南海鶯-瓊盆地復(fù)雜壓力層系井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)*

吳 江 李炎軍 羅 鳴 韋龍貴 張萬棟

(中海石油(中國)有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057)

南海鶯-瓊盆地處于歐亞板塊、印度板塊和太平洋板塊交會(huì)處，發(fā)育著眾多勘探目標(biāo)，但地質(zhì)特性錯(cuò)綜復(fù)雜。該區(qū)域自1984年開始進(jìn)行鉆探，勘探主要目的層位為新近系中新統(tǒng)的三亞組、梅山組和黃流組，中深層(即梅山組—黃流組及以下地層)儲(chǔ)層埋深較深，地溫梯度異常，已鉆井最高井底溫度249 ℃，地層壓力系數(shù)最高2.38，被公認(rèn)為世界三大海上高溫高壓區(qū)域之一[1-2]。由于該區(qū)域地質(zhì)情況異常復(fù)雜，地層壓力不確定因素多，造成前期探井井身結(jié)構(gòu)多采用6～7層次套管程序，如1984年完鉆的第1口鉆達(dá)陵水組的深層高溫高壓井LD30-1-X井的井身結(jié)構(gòu)采用7層次非常規(guī)套管程序φ762.000 mm×φ508.000 mm×φ339.725 mm×φ298.450 mm×φ244.475 mm×φ177.800 mm×φ149.225 mm；1995年完鉆的YC26-1-X井和1999年完鉆的YC21-1-X井的井身結(jié)構(gòu)取消了φ339.725 mm套管程序，增加了2層非常規(guī)套管程序φ406.400 mm和φ298.450 mm。常規(guī)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般依據(jù)地層孔隙壓力剖面、地層破裂壓力剖面、地層坍塌壓力剖面、巖性剖面和工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，再結(jié)合壓力平衡關(guān)系。但鶯-瓊盆地中深層存在安全壓力窗口窄、下部地層壓力不確定等復(fù)雜地質(zhì)情況，采用常規(guī)方法無法設(shè)計(jì)出合理、安全的井身結(jié)構(gòu)，而采用非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)易帶來井下復(fù)雜情況多、時(shí)效低、成本高昂的問題[3-4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，南海西部海域采用非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)作業(yè)井的建井周期達(dá)158 d，非生產(chǎn)時(shí)效達(dá)29%。

近年來，國內(nèi)陸地油田針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)情況的深井開展了諸多的井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，如川東北地區(qū)針對(duì)深層異常復(fù)雜地質(zhì)情況特點(diǎn)，通過優(yōu)化中間非常規(guī)套管尺寸，以開眼尺寸不擴(kuò)大、完井尺寸盡可能大的設(shè)計(jì)思路，形成了4種井身結(jié)構(gòu)方案[5]；川西地區(qū)針對(duì)常規(guī)井身結(jié)構(gòu)的不足，結(jié)合三壓力剖面與必封點(diǎn)，形成了深井非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案[6]；塔河油田根據(jù)地層壓力分布和必封點(diǎn)確定套管直徑和下深，形成了適用于不同構(gòu)造特征的井身結(jié)構(gòu)系列[7]。由此可見，井身結(jié)構(gòu)必須根據(jù)本區(qū)域地質(zhì)特征制定相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法，科學(xué)合理的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是降低鶯-瓊地區(qū)復(fù)雜壓力層系下鉆井井下復(fù)雜情況、提高時(shí)效的關(guān)鍵措施之一[8-11]。筆者通過系統(tǒng)分析鶯-瓊盆地復(fù)雜的地質(zhì)特點(diǎn)，總結(jié)前期探井和開發(fā)評(píng)價(jià)井的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，綜合考慮目的層深度、必封點(diǎn)、已鉆井復(fù)雜情況、測試方案、鉆井成本等多重因素，形成了適合鶯-瓊盆地中深層高溫高壓和深層高溫超壓復(fù)雜壓力層系井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)于高溫高壓井鉆井提質(zhì)增效起到了關(guān)鍵性的保障作用。

1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在問題

鶯-瓊盆地異常流體壓力分布廣泛，壓力異常帶的起始深度參差不齊，總體特征為盆地中央淺，盆地向外邊緣逐漸變深?？焖俪练e和欠壓實(shí)是本區(qū)域形成異常高壓的主要成因，其次是深部源巖生烴增壓作用。該盆地中深層儲(chǔ)蓋結(jié)合的梅山組-黃流組埋藏較深，屬于高溫超壓區(qū)，具有地震資料品質(zhì)差、圈閉和儲(chǔ)層落實(shí)困難、地層壓力不確定性強(qiáng)等特點(diǎn)。從已鉆井情況看，鶯-瓊盆地地層壓力在橫向與縱向上變化大，區(qū)域差異性強(qiáng)，同時(shí)隨著儲(chǔ)層埋深增加，地層壓力呈現(xiàn)復(fù)雜化的態(tài)勢(shì)，主要表現(xiàn)為：絕對(duì)地層壓力高、壓力臺(tái)階多、抬升快(圖1)，鉆遇最高地層壓力系數(shù)高達(dá)2.38，絕對(duì)地層壓力高達(dá)120 MPa；地層壓力窗口窄，甚至因地層壓力反轉(zhuǎn)存在負(fù)窗口的情況，給鉆井作業(yè)及井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來較大困難。

