慶，琚巖，范坤宇，陳培思，韓興杰

1.四川蜀渝石油建筑安裝工程有限責(zé)任公司（四川成都610017）2.中國石油塔里木油田分公司勘探開發(fā)研究院（新疆庫爾勒841000）

塔里木盆地玉科區(qū)帶石炭系膏鹽巖地層套管變形原因分析及應(yīng)用

安琪1，尹國慶2，琚巖2，范坤宇2，陳培思2，韓興杰2

1.四川蜀渝石油建筑安裝工程有限責(zé)任公司（四川成都610017）2.中國石油塔里木油田分公司勘探開發(fā)研究院（新疆庫爾勒841000）

通過地應(yīng)力突變、膏鹽巖蠕變、固井質(zhì)量等多因素分析，確定塔里木盆地塔北玉科區(qū)帶石炭系膏鹽巖地層套管變形主要原因?yàn)樵趲r性界面巖石力學(xué)參數(shù)差異導(dǎo)致剪切錯(cuò)動(dòng)；區(qū)域上發(fā)育的膏鹽巖互層發(fā)生蠕變，從而致使套管嚴(yán)重變形；已完鉆井固井質(zhì)量較差也使得套管外受力不均勻而產(chǎn)生變形。提出了將區(qū)域上原來使用的2層套管結(jié)構(gòu)優(yōu)化為3層；將石炭系膏鹽巖地層封固之后再進(jìn)行下步鉆進(jìn)；適當(dāng)提高套管抗外擠強(qiáng)度。解決了區(qū)域上的石炭系膏鹽巖段套管嚴(yán)重?fù)p壞問題，確保順利鉆進(jìn)，為后期作業(yè)提供了井筒條件保障。

套管變形；巖石力學(xué)參數(shù)差異；膏鹽巖蠕變；井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

玉科區(qū)帶位于塔里木盆地塔北隆起輪南低凸起哈得遜鼻狀隆起東翼，它是輪南低凸起向南傾入滿加爾凹陷的斜坡部位。主要目的層奧陶系一間房組，但在石炭系標(biāo)準(zhǔn)灰?guī)r段地層巖性變化較為復(fù)雜，上部為巨厚層狀泥晶灰?guī)r，中部為厚層狀鹽巖，下部為巨厚層狀大段石膏，是區(qū)域上石炭系的標(biāo)志層，另外該區(qū)域奧陶系斷層發(fā)育。該區(qū)目前已完鉆井5口，其中YK3、YK 5、YK6等井在鉆遇下部地層時(shí)，鉆具通過已封固的石炭系膏鹽巖地層多次遇阻，證實(shí)該層段套管變形嚴(yán)重，而較這2口井提前半年完鉆的YK1井卻沒有發(fā)現(xiàn)套損現(xiàn)象，搞清楚套管變形的主控因素，對(duì)于區(qū)域下步鉆完井作業(yè)十分關(guān)鍵。為此，對(duì)可能存在的原因進(jìn)行分析，確定主控因素，提出相應(yīng)的措施建議，以保障順利鉆進(jìn)。

玉科區(qū)帶鉆遇石炭系的井有5口，從YK3井鉆井井史看出，該井在鉆遇石炭系地層時(shí)遇阻3次，循環(huán)泥漿，進(jìn)行多次劃眼操作。該井鉆至奧陶系灰?guī)r地層頂部時(shí)，下套管至6 876 m，將包含石炭系的上部地層同時(shí)封固，但在鉆遇奧陶系灰?guī)r地層起下鉆過程中，在石炭系地層（4 463~5 213 m）遇阻掛卡現(xiàn)象嚴(yán)重，進(jìn)行反復(fù)劃眼方能通過。根據(jù)此種現(xiàn)象懷疑該段套管變形，于是對(duì)該段地層4 850~5 053 m進(jìn)行了60臂井徑測(cè)井（圖1），圖中藍(lán)色代表套管內(nèi)徑變小，紅色表示套管內(nèi)徑變大，可以看出該段套管發(fā)生了不同程度的井徑變化，測(cè)量結(jié)果證實(shí)套管變形嚴(yán)重。

