基于漏失壓力極限法的壓力衰竭氣藏大位移水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

李忠慧 李 中 方滿宗 樓一珊 陳浩東 劉 杰

1.“ 油氣鉆井技術(shù)”國家工程實驗室·長江大學石油工程學院2. 中海石油（中國）有限公司湛江分公司 3. 中國石油吐哈油田公司吐魯番采油廠

井身結(jié)構(gòu)不僅關(guān)系到鉆井、完井工程的整體效益，也關(guān)系到生產(chǎn)層的保護和產(chǎn)能的維持，直接影響到整個油氣井的質(zhì)量和使用壽命。大位移水平井具有水平位移大，水垂比高，裸眼井段長的特點，鉆下部地層時上部裸眼井段容易被壓裂[1,2]；壓力衰竭地層易發(fā)生井漏、井塌等井下復雜情況，其主要原因是油氣壓力下降后巖石特性參數(shù)以及地應力發(fā)生改變，表現(xiàn)在井眼坍塌壓力、破裂壓力的變化。當在壓力衰竭地層進行大位移水平井鉆進時，由于地層坍塌壓力、破裂壓力的改變，常規(guī)的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法不能滿足工程需要。筆者針對壓力衰竭地層大位移水平井鉆井特點，建立了適合于壓力衰竭地層大位移水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，并將該方法應用于南海北部灣鶯歌海盆地東方1-1氣田，取得了很好的應用效果，研究結(jié)果為壓力衰竭地層大位移水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一定的理論依據(jù)。

1 衰竭儲層井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化難點和對策

目前，大位移水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計多參照直井和定向井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，未充分考慮水平段動態(tài)壓力的影響，導致在水平段鉆井過程中容易發(fā)生漏失，降低了鉆井效率并增大了鉆井成本。覃成錦等[3-10]學者依據(jù)水平井鉆井過程中水平段的井筒環(huán)空動態(tài)壓力特點，提出了一種壓漏校核新方法，該方法將環(huán)空動態(tài)壓力計算納入水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計中進行考慮，逐段進行環(huán)空動態(tài)壓力計算與校核，通過尋找壓漏臨界點來確定套管下入深度，并根據(jù)鉆井實踐經(jīng)驗優(yōu)化水平井井身結(jié)構(gòu)，提高了水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計的科學性。竇玉玲運用系統(tǒng)分析方法研究大位移井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計，該方法增加了水力性能、扭矩極限、井眼穩(wěn)定性、套管下入可行性等相關(guān)評價，利用實現(xiàn)井眼清潔對應的系統(tǒng)壓耗、鉆井液當量循環(huán)密度、鉆進或下套管過程中可能產(chǎn)生的最大扭矩、預計的最大井徑擴大率以及套管下入過程中最小大鉤載荷等參數(shù)作為校核參數(shù)，對傳統(tǒng)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計思路進行了完善，并給出了相應的約束方程。

總體來說，基本原理是根據(jù)裸眼井段內(nèi)壓力平衡關(guān)系確定每層套管的下深，其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括地層三個壓力剖面、鉆進環(huán)空流體動態(tài)的6個基礎(chǔ)參數(shù)[8]。其基本思路是根據(jù)壓力平衡關(guān)系確定出井身結(jié)構(gòu)方案，即采用坍塌壓力、孔隙壓力的最大值作為下限，破裂壓力的最小值作為上限，針對常規(guī)地層，此種方法能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)質(zhì)安全鉆井，然而，針對壓力衰竭地層，由于壓力衰竭導致地層地應力發(fā)生變化，沿用常規(guī)大位移水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法易出現(xiàn)卡鉆、坍塌、漏失等復雜情況。針對壓力衰竭后坍塌壓力、漏失壓力的變化，筆者將井筒最大液柱壓力與漏失壓力平衡作為初步確定套管下深的約束條件，同時考慮鉆井液當量循環(huán)密度（ECD）的影響，對儲層段壓力衰竭的大位移水平井井身結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計。

2 衰竭儲層井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程方法

針對壓力衰竭地層，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計原則是在裸眼段鉆進中及井涌壓井時不發(fā)生井漏，并在鉆進和下套管時不發(fā)生壓差卡鉆事故。

