紅153井區(qū)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用

朱忠喜，李思豪，關(guān)志剛，雷萬(wàn)能，陳偉峰

(1油氣鉆井技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室防漏堵漏技術(shù)研究室2長(zhǎng)江大學(xué)(武漢校區(qū))石油工程學(xué)院3新疆油田公司工程技術(shù)研究院4塔里木油田油氣田產(chǎn)能建設(shè)事業(yè)部)

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是鉆井工程設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是涉及各種因素的一個(gè)系統(tǒng)工程［1］，針對(duì)準(zhǔn)格爾盆地紅153井區(qū)地層特點(diǎn)的、試用非常規(guī)套管系列井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)推薦方案與實(shí)施技術(shù)對(duì)策［2］，由壓力平衡關(guān)系(地層孔隙壓力、地層破裂壓力等)、工程約束條件(垮塌井段、漏失井段和套管擠毀井段等)、事故發(fā)生概率等相關(guān)因素即可得出合理的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案［3－4］。

一、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響因素

1．地層巖性特征

紅153井區(qū)目的層為二疊系夏子街組，侏羅系和二疊系地層薄弱，儲(chǔ)層裂縫發(fā)育，以斜交縫為主，其次為高角度的直劈縫，承壓能力較低，裂縫分布復(fù)雜、規(guī)律性差，又受到觀測(cè)、探測(cè)手段以及研究方法的限制，鉆井過(guò)程中特別容易發(fā)生漏失［5］。

并且侏羅系中頭屯河組為砂巖、夾薄層泥巖、粉質(zhì)砂巖，二疊系夏子街組中部含有大段砂礫巖、泥巖互層。裂縫型地層承壓能力低，含有夾層地層又易發(fā)生掉塊、卡鉆、甚至發(fā)生井塌等復(fù)雜情況，導(dǎo)致目的層夏子街組地層壓力窗口較窄，對(duì)鉆井液設(shè)計(jì)選擇要求較高［6］。

2．地層壓力評(píng)價(jià)

2．1地層孔隙壓力

對(duì)已完鉆井的測(cè)井資料、地破、試油、巖性分析與計(jì)算，建立了紅153區(qū)塊地層三壓力剖面［7］，如圖1。

圖1地層壓力評(píng)價(jià)

地層孔隙壓力是地應(yīng)力模型中重要的地質(zhì)參數(shù)。以測(cè)井資料為基礎(chǔ)，選用欠壓實(shí)理論，結(jié)合等效深度理論并通過(guò)GMI軟件計(jì)算紅153井的地層孔隙壓力。侏羅系以上地層為正常壓力系統(tǒng)，三疊系克拉瑪依組為壓力過(guò)渡帶，二疊系烏爾禾至夏子街組為異常高壓地層，目的層夏子街組地層孔隙壓力當(dāng)量密度1．18～1．26 g/cm3，鉆井液密度小于1．26 g/cm3易塌，密度大于1．30 g/cm3又易漏，安全密度窗口過(guò)窄，易發(fā)生鉆井復(fù)雜事故。

2．2地層破裂壓力

最小水平主應(yīng)力無(wú)論在鉆井還是壓裂工程應(yīng)用方面，都表現(xiàn)得極為重要。鉆井工程中，最小水平主應(yīng)力可以作為破裂壓力用來(lái)衡量地層發(fā)生破裂的能力［8］，特別是對(duì)于裂縫性地層極為重要。

通過(guò)測(cè)井經(jīng)驗(yàn)公式法［9］計(jì)算的最小水平主應(yīng)力結(jié)果侏羅系和三疊系上部存在低承壓情況，最小水平主應(yīng)力當(dāng)量密度最低約為1．50 g/cm3左右;白堊系和二疊系烏爾禾組地層地層最小水平主應(yīng)力當(dāng)量密度相對(duì)較高，地層最小水平主應(yīng)力當(dāng)量密度1．70～1．90 g/cm3。二疊系夏子街組地層承壓能力低，最小水平主應(yīng)力當(dāng)量密度1．50～1．60 g/cm3左右。通過(guò)GMI軟件分析計(jì)算，與地破壓力試驗(yàn)數(shù)基本吻合。如圖1所示，三疊系克拉瑪依組下部及二疊系烏爾禾組為壓力過(guò)渡帶，烏爾禾組壓力開(kāi)始抬升，至夏子街組壓力達(dá)到最大。

