順北油氣田超深井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李雙貴， 于 洋， 樊艷芳， 曾德智

（1. 中國(guó)石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院，新疆烏魯木齊 830011；2. 中國(guó)石化縫洞型油藏提高采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆烏魯木齊 830011；3. 油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西南石油大學(xué)），四川成都 610500）

順北油氣田位于塔里木盆地順托果勒低隆北緣，自上而下主要鉆遇第四系—奧陶系全套地層，巖性種類多，地層非均質(zhì)性強(qiáng)，具有特殊地層發(fā)育、壓力系統(tǒng)復(fù)雜的特點(diǎn)[1-5]。該油氣田超深井前期采用六開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，普遍存在漏失、坍塌等問(wèn)題。隨著勘探開(kāi)發(fā)的進(jìn)一步深入，順北西部地區(qū)井深已達(dá)8 000.00～8 800.00 m，油藏埋藏超深、二疊系易漏、古生界上部地層承壓能力低、火成巖侵入體應(yīng)力大，地層壓力系統(tǒng)及巖石特性不明確，鉆井未知因素多。若仍采用六開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，井下故障多，造成鉆井周期長(zhǎng)、鉆井成本高，因而需對(duì)超深井井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，但國(guó)內(nèi)外可借鑒的經(jīng)驗(yàn)較少。為此，針對(duì)順北油氣田原有井身結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題，利用鉆井、測(cè)井和測(cè)試等資料對(duì)順北油氣田地層三壓力剖面進(jìn)行了精準(zhǔn)描述，基于地層三壓力剖面、地質(zhì)工程必封點(diǎn)和后期定向鉆井要求，優(yōu)選出四開(kāi)非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)。應(yīng)用四開(kāi)非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)的7口超深井鉆井結(jié)果表明，鉆井速度提高、井下故障減少、鉆井周期縮短、鉆井成本降低。

1 地質(zhì)特征

順北油氣田自上而下主要鉆遇第四系、新近系、古近系、白堊系、三疊系、二疊系、石炭系、泥盆系、志留系和奧陶系地層，目的層為奧陶系碳酸鹽巖地層。油藏埋藏深度7 600.00 m左右，油層中部壓力 150～180 MPa，中部溫度 160～170 ℃，屬于超高溫高壓油藏[6]。

從順北油氣田已鉆井和正鉆井的情況看，鉆遇地層主要有以下地質(zhì)特征：1）儲(chǔ)層埋藏深，地層層序多，巖性差異大；2）易垮塌、易縮徑層系多，如第四系、新近系、白堊系、三疊系砂巖發(fā)育，疏松易縮徑；3）石膏層發(fā)育，易污染鉆井液，導(dǎo)致鉆井液性能變差；4）石炭系、泥盆系、志留系地層的承壓能力低，志留系地層承壓能力最低為1.38 kg/L；5）高壓鹽水層、高壓氣層發(fā)育，鹽水層孔隙壓力系數(shù)最高達(dá)1.95，高壓氣層孔隙壓力系數(shù)最高達(dá)1.86，地層鹽水侵入使鉆井液性能變差，6）桑塔木組火成巖侵入體易坍塌；7）二疊系與奧陶系地層壓力窗口窄；8）儲(chǔ)集層溶洞、微裂縫發(fā)育，易坍塌、易發(fā)生井漏[5]。

2 已鉆井井身結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題

順北油氣田前期部署的油氣井采用六開(kāi)井身結(jié)構(gòu)（如圖1所示）[7]，鉆井過(guò)程中，在四開(kāi)揭開(kāi)火成巖侵入體后，劃眼困難，蹩鉆嚴(yán)重，多次提高鉆井液密度后發(fā)生井漏，阻卡嚴(yán)重。經(jīng)過(guò)多次堵漏施工，長(zhǎng)裸眼井段承壓能力雖有提高，但尚不能滿足火成巖侵入體安全鉆進(jìn)要求，被迫提前下入φ193.7 mm套管封隔火成巖侵入體以上近2 000.00 m長(zhǎng)的復(fù)雜層段；五開(kāi)采用φ165.1 mm鉆頭鉆進(jìn)，在鉆穿奧陶系桑塔木組火成巖侵入體后，鉆至井深7 271.00 m（奧陶系良里塔格組）中完；六開(kāi)采用φ120.6 mm鉆頭、密度 1.21 kg/L 的鉆井液鉆進(jìn)，鉆至井深 7 407.08 m（一間房組）時(shí)井口鉆井液失返，注入597.1 m3密度為1.17 kg/L的鉆井液，以平衡地層壓力；進(jìn)行中途測(cè)試作業(yè)時(shí)漏失鉆井液 1 344.42 m3。

分析認(rèn)為，由于該油氣田勘探程度低，鉆井資料少，對(duì)地層的認(rèn)識(shí)有限，六開(kāi)井身結(jié)構(gòu)不能及時(shí)封固桑塔木組火成巖侵入體以上地層，給下部火成巖侵入體鉆進(jìn)帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)。六開(kāi)井身結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)調(diào)整后仍存在以下問(wèn)題：

1）套管層序多、鉆井周期長(zhǎng)；

2）完鉆井眼直徑只有120.6 mm，而電成像測(cè)井儀器外徑為127.0 mm，無(wú)法進(jìn)行成像測(cè)井，不能滿足錄取資料的要求；

3）為保證鉆井安全，所用鉆具的最小外徑是88.9 mm，而適用于 φ120.6 mm 井眼套銑管的最大直徑為 88.9 mm，最大套銑直徑只有 69.6 mm，無(wú)法套銑鉆具，處理井下故障的能力弱，鉆井風(fēng)險(xiǎn)高；