2.1 壓力衰竭后地層漏失壓力計算模型的建立

儲層在壓力衰竭過程中有體積收縮的趨勢，但在圍巖的影響下，產(chǎn)層的橫向變形受到限制，體積收縮的趨勢轉(zhuǎn)化為應力減小，最終結(jié)果是導致水平向地應力發(fā)生改變，儲層壓力衰減后，假設(shè)流體壓力的改變只引起地層垂向變形，在水平面內(nèi)的變形為零，且認為壓力衰減過程中上覆主應力保持恒定，根據(jù)廣義胡克定律，可求得地層壓力降低Δp后的地應力計算模型如式（1）所示[13-14]：

式中σH、σh、σv表示原始最大、最小水平、垂直地應力，MPa；如果儲層流體壓力降低，為負號，表示地應力減小，如果儲層流體壓力升高，為正號，表示地應力增加；μ表示泊松比，無量綱；α表示有效應力貢獻系數(shù)，無量綱；Δpp表示地層壓力變化量，MPa；ω1，ω2為構(gòu)造應力系數(shù)。

鉆井中發(fā)生井漏的原因除地層被壓裂之外，還有由于壓差較大在高滲透率儲層、斷層及不整合面等情況，或者由于鄰近斷層附近的地層自身存在裂縫、裂縫重張和延伸造成井漏，此時認為漏失壓力等于水平最小主地應力，其數(shù)值的大小可通過建立地應力計算模型獲得[15]。在壓力衰竭地層中鉆進時，很容易出現(xiàn)漏失等復雜情況[16-17]，因此本研究取漏失壓力作為井內(nèi)壓力平衡的上限，其值等于水平最小主地應力。

2.2 當量循環(huán)密度的確定

鉆井液當量循環(huán)密度為鉆井液的當量靜態(tài)密度與鉆井液流動造成的環(huán)空壓力損失之和[11]。

式中ECD表示當量循環(huán)鉆井液密度，g/cm3；ESD表示當量靜態(tài)密度，g/cm3；papl表示井深H處環(huán)空壓耗，MPa；H表示垂深，m。

根據(jù)式（2），在確定了ESD之后，還需建立鉆井循環(huán)期間環(huán)空壓力損耗的計算模型。水平井的環(huán)空動態(tài)壓耗大小受鉆井液密度、黏度、排量、井眼尺寸與鉆柱尺寸等影響。論文采用冪律模式，在工程精度允許的范圍內(nèi)對循環(huán)系統(tǒng)的流動問題進行適當簡化。

當流態(tài)為層流時，環(huán)空井段的壓耗為：

當流態(tài)為紊流時，環(huán)空井段的壓耗為：

2.3 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計過程

2.3.1 水平段鉆進發(fā)生壓漏的計算判斷

井底不被壓漏的最大允許壓力增量為：（5）

把式（5）計算結(jié)果與式（3）或式（4）計算的井底環(huán)空壓耗進行比較，即可判斷是否會發(fā)生壓漏。

2.3.2 壓漏情況下是否采用套管封隔的判斷

如果水平段鉆進經(jīng)初步校核papl大于等于Δpz，水平井眼會被壓漏，是否采取套管封隔方案，主要從以下兩個方面做出綜合評估判斷：①考慮目前的鉆井技術(shù)水平及處理壓漏復雜情況的技術(shù)措施等。②對鉆井液密度與性能進行調(diào)整，以減小環(huán)空壓耗來避免或減輕壓漏。

經(jīng)上述評估后仍然不能避免壓漏情況，那么只能增加一層套管，計算步驟如下：

1）井底不發(fā)生井涌的最大允許壓力降低值計算為：

式中Δpm表示保證井底不發(fā)生井涌的最大允許壓力降低值，MPa；ρm、ρp、Δρm分別表示鉆井液密度、地層孔隙壓力當量密度、鉆井液密度附加值，g/cm3。

2）計算井底的環(huán)空壓耗（Δpb2）

根據(jù)調(diào)整后的鉆井液密度與性能參數(shù)，按不同的流態(tài)選擇式（3）或式（4）計算井底的環(huán)空壓耗Δpb2，再與式（6）計算的井涌最大允許壓力降低值結(jié)果進行比較，如果Δpm大于等于Δpb2，表明由調(diào)整鉆井液的技術(shù)措施減小的井底壓力可以抵消鉆井液循環(huán)引起的環(huán)空壓耗，能夠滿足安全鉆到井底的要求；如果計算結(jié)果仍不能滿足，則采用套管封隔技術(shù)方案。