圖1 DF1-1-X井地層壓力系數(shù)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，鶯-瓊盆地異常壓力地層鉆井作業(yè)井下復(fù)雜情況頻發(fā)，主要表現(xiàn)為：因地層高溫、壓力窗口窄帶來的溢流、井漏及噴漏同存，造成多口井井眼報(bào)廢，無法鉆達(dá)目的層；鉆具斷裂和刺漏；套管磨損嚴(yán)重；卡鉆嚴(yán)重；固井質(zhì)量出現(xiàn)問題，幾乎所有井發(fā)生了溢流和井漏。

鶯-瓊盆地異常壓力特征也使得該區(qū)域鉆井井身結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，據(jù)統(tǒng)計(jì)有58.8% 的鉆井井身結(jié)構(gòu)采用6層次、7層次非常規(guī)套管程序(圖2)，井身結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)套管程序多、非常規(guī)的復(fù)雜化特點(diǎn)，造成此類井復(fù)雜情況多發(fā)、鉆井周期偏長、鉆井時(shí)效偏低。

圖2 鶯-瓊盆地異常壓力層系已鉆井非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)

分析認(rèn)為，鶯-瓊盆地復(fù)雜壓力條件下鉆井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在以下問題：

1)φ508.000 mm表層套管下深淺，下部井段的加深和中間技術(shù)套管的下深受限，無法滿足深井鉆井的需求，需要結(jié)合不同區(qū)塊的地質(zhì)情況，進(jìn)一步探索在盡可能不增加套管程序的前提下使用常規(guī)套管程序加深鉆進(jìn)。

2) 對(duì)于鉆遇復(fù)雜地層的井，需采用6層次或7層次非常規(guī)套管程序的井身結(jié)構(gòu)，中間增加了2層非常規(guī)尺寸套管φ406.400 mm和φ298.450 mm，需采用擴(kuò)眼技術(shù)鉆進(jìn)，導(dǎo)致增加了大量非生產(chǎn)時(shí)間。此外，套管程序復(fù)雜，且涉及無接箍套管、擴(kuò)眼等特殊作業(yè)方式，導(dǎo)致井下復(fù)雜情況多發(fā)、鉆井時(shí)效偏低、鉆井周期偏長。

3) 前期鉆井過程中普遍存在溢流、井漏、鉆具斷損及卡鉆，甚至發(fā)生井眼報(bào)廢情況，需要結(jié)合地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步弄清地層必封點(diǎn)，優(yōu)化套管尺寸和層次。

2 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

復(fù)雜壓力層系井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是滿足勘探開發(fā)需要，在安全的前提下快速高效鉆井，盡可能降低此類井鉆井門檻。通過總結(jié)以往數(shù)十年的鉆井經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合區(qū)域地層巖性及地層壓力預(yù)測結(jié)果、勘探開發(fā)目的、工具和配套工藝，在滿足地層壓力平衡條件下，創(chuàng)新采用“自上而下”、“自下而上”相結(jié)合并綜合考慮必封點(diǎn)、ECD、井控和固井因素影響的雙向動(dòng)態(tài)循環(huán)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法(圖3)，確定套管層次和套管下深。根據(jù)地質(zhì)必封點(diǎn)和地層壓力分布確定技術(shù)套管的尺寸、層次和下入深度，根據(jù)下部復(fù)雜地層情況，如地層壓力不確定、地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)不明確，制定備用技術(shù)套管方案。優(yōu)先考慮常規(guī)井身結(jié)構(gòu)，在確認(rèn)常規(guī)套管程序無法滿足安全鉆進(jìn)的前提下，增加1層非常規(guī)尺寸套管，保證最后1層套管尺寸滿足地層評(píng)價(jià)的要求。

圖3 雙向動(dòng)態(tài)循環(huán)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

雙向循環(huán)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括套管層次設(shè)計(jì)、各層套管下入深度的確定、各次開鉆井眼尺寸(鉆頭尺寸)和套管尺寸的設(shè)計(jì)，應(yīng)滿足地質(zhì)取資料要求、壓力平衡原則，其中套管下深確定應(yīng)保證下部井段鉆進(jìn)、起下鉆及壓井作業(yè)中不壓裂裸露的薄弱地層，同時(shí)滿足井控作業(yè)要求，盡量避免同一裸眼段存在多套壓力層系，在滿足安全、高效作業(yè)的前提下減少套管層數(shù)。

