渤海深層鉆井技術(shù)優(yōu)化與實踐

周長所

（中海油研究總院有限責任公司，北京 100028）

渤海深層鉆井面臨著諸多困難與挑戰(zhàn)。如因埋藏深而帶來的高溫，甚至是超高溫，因深部巖性帶來的過高的地層強度等。如渤中凝析氣田，是近年來華北地區(qū)發(fā)現(xiàn)的一大型海上氣田，其油氣資源的高效開采對華北地區(qū)天然氣能源的供應具有重要意義。但該氣田目的層為太古界潛山，儲層埋藏深大于4 700 m，部分構(gòu)造儲層埋深超過5 000 m；開發(fā)井區(qū)地層溫度超過170 ℃，部分井區(qū)地層溫度超過200 ℃；潛山屬于裂縫型花崗片麻巖儲層，具有強研磨性、可鉆性極差等特點的同時又極易發(fā)生漏失，上述困難直接制約了鉆井時效，影響氣田高效開發(fā)。為降低井下復雜情況的發(fā)生，提高各井段鉆井時效，確保鉆井作業(yè)安全，需要針對氣田鉆井作業(yè)面臨的主要難點開展具有針對性的技術(shù)優(yōu)化工作[1]。

1 巖石強度實驗研究及分析

為提高井身結(jié)構(gòu)設計的科學性、提高鉆頭破巖效率，對目標氣田取得的巖心開展了巖石強度實驗研究，并根據(jù)實驗結(jié)果，建立了地層強度剖面，為井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化及各井段鉆井提速，提供設計基礎。

1.1 巖石強度實驗

實驗用巖心為φ25 mm 的圓柱形試樣，巖樣的長徑比為1.8～2.0。取心在常溫下進行，用煤油作為循環(huán)冷卻液，以防巖心性質(zhì)發(fā)生變化。開展單軸實驗時，直接利用液壓機對巖心施加軸向載荷。本文巖心三軸強度的測量采用業(yè)內(nèi)普遍采用的常規(guī)三軸壓縮實驗方法，即采用圓柱形巖樣，在其橫向施加液體圍壓，使得巖心水平的兩個主方向上的應力相等且等于圍壓，然后開啟液壓機給試樣施加軸向載荷，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集記錄加載過程中巖樣的應力和應變，直至巖樣產(chǎn)生破壞，停止加載。

三軸應力實驗數(shù)據(jù)經(jīng)計算機處理后，可得到兩條應力-應變曲線，通過式（1）、（2）可計算巖心的彈性模量及泊松比參數(shù)。

表1 實驗及計算得到的巖石力學參數(shù)

式中：E-彈性模量，MPa；υ-泊松比，無量綱；Δσa-軸向應力增量；Δεa-軸向應變增量；Δεr-徑向應變增量。

實驗及計算得到的巖石力學參數(shù)結(jié)果（見表1）。

1.2 地層強度分布規(guī)律及剖面

僅靠有限的巖心強度實驗數(shù)據(jù)無法建立沿深度連續(xù)分布的縱向的強度剖面，依據(jù)測井資料，利用適合于區(qū)域的半經(jīng)驗公式及模型計算縱向巖石強度參數(shù)剖面，然后根據(jù)巖心強度實驗數(shù)據(jù)校正剖面，從而建立起相對準確的地層強度剖面。本文建立目標氣田地層強度剖面（見圖1）。

2 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

目標氣田儲層埋深4 300 m～5 200 m，上部明化鎮(zhèn)與館陶組地層，鉆井常見阻卡、掉塊；東營組上部常見阻卡，東營組下段地層壓力逐步上升，最高壓力系數(shù)達到1.52，東營組和沙河街主要為泥巖，地層壓力系數(shù)在進入儲層后恢復到1.15 左右，潛山儲層巖性主要為花崗片麻巖。為實現(xiàn)氣藏高效開發(fā)，采用水平井開發(fā)，井身結(jié)構(gòu)設計需要考慮因素如下：（1）單個井段裸眼段長度及效率；（2）復雜地層及異常壓力封隔；（3）水平井水平段精確入窗。

根據(jù)上述條件及設計要點，優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)如下：選用Φ508 mm 套管作為表層套管，封固上部松軟地層、建立井口，下入深度在400 m～500 m，為下部井段鉆進提供足夠的地層承壓能力；采用Φ339.7 mm 套管作為技術(shù)套管，下至明化鎮(zhèn)中下部承壓能力強的地層，本井段不宜過深，過長時間的鉆井液循環(huán)會對上部套管鞋處造成嚴重沖刷，影響上層套管鞋處承壓能力，同時該井段鉆頭繼續(xù)深鉆，機械鉆速會顯著下降，反而降低鉆井時效；采用Φ244.5 mm 套管下至東營組地層高壓層頂部，封隔高壓層上部地層，防止復雜地層以及異常壓力地層同時鉆進；采用Φ177.8 mm 尾管下至潛山面穩(wěn)斜段，封固上部高壓層及沙河街地層，為鉆開潛山儲層、確保儲層保護創(chuàng)造條件；選用Φ152.4 mm 鉆頭鉆進潛山儲層裸眼段，下入割縫管支撐儲層井眼[2-4]。

圖1 目標氣田開發(fā)井區(qū)地層強度剖面

3 鉆井提速技術(shù)

根據(jù)得到的地層強度剖面及可鉆性極值剖面，制定了開發(fā)井各井段鉆井提速技術(shù)措施：

（1）Φ406.4 mm 井段：該井段主要鉆穿上部地層，巖石強度較低（單軸抗壓強度在1.3 MPa～11.3 MPa），可鉆性較好（地層可鉆性極值范圍為1～4.5，屬于較軟地層），該井眼優(yōu)選強攻擊性PDC 鉆頭（19 mm 切削齒、5 刀翼），配合大尺寸電動機鉆進，使用上述提速技術(shù)使得該井段鉆井機械鉆速達到了71 m/h，相比初期鉆井ROP 提高了一倍。