4）目前適用于φ120.6 mm井眼的定向儀器抗溫能力一般低于170 ℃[8]，抗高溫定向儀器配套難度大。

圖 1 已鉆井井身結(jié)構(gòu)Fig. 1 Casing program of drilled wells in Shunbei Oil and Gas Field

3 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 優(yōu)化原則及思路

優(yōu)化原則：1）有效封隔易發(fā)生漏失、井噴、坍塌、卡鉆等井下故障的復(fù)雜地層，保證目的層段井眼直徑滿足完井、測(cè)井要求，提高井控能力；2）為目的層預(yù)留一開(kāi)次。

優(yōu)化思路：1）目的層井眼條件滿足油氣發(fā)現(xiàn)、取心、測(cè)井和完井以及打撈等后續(xù)作業(yè)要求，鉆井成本低；2）提高目的層段井控能力，強(qiáng)化一級(jí)井控，確保井控安全；3）降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)，避免小井眼鉆井風(fēng)險(xiǎn)，提高鉆井速度；4）采用提速新技術(shù)鉆進(jìn)目的層以上地層。

基于上述優(yōu)化原則及思路，圍繞“高效、安全、快速”的要求，針對(duì)順北油氣田儲(chǔ)層超深、二疊系易漏、古生界上部地層承壓能力低、火成巖侵入體應(yīng)力高帶來(lái)的問(wèn)題，利用該油氣田已鉆井的鉆井資料和測(cè)錄井資料建立地層三壓力剖面，確定工程必封點(diǎn)，從“簡(jiǎn)化井身結(jié)構(gòu)、優(yōu)化井眼與套管直徑、非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”3方面對(duì)該油氣田超深井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化[9]，以期為順北油氣田高效經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐。

3.2 地層三壓力剖面的建立

利用順北油氣田多口已鉆井的測(cè)井資料，應(yīng)用Drillworks軟件[10]計(jì)算地層的孔隙壓力、破裂壓力和坍塌壓力，并與已鉆井的鉆井資料、巖心力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正，得到了順北油氣田較為精確的地層三壓力剖面，如圖2所示。

圖 2 順北油氣田地層三壓力剖面Fig.2 Formation three-pressure profile of Shunbei Oil and Gas Field

由圖2可知：二疊系以上地層壓力正常，而其下部的石炭系、志留系、奧陶系地層存在異常高壓。

順北1號(hào)斷裂帶和5號(hào)斷裂帶北部桑塔木組火成巖侵入體以上地層為正常壓力地層，孔隙壓力當(dāng)量密度均小于1.23 kg/L；石炭系與志留系地層孔隙壓力相對(duì)較高，最大孔隙壓力當(dāng)量密度為1.25 kg/L；坍塌壓力偏高，泥巖段地層坍塌壓力當(dāng)量密度達(dá)1.28 kg/L，其中志留系地層坍塌壓力當(dāng)量密度高達(dá)1.30 kg/L，需增強(qiáng)鉆井液的抑制防塌性能；破裂壓力普遍較高，整體破裂壓力當(dāng)量密度為1.75～2.15 kg/L。

順北1號(hào)斷裂帶桑塔木組火成巖侵入體坍塌壓力異常，部分井存在凝灰?guī)r或輝綠巖地層，純凝灰?guī)r地層坍塌壓力當(dāng)量密度達(dá)1.60 kg/L，純輝綠巖地層坍塌壓力當(dāng)量密度達(dá)1.70 kg/L。該地層破裂壓力較高，破裂壓力當(dāng)量密度為1.97～2.15 kg/L。

3.3 地質(zhì)工程必封點(diǎn)

通過(guò)分析地層三壓力剖面和地層承壓能力，考慮二疊系、火成巖侵入體等復(fù)雜地層，為保障長(zhǎng)裸眼井壁的穩(wěn)定，確定了2個(gè)地質(zhì)工程必封點(diǎn)：

1）必封點(diǎn)1。桑塔木組以上砂泥巖地層的承壓能力低，而鉆進(jìn)桑塔木組火成巖侵入體時(shí)需使用較高密度的鉆井液。因此，桑塔木組頂部為必封點(diǎn)。

2）必封點(diǎn)2。奧陶系一間房組以上泥巖地層易垮塌，需使用密度1.30～1.32 kg/L的鉆井液鉆進(jìn)，而其下部裂縫性地層的壓力系數(shù)為1.05～1.17，使用高密度鉆井液鉆進(jìn)易漏失。因此，一間房組頂部為必封點(diǎn)。

3.4 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.4.1 長(zhǎng)裸眼井身結(jié)構(gòu)

通過(guò)增強(qiáng)鉆井液的隨鉆封堵能力，提高地層承壓能力，可在同一開(kāi)次鉆開(kāi)二疊系易漏地層和志留系易塌地層?？紤]桑塔木組地層承壓能力高及火成巖侵入體發(fā)育的情況，將φ244.5 mm套管下至桑塔木組頂部，將井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化為四開(kāi)井身結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖3），完鉆井眼直徑為149.2 mm。

圖 3 長(zhǎng)裸眼井身結(jié)構(gòu)Fig.3 Casing program of long open hole horizontal well

3.4.2 應(yīng)用膨脹管的四開(kāi)井身結(jié)構(gòu)

為了避免二疊系復(fù)漏影響下部鉆井速度，采用φ273.1 mm 套管封隔二疊系易漏層，采用 φ241.3 mm鉆頭鉆進(jìn)下部地層，擴(kuò)孔下入 φ219.0 