2.2 必封點(diǎn)確定

必封點(diǎn)的確定以最大限度降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)為目標(biāo)。結(jié)合鶯-瓊盆地地質(zhì)特征(巖性、淺層氣、水道砂等)、地層壓力分布以及已鉆井情況，確定3個(gè)必封點(diǎn)。

第1必封點(diǎn)：表層疏松地層、含水砂層、淺氣層，需要封固薄弱地層，防止鉆井液漏失，同時(shí)隔離海水，建立循環(huán)通道。

第2必封點(diǎn)：根據(jù)預(yù)測的地層三壓力剖面并結(jié)合實(shí)鉆經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮鉆進(jìn)、固井期間井底壓力當(dāng)量密度，確保上層套管鞋不發(fā)生漏失，需要在上新統(tǒng)鶯歌海組大套泥巖段(壓力過渡帶)設(shè)置必封點(diǎn)。

第3必封點(diǎn)：主要目的層存在起壓快、壓力臺(tái)階多、壓力反轉(zhuǎn)等復(fù)雜特征，在揭開目的層前，需要在目標(biāo)砂體頂部的泥巖段下入1層技術(shù)套管，隔開下部的高壓層，避免壓漏上部薄弱地層。

2.3 套管下深及層次優(yōu)化

2.3.1表層套管下深優(yōu)化

考慮到下部井段的加深可能帶來不確定的復(fù)雜情況，表層套管應(yīng)盡量下深，盡量多地為下部井段預(yù)留密度窗口，這樣可以節(jié)省φ406.400 mm非常規(guī)技術(shù)套管。為提高表層套管承壓能力，便于安裝井口防噴器、隔離表層疏松砂層與含水砂層及防止鉆井液漏失，保證下一井段鉆進(jìn)時(shí)要有足夠的強(qiáng)度滿足鉆井和井控要求，常使用鋼級(jí)X56、磅級(jí)158.47 kg/m的φ508.000 mm套管。經(jīng)過優(yōu)化，φ508.000 mm套管下深增加至1 000 m，較以往加深400 m左右;表層固井采用漂珠水泥漿體系，以降低地層漏失風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而確保表層套管可以下得更深,保證水泥漿返至泥線。

2.3.2技術(shù)套管下深優(yōu)化

技術(shù)套管主要用于壓力控制、封固薄弱地層和建立剛性通道，以減少鉆井復(fù)雜情況。根據(jù)表層套管地層承壓試驗(yàn)和下部井段地層壓力系數(shù)情況確定中間技術(shù)套管的下深，φ339.725 mm技術(shù)套管下至鶯歌海組二段厚層泥巖中，較以往同類井下深增加1 000 m，省去φ298.450 mm非常規(guī)尺寸套管。

由于地層壓力起壓快，為避免揭開下部高壓目的層時(shí)引起上部地層漏失的風(fēng)險(xiǎn)，通常會(huì)增加1層技術(shù)套管。通過VSP中途測井，設(shè)計(jì)φ311.150 mm套管下至高壓砂體以上的泥巖蓋層中，距離目的層頂50～70 m，下深約4 000 m左右，封固壓力過渡帶，保證打開儲(chǔ)層時(shí)具有良好的承壓能力。根據(jù)管鞋處的破裂壓力以及目的層壓力系數(shù)，通常采用1個(gè)井段完成所有目的層。與原有井身結(jié)構(gòu)相比，φ244.475 mm套管下深增加，相應(yīng)縮短了φ215.900 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(chǔ)層鉆井提供了良好的井筒環(huán)境，有利于達(dá)到取全取準(zhǔn)地層資料的目的?？紤]非目的層高壓層風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)增加1層φ298.450 mm尾管作為備用方案，保證φ244.475 mm套管下至目的層頂部泥巖。如果表層套管或過渡段地層承壓能力達(dá)不到作業(yè)要求，或是地層情況特別復(fù)雜，為了預(yù)防復(fù)雜地層帶來的不確定因素， 在鉆目的層時(shí)通常增加1層φ177.800 mm尾管，然后用φ149.225 mm井眼完鉆。

根據(jù)上述方法，為指導(dǎo)確定套管下深，結(jié)合預(yù)測壓力剖面、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系數(shù)等資料，保證同一裸眼井段內(nèi)滿足壓力平衡原則，同一裸眼井段井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足以下壓力約束條件：

防噴、防塌

ρmmax≥max{(ρpmax+Δρ)，ρcmax}

(1)

防壓差卡鉆或卡套管

0.009 81(ρmmax-ρpi)Hi≤Δp

(2)

防井漏

ρmax+Sf≤ρfi

(3)