圖1 YK3井4 850~5 053 m井段60臂井徑成像

1 套管變形原因分析

研究認(rèn)為套管變形主要機(jī)理為幾種情況引起的套管產(chǎn)生剪切作用，分別是作用強(qiáng)烈的地應(yīng)力釋放、膏鹽巖蠕變及泥頁巖吸水膨脹、斷層剪切滑動(dòng)、固井質(zhì)量差、頻繁修井作業(yè)和施工不當(dāng)、地面沉降及儲(chǔ)層壓實(shí)、射孔、地震作用、巖石力學(xué)參數(shù)分層差異等。通過對(duì)區(qū)域上的地質(zhì)特征及勘探開發(fā)歷程分析，認(rèn)為地質(zhì)力學(xué)參數(shù)的分層差異和膏鹽巖蠕變剪切是該區(qū)套管變形的主要原因[1-2]。

1.1 地質(zhì)力學(xué)參數(shù)分析

圖2為過YK1、YK3、YK6井地質(zhì)力學(xué)參數(shù)處理剖面，從圖中看出，YK3井主要的套管變形層段為5 010~5 082 m，尤其在已證實(shí)的變形段5 030 m上下。楊氏模量為15 000~48 000 MPa；泊松比為0.2~ 0.25；巖石強(qiáng)度為20~300MPa；水平最大主應(yīng)力梯度2.1~2.8 MPa/100m。如此強(qiáng)烈的地應(yīng)力、巖石力學(xué)參數(shù)的非均質(zhì)性，使得該段地層固井后，套管所承受的外力在縱向上存在嚴(yán)重的非均質(zhì)性。由于套管承受的外力一旦超過了套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度，產(chǎn)生變形。YK3井該段地層固井實(shí)際使用的套管抗外擠額定強(qiáng)度僅為50 MPa，YK6井也是類似，而YK1井膏鹽巖段表現(xiàn)地質(zhì)力學(xué)參數(shù)較均勻，該井套管未發(fā)生變形，因此地質(zhì)力學(xué)參數(shù)的非均質(zhì)性是套管變形的主要原因之一。

圖2 為過YK1、YK3、YK6井地質(zhì)力學(xué)參數(shù)處理剖面

1.2 膏鹽巖蠕變剪切分析

通過已鉆地層的巖石組分精細(xì)分析可知，YK3在石炭系膏鹽巖段鉆遇較厚石膏、鹽及泥巖的交互混合巖性，YK6井鉆遇了較厚的石膏和鹽層，而YK1井僅鉆遇了15m的純石膏層，采用不同巖性的蠕變指數(shù)分析方法[3]對(duì)YK1、YK3、YK6 3口井進(jìn)行蠕變指數(shù)分析（圖3）。圖3表明，不同巖性的蠕變指數(shù)差異較大，純石膏層蠕變程度較大、混合巖性次之、泥巖最低[4-5]。由于純石膏或純鹽層整體蠕變指數(shù)差異不大，鉆進(jìn)中和完鉆下套管后的遇阻情況較少。但如果巖性變化頻繁，石膏、鹽層及混合巖性交替出現(xiàn)，相應(yīng)的蠕變指數(shù)也呈層狀頻繁交替出現(xiàn)，則鉆進(jìn)中和完鉆固井后遇阻現(xiàn)象嚴(yán)重，如YK3井。這與實(shí)際鉆井表現(xiàn)一致，因此可以判定膏鹽巖蠕變時(shí)，不同巖性間蠕變特性的差異是玉科構(gòu)造石炭系膏鹽巖段套管變形的又一原因。