在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，探井地質(zhì)設(shè)計(jì)不可能準(zhǔn)確提供全井的地層孔隙壓力和破裂壓力梯度曲線，因此在井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)對(duì)地質(zhì)不確定性預(yù)留一定的變化空間，這也是鉆井工程設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)［10］。

3．巖石力學(xué)特性剖面

利用測(cè)井資料及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)回歸分析，建立典型井地層巖石力學(xué)特性剖面。

圖2紅153井地層巖石力學(xué)特性剖面

如圖2，侏羅系齊古組到八道灣組，單軸抗壓強(qiáng)度10～60 MPa、內(nèi)摩擦角度20°～36°、巖石可鉆性2～5級(jí)。巖石強(qiáng)度較低，為軟、中硬巖石。三疊系白堿灘組到下克拉瑪依組，單軸抗壓強(qiáng)度10～110 MPa、內(nèi)摩擦角度25°～39°、巖石可鉆性2．1～5．4級(jí)，為中硬巖石，上烏爾禾組到夏子街組，單軸抗壓強(qiáng)度30～200 MPa、內(nèi)摩擦角度33°～45°、巖石可鉆性4～7級(jí)，為中硬、硬巖石。

4．勘探階段鉆井的時(shí)效統(tǒng)計(jì)

紅153井區(qū)域地層巖性復(fù)雜，鉆井提速難度大，2015年及以前的針對(duì)巖性較為復(fù)雜的二疊系、三疊系鉆井周期較長(zhǎng)，機(jī)械鉆速較慢，嚴(yán)重制約了該區(qū)域的經(jīng)濟(jì)高效開(kāi)發(fā)。

二、井身結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

1．鉆井難點(diǎn)

(1)地層壓力系統(tǒng)復(fù)雜，侏羅系和三疊系地層承壓能力較低，易發(fā)生井漏、卡鉆等復(fù)雜情況;目的層二疊系夏子街組儲(chǔ)層裂縫發(fā)育，鉆井過(guò)程中易發(fā)生漏失，鉆井液選擇難度較大。

(2)三疊系克拉瑪依組、目的層二疊系夏子街組巖石強(qiáng)度大，機(jī)械鉆速慢，鉆頭選型難度大。

(3)鉆井提速問(wèn)題尚未完全解決，該區(qū)表現(xiàn)出鉆井周期長(zhǎng)鉆井投資高等問(wèn)題，制約了該區(qū)的經(jīng)濟(jì)高效開(kāi)發(fā)。

2．井身結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

2016年以前，克拉瑪依紅嘴山井區(qū)主要為三開(kāi)鉆井，主要采用以下井身結(jié)構(gòu):?339．73 mm+?244．84 mm+?139．7 mm。以上井身結(jié)構(gòu)沿用多年，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況的跟蹤分析，該井身結(jié)構(gòu)存在以下問(wèn)題:①正常壓力系統(tǒng)的中深井，三開(kāi)井比例過(guò)高，井身結(jié)構(gòu)過(guò)于單一，鉆井提速困難;②鉆頭多為牙輪，不能更好適應(yīng)地下環(huán)境，易發(fā)生復(fù)雜情況;③鉆井液處理不當(dāng)，易發(fā)生漏失垮塌等復(fù)雜情況。

優(yōu)化方案應(yīng)保證含有淺油氣層區(qū)塊的井身結(jié)構(gòu)最優(yōu)，既滿足安全鉆井的需要，同時(shí)又使井身結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)。