（2）Φ311.15 mm 井段：該井段主要鉆穿目標氣田中上部地層，巖石強度逐漸提高（單軸抗壓強度由12 MPa 提高到38.5 MPa），巖石可鉆性范圍在3.5～6，鉆遇地層以泥巖為主，針對該井段優(yōu)化采用高轉(zhuǎn)速電動機進行提速，同時配合使用防泥包的水力優(yōu)化PDC 鉆頭，通過上述措施，使得該井段ROP 由最初的17 m/h，提高到了27 m/h。

（3）Φ215.9 mm 井段：該井段鉆遇地層主要是東營組及沙河街組，地層強度及研磨性逐步加強（地層抗壓強度最高可達18 MPa～98 MPa，地層可鉆性極值逐漸提高到8，屬于中硬地層），鉆頭使用需要同時考慮防泥包及保徑，因此在鉆頭優(yōu)選上，選擇6 刀翼水力優(yōu)化防泥包PDC 鉆頭，優(yōu)化設計采用復合沖擊提速工具進行提速，通過上述技術(shù)手段，該井段鉆井機械鉆速由4.5 m/h 提高到12 m/h。

（4）Φ152.4 mm 井段：用于打開儲層，鉆遇地層為潛山儲層，巖性為花崗片麻巖。該地層強度及研磨性極高（部分井區(qū)地層抗壓強度最高可達120 MPa），地層可鉆性極差（可鉆性極值在7～10，屬于硬到超硬地層），該井段采用扭力沖擊器及配套PDC 鉆頭技術(shù)進行提速，使得該井段平均機械鉆速由1.9 m/h 提高到3.9 m/h[5-7]。

目標氣田已完成鉆井11 口，通過上述技術(shù)優(yōu)化，11 口井在井深不斷加深的條件下，鉆井工期有明顯降低，鉆井時效提高顯著。鉆井周期由最初的88.8 d，降低到目前的62.0 d，提高作業(yè)時效30 %。

4 井筒溫度場及井口安全分析

生產(chǎn)過程中井筒溫度的準確模擬，對高溫井的套管柱設計、固井方案設計至關(guān)重要。高溫生產(chǎn)井隨著生產(chǎn)過程的進行，導致沿井深各層套管的溫度上升，而溫度的升高會導致鋼材屈服強度的下降。同時，井筒環(huán)空會因為溫度的升高逐漸產(chǎn)生圈閉壓力，高達到幾十兆帕的圈閉壓力對套管及生產(chǎn)封隔器會造成嚴重的威脅。高溫除了給套管強度帶來影響外，還會引起套管的伸長及井口抬升。海上井口抬升的處理措施有限，且影響重大，因此針對開發(fā)井的井口抬升預測對確保高溫生產(chǎn)井的安全至關(guān)重要[8]。

圖2 典型生產(chǎn)井生產(chǎn)工況條件下井筒各環(huán)空及各層套管溫度剖面

根據(jù)生產(chǎn)井的油氣水的產(chǎn)量，模擬目標氣田典型生產(chǎn)井生產(chǎn)工況下沿井筒各環(huán)空及各層套管溫度（見圖2）。

根據(jù)各環(huán)空條件及分析得到的井筒溫度剖面，即可模擬計算得各環(huán)空流體在生產(chǎn)工況下因溫度升高膨脹而產(chǎn)生的圈閉壓力。典型開發(fā)井各套管環(huán)空圈閉壓力的計算（見表2）。根據(jù)分析結(jié)果，生產(chǎn)過程套管環(huán)空壓力最高可達53.7 MPa，因此在進行生產(chǎn)井套管選型設計過程中，需要充分考慮圈閉壓力對套管的影響，并制定相應的環(huán)空壓力管理方案。

表2 開發(fā)井各層套管環(huán)空圈閉壓力分析結(jié)果

根據(jù)各層套管受力、溫度剖面及管串剛度，計算得到各層管柱因溫度變化導致的管柱升高量（見圖3）。根據(jù)分析結(jié)果，當固井水泥返高至井口，井口不會發(fā)生抬升。當水泥返高距離井口250 m 時，井口整體抬升約8.9 cm，對海上生產(chǎn)作業(yè)就會造成嚴重威脅。因此，對于海上高溫生產(chǎn)井，確保固井水泥返高及固井質(zhì)量極為關(guān)鍵。

圖3 典型生產(chǎn)井不同套管自由段長度井口升高敏感性分析

5 結(jié)論與建議

（1）對取得的巖心開展了強度實驗，并建立了巖石強度剖面。分析結(jié)果顯示，目標氣田中上部地層強度較低，強度范圍在1.3 MPa～38.5 MPa，地層可鉆性極值在1～6；中下部地層強度逐步提高，地層強度可達98 MPa，下部地層，尤其進入儲層，地層強度顯著提高，地層強度最高可達120 MPa，地層可鉆性極值普遍高于8，屬于硬到超硬地層。

（2）根據(jù)地層強度分析結(jié)果，優(yōu)化了井身結(jié)構(gòu)及各井段提速技術(shù)，有效提高了渤中潛山凝析氣田的鉆井速度，降低了鉆井非生產(chǎn)時間，提高目標氣田鉆井作業(yè)效率達30 %。

（3）建立了生產(chǎn)過程中井筒溫度剖面，根據(jù)溫度剖面分析了影響套管及井口安全的主要因素，為套管選型及確定固井水泥返高提供了設計基礎，以保障高溫氣井井筒完整性。