圖3 YK1-YK3-YK6井石炭系膏鹽巖層段蠕變特性分析

1.3 其他原因分析

一般斷層剪切錯(cuò)動(dòng)也是套管變形的主要原因之一。從區(qū)域上的地震剖面看出，目前所分析的井中，斷層僅在奧陶系，沒有斷穿石炭系的斷層，因此排除斷層錯(cuò)動(dòng)剪切原因；該構(gòu)造尚處于勘探階段，不存在地層沉降和儲(chǔ)層壓實(shí)、也沒有進(jìn)行射孔和修井作用，未發(fā)生過地震，因此這些原因也被排除。

復(fù)查3口井的石炭系膏鹽巖地層固井質(zhì)量，YK1井整個(gè)層段聲幅、地層波響應(yīng)清楚，固井質(zhì)量較好；YK3井則表現(xiàn)為整個(gè)井段固井質(zhì)量較差；YK6井5 110~5 130 m地層固井質(zhì)量較差，5 130~5 180 m地層固井質(zhì)量較好。固井時(shí)水泥膠結(jié)程度的好壞直接影響套管受力，固井質(zhì)量較差的井段套管受力嚴(yán)重不均勻而導(dǎo)致套管發(fā)生剪切變形作用[6]，據(jù)此分析，固井質(zhì)量較差也是該地層套管變形的另一重要原因。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

根據(jù)上述分析，針對(duì)該段地層的套管變形問題，提出除了加強(qiáng)該層段的固井質(zhì)量外，最有保障性的做法就是優(yōu)化該構(gòu)造后續(xù)鉆井的井身結(jié)構(gòu)，鉆遇膏鹽巖復(fù)合巖性復(fù)雜層段時(shí)，增加一層套管，封固該層，同時(shí)增加套管的抗外擠強(qiáng)度。該區(qū)塊新開鉆的YK101、YK301等井均采納了該方案，采用了新的井身結(jié)構(gòu)，并將套管的額定強(qiáng)度提高至180 MPa，目前正在順利鉆進(jìn)，為后期作業(yè)提供了井筒條件保障。

3 結(jié)論

1）從地質(zhì)力學(xué)、地層蠕變、固井質(zhì)量等分析，確定玉科區(qū)帶石炭系膏鹽巖地層套管變形的主要原因有3個(gè)地質(zhì)力學(xué)參數(shù)縱向非均質(zhì)性，石膏、鹽巖、膏鹽巖、泥巖等混合巖性蠕變特性的不同；局部固井質(zhì)量差，導(dǎo)致了套管受力不均勻，產(chǎn)生的剪切作用超過了套管本身的抗外擠強(qiáng)度。

2）通過套管變形原因的分析，提出了該區(qū)域鉆井時(shí)，將原來使用的2層套管解構(gòu)優(yōu)化成3層結(jié)構(gòu)，封固石炭系膏鹽巖地層；提高套管的強(qiáng)度，確保不發(fā)生變形，加強(qiáng)固井質(zhì)量檢測(cè)，為下步鉆完井作業(yè)提供完整性井筒。

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Through the analysis of crustal stress mutation,gypsum salt rock creep and cementing quality,it is held that the main causes of the casing deformation are the difference of rock mechanical parameters in lithologic interface leading to shear dislocation,the creep of the regional developed gypsum salt rock layers resulting in the serious deformation of the casing,and the poor well cementing quality leading to the uneven stress and deformation of the casing.The countermeasures are proposed:changing the original two-layer casing structure into three-layer structure;cementing the Carboniferous gypsum salt rock formation and then drilling lower formation;appropri?ately increasing casing strength.The above measures can solve the problem of serious damage to the casing of the Carboniferous gypsum salt rock in the area,and ensure the smooth drilling,and provide good wellbore condition for the later work.

casing deformation；difference in rock mechanics parameters；creep of gypsum rock；optimization of well structure

尉立崗

2017-04-08

安琪（1988-），女，現(xiàn)從事石油工程預(yù)算工作。