三、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

1．復(fù)雜預(yù)防技術(shù)對(duì)策

153井區(qū)復(fù)雜事故原因主要是在侏羅系、三疊系有大段泥巖地層，易導(dǎo)致井壁失穩(wěn)擴(kuò)徑外，泥巖吸水膨脹縮徑或脫落，容易造成阻卡等情況。二疊系夏子街組的大段砂礫巖，裂縫發(fā)育，以斜交縫為主，其次為高角度的直劈縫，裂縫易發(fā)生置換性漏失。

在鉆至這些井段前應(yīng)做好預(yù)防和處理井漏時(shí)的物資準(zhǔn)備，備有足夠的鉆井液、水、堵漏、配漿材料、處理劑，及相應(yīng)配、供漿設(shè)施［11］。并且提前準(zhǔn)備好堵漏材料。處理好鉆井液性能，盡可能提前加足隨鉆堵漏材料和封堵類瀝青材料，使鉆井液在井壁一次性形成優(yōu)質(zhì)封堵濾餅，減小漏失的可能性。在操作方式上應(yīng)控制下鉆速度，每下一柱不能少于30 s，防止下鉆速度快產(chǎn)生激動(dòng)壓力過(guò)大壓漏地層。

若已發(fā)生井漏，提鉆至安全井段，根據(jù)漏失速度情況選用適當(dāng)?shù)亩侣┎牧吓渲贫侣┿@井液，同時(shí)可考慮適當(dāng)降低鉆井液密度，增加一定量的封堵材料，增強(qiáng)鉆井液的封堵能力。堵漏漿泵入漏層后是否加回壓，應(yīng)根據(jù)井上具體情況確定。若漏點(diǎn)無(wú)法確定，采用全循環(huán)周堵漏。采用帶堵漏材料防漏漿施工應(yīng)間斷篩除部分已膨脹的堵漏材料，補(bǔ)充新的堵漏材料［12］。

其中針對(duì)紅153井區(qū)已鉆井施工中存在的井漏復(fù)雜及提高地層承壓能力困難的技術(shù)難題，有針對(duì)性的研究實(shí)施了旨在提高堵漏成功率及地層承壓能力的新型堵漏劑KZ系列堵漏劑現(xiàn)場(chǎng)堵漏運(yùn)用配方。現(xiàn)場(chǎng)堵漏作業(yè)采用10%～12%(KZ－2+KZ－4+KZ－5+核桃殼)方式堵漏，引入剛性離子堵漏劑、大小顆粒復(fù)配堵漏，成功率高［13］。

2．鉆頭優(yōu)選

建立典型井地層巖石力學(xué)特性剖面，分析了下部地層的抗鉆特性，運(yùn)用鉆頭選型通用方法［14－15］，為該區(qū)鉆頭優(yōu)選提供理論依據(jù)。

在白堿灘組(T3b)之上，巖石力學(xué)特性較為平穩(wěn)，而PDC鉆頭的優(yōu)勢(shì)特性，可以充分發(fā)揮“一趟鉆”完成一種尺寸的井眼鉆進(jìn)工作，提高鉆井效率。

巖石力學(xué)性質(zhì)自上克拉瑪依組之后有較大的變化，應(yīng)選擇破巖效率較高的PDC鉆頭，鉆時(shí)較牙輪鉆頭少，減少上部井壁鉆井液浸泡時(shí)間，減少?gòu)?fù)雜情況發(fā)生。

關(guān)于鉆頭選型，需要考慮巖性特征。目的層上部巖石強(qiáng)度一般，但是巖性較為復(fù)雜，如侏羅系頭屯河組為砂巖、夾薄層泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，則鉆頭就需要選擇穿夾層能力及抗沖擊能力較好的PDC鉆頭。由圖2可見(jiàn)，夏子街組巖石強(qiáng)度較大。所以應(yīng)選擇5到7刀翼鉆頭，但是刀翼越多鉆速越慢，增加井壁漏失、垮塌的風(fēng)險(xiǎn)，這也是需要考慮的問(wèn)題。夏子街組巖性多以礫石，砂礫為主，巖石強(qiáng)度較大，選用胎體鉆頭較好，而且層位中部巖性為砂礫巖和泥巖交互，所以對(duì)鉆頭抗壓強(qiáng)度要求較大，鉆頭冠部形狀選擇中拋物線形較好。