2.3.3 計算壓漏臨界點深度

隨著水平段的延伸，其水平段中必然存在某一點處的環(huán)空壓耗（Δpb2）增大至由調(diào)整鉆井液的技術(shù)措施而降低的靜液壓力（Δpm），該點即為壓漏臨界點深度[18]，即套管下入深度。由于計算復雜，該點深度需進行計算機迭代計算。

2.3.4 增加套管層次的壓漏校核

經(jīng)計算壓漏臨界點深度不能鉆達設(shè)計深度，需要增加套管層次，則需要按照上述步驟對新設(shè)計的環(huán)空進行壓漏校核，直至壓耗計算結(jié)果滿足要求為止。

3 實例分析

東方1-1氣田位于南海北部鶯歌海海域，區(qū)域構(gòu)造位置為鶯歌海盆地中央泥底辟構(gòu)造帶北部。隨著油氣田持續(xù)采出地層流體（油、氣、水等），地層壓力出現(xiàn)大幅度衰竭，根據(jù)氣田生產(chǎn)中實測數(shù)據(jù)，至2014年，Ⅲ上氣組部署井段地層壓力系數(shù)已由原始的1.03下降至0.95，Ⅱ下氣組部署井段地層壓力系數(shù)下降至0.46，Ⅰ氣組部署井段壓力系數(shù)下降至0.80。

3.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計系數(shù)確定

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理與否，其中一個重要的決定因素是設(shè)計中所用到的抽汲壓力系數(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。通過分析處理東方1-1氣田已鉆井（9口井）的錄井、井史、地質(zhì)等資料，根據(jù)計算模型，確定了壓力衰竭后的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計系數(shù)如表1、2所示。

3.2 壓力衰竭后地層坍塌壓力、漏失壓力、破裂壓力分布規(guī)律

根據(jù)定向井井壁穩(wěn)定分析計算模型，考慮壓力衰竭對地應力，破裂壓力，坍塌壓力的影響，應用東方1-1氣田實際鉆井資料及測井資料，得到大位移井壓力衰竭后的井眼地層4個壓力剖面，如圖1所示。

表1 東方1-1氣田已鉆井抽吸壓力系數(shù)、激動壓力系數(shù)取值表

表2 東方1-1氣田已鉆井破裂壓力安全系數(shù)、井涌允量和壓差卡鉆允值取值范圍表

圖1 大位移井壓力衰竭后井眼地層4個壓力剖面圖

3.3 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果

根據(jù)對東方1-1氣田已完鉆井使用井身結(jié)構(gòu)適用性分析，相對現(xiàn)今存在壓力衰竭多套壓力系統(tǒng)的地層，傳統(tǒng)的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計存在一定的缺陷，尤其在壓力衰竭地層中容易出現(xiàn)卡鉆、漏失等復雜情況。這些復雜地層必須及時地進行封隔，即必須確定必封點的位置，尋求一種更為有效地井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。結(jié)合井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，利用傳統(tǒng)的自下而上井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的計算結(jié)果，融入自上而下井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的設(shè)計思想，對東方1-1氣田擬鉆井套管層次以及下深進行優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計結(jié)果見表3。

表3 東方1-1氣田擬鉆井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方案表

從表3中可以看出，根據(jù)力學平衡原理優(yōu)化設(shè)計的井身結(jié)構(gòu)能夠滿足壓力衰竭地層大位移井的安全鉆井，但?339.7 mm套管下深較大，在實際工程過程中要考慮下套管的摩阻問題。

卡鉆、漏失校核結(jié)果如表4所示，從中可以看出，采用優(yōu)化的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，不會發(fā)生卡鉆、漏失等問題。

表4 擬鉆井井身結(jié)構(gòu)條件下卡鉆、漏失校核結(jié)果表

4 結(jié)論與建議

1）壓力衰竭地層鉆井復雜事故以井漏為主，在進行井身結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中應以漏失壓力作為主要考慮因素，因此提高地層壓力預測精度顯得尤為重要。

2）在大位移水平井地層進行井身結(jié)構(gòu)設(shè)計，考慮到裸眼井段長，水垂比大的特點，應當計算鉆井液循環(huán)當量密度。

3）對該地區(qū)地層情況進行綜合研究，得出了壓力衰竭地層合理的井身結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了套管程序，降低了鉆井成本，并減少了鉆井過程中漏、噴、塌、卡等復雜情況的發(fā)生，研究結(jié)果為壓力衰竭地層大位移水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了科學的理論依據(jù)。