ρmax=ρmmax+max(Sg，ρECD)

(4)

防井涌時(shí)壓漏地層

(5)

式(1)～(5)中：ρmmax為裸眼井段最大鉆井液密度，g/cm3；ρpmax為裸眼井段最大地層孔隙壓力當(dāng)量密度，g/cm3；Δρ為鉆井液密度附加值，g/cm3；ρcmax為裸眼井段的最大地層坍塌壓力當(dāng)量密度，g/cm3；ρpi為計(jì)算點(diǎn)i處的地層孔隙壓力當(dāng)量密度，g/cm3；Δp為防壓差卡鉆的壓差允許值，MPa；ρmax為起下鉆和循環(huán)時(shí)最大鉆井液當(dāng)量密度，g/cm3；Sf為地層破裂安全增值，g/cm3；ρfi為計(jì)算點(diǎn)i處的地層漏失壓力當(dāng)量密度，g/cm3；Sg為激動(dòng)壓力允許值，g/cm3；ρECD為環(huán)空循環(huán)壓耗當(dāng)量密度，g/cm3；Sk為井涌條件壓力允許值，g/cm3；Hpmax為裸眼井段最大地層孔隙壓力當(dāng)量密度對(duì)應(yīng)的頂部井深，m；ρf1i為計(jì)算點(diǎn)i處的地層破裂壓力當(dāng)量密度，g/cm3；Hi為計(jì)算點(diǎn)i處的深度，m。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)上述優(yōu)化方法，結(jié)合鶯-瓊盆地實(shí)際地層資料，優(yōu)化得到了常規(guī)5層次井身結(jié)構(gòu)(φ762.000 mm套管×φ508.000 mm套管×φ339.725 mm套管×φ244.475 mm套管×φ177.800 mm尾管)和6層次井身結(jié)構(gòu)(φ762.000 mm套管×φ508.000 mm套管×φ339.725 mm套管×φ298.450 mm尾管×φ244.475 mm套管×φ177.800 mm尾管),如圖4所示。其中，常規(guī)5層次井身結(jié)構(gòu)適用于垂深3 000～4 000 m中深層高溫高壓井；6層次井身結(jié)構(gòu)適用于垂深4 000～4 500 m壓力窗口極窄或負(fù)壓力窗口的深層高溫超壓井，該層次井身結(jié)構(gòu)通過不增加開鉆尺寸、減小完鉆尺寸，采用增加1層φ298.450 mm技術(shù)尾管封隔薄弱地層來達(dá)到安全鉆進(jìn)目的。上述2種井身結(jié)構(gòu)若中途提前下套管，則啟用φ149.250 mm備用小井眼。

圖4 鶯-瓊盆地優(yōu)化后的5層次、6層次井身結(jié)構(gòu)

優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于鶯-瓊盆地復(fù)雜壓力層系探井中，截至2017年6月，所鉆探的39口中深層及深層高溫高壓井均取得了良好效果，一方面降低了井下復(fù)雜情況，確保了安全鉆井作業(yè)，另一方面為提高機(jī)械鉆速、縮短鉆井周期奠定了基礎(chǔ)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，39口探井平均鉆井周期為52 d，與同區(qū)塊探井相比平均減少了123 d。鶯-瓊盆地復(fù)雜壓力層系下井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后現(xiàn)場實(shí)施效果對(duì)比情況見表1。

表1 鶯-瓊盆地復(fù)雜壓力層系下井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后作業(yè)情況對(duì)比

4 結(jié)論

1) 綜合考慮鶯-瓊盆地目的層深度、地層三壓力剖面、必封點(diǎn)、鉆井復(fù)雜情況、測試方案、鉆井成本等因素，優(yōu)化得到了該地區(qū)復(fù)雜壓力層系井身結(jié)構(gòu)：①對(duì)于垂深3 000～4 000 m中深層高溫高壓井,通過優(yōu)化表層套管和技術(shù)套管的下入深度，避免使用非常規(guī)套管層次，優(yōu)化為5層次常規(guī)套管程序井身結(jié)構(gòu)；②對(duì)于垂深4 000～4 500 m壓力窗口極窄或負(fù)壓力窗口的深層高溫超壓井，通過增加1層φ298.450 mm技術(shù)尾管封隔薄弱地層，不增加開鉆尺寸、減小完鉆尺寸，優(yōu)化為6層次常規(guī)套管程序井身結(jié)構(gòu)；③上述2種井身結(jié)構(gòu)若中途提前下套管，則啟用φ149.225 mm備用小井眼。

2) 優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)已在鶯-瓊盆地39口中深層及深層高溫高壓井鉆井中取得成功應(yīng)用，鉆井周期大幅降低，作業(yè)時(shí)效大幅提高，具有較好的應(yīng)用推廣價(jià)值。

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