二開(kāi)上部鉆進(jìn)推薦鉆頭為MS1952SS、MS1652，可快速通過(guò)夾層，下部為M1653SS和GS1605TZ，其特點(diǎn)是五刀翼，切削齒尺寸為16 mm，冠部形狀為中拋物線型，抗研磨性強(qiáng)。

四、井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)紅153井區(qū)已鉆井的井身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，侏羅系及以上地層大段泥巖層，塑性大，易縮徑、阻卡頻繁，采用二開(kāi)復(fù)合井眼井身結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

表1井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

表1中一開(kāi)表層套管下深至300 m，水泥漿返至地面，封隔上部松散易塌地層，并為井口控制和后續(xù)安全鉆井創(chuàng)造條件。二開(kāi)鉆頭優(yōu)化為?241．3 mm PDC鉆頭，鉆至2 000 m，之后更換?215．9 mm PDC鉆頭鉆達(dá)設(shè)計(jì)井深。上克拉瑪依組至地表巖石性質(zhì)較為平穩(wěn)，選用穿夾層能力以及抗沖擊能力較好的PDC鉆頭，大大提高了機(jī)械鉆速，減小復(fù)雜情況發(fā)生的可能性。并且鉆至2 000 m后，更換?215．9 mm 5刀翼PDC鉆頭，提高破巖效率，大大縮短鉆井周期，充分避免上部井段縮徑造成的風(fēng)險(xiǎn)。

一開(kāi)采用塔式鉆具組合，二開(kāi)以單鐘擺防斜鉆具組合為主，嚴(yán)格控制鉆井參數(shù)，保證井身質(zhì)量。

五、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在保證安全鉆井的前提下，優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案將3層的井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化到2層(見(jiàn)圖3)，在2016年紅153井區(qū)完鉆井14口，其中13口采用該系列，通過(guò)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)鉆井提速技術(shù)攻關(guān)。通過(guò)項(xiàng)目研究，平均鉆井周期由前期的57 d縮短為目前的26．63 d，縮短53．3%;全井段平均機(jī)械鉆速由前期的6．5 m/h提高到10．6 m/h，提高63．07%;夏子街組地層平均機(jī)械鉆速由前期的2．01 m/h提高到4．27 m/h，提高112.43%，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，見(jiàn)表2。

表2優(yōu)化效果對(duì)比

六、結(jié)論及建議

(1)通過(guò)測(cè)井資料結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析，系統(tǒng)了解紅153井區(qū)巖石特性。侏羅系、三疊系含有大段致密泥巖層，而二疊系夏子街組巖性以礫石、砂礫為主，微裂縫特別發(fā)育，井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化難度大。

(2)針對(duì)地層特征的研究，把原有三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化為二開(kāi)復(fù)合井眼井身結(jié)構(gòu)，完善復(fù)雜預(yù)防技術(shù)對(duì)策，結(jié)合優(yōu)選鉆具，實(shí)現(xiàn)二開(kāi)?241．3 mm PDC鉆頭“一趟鉆”，之后更換?215．9 mm PDC鉆頭“一趟鉆”鉆達(dá)設(shè)計(jì)井深，充分避免上部井段縮徑導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)。

(3)根據(jù)紅153井區(qū)地質(zhì)環(huán)境，完成井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，鉆井周期縮短53．3%，機(jī)械鉆速提高112．43%，復(fù)雜時(shí)率在優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)前后略有降低，井身結(jié)構(gòu)由三開(kāi)簡(jiǎn)化為二開(kāi)未引起復(fù)雜時(shí)率升高，井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化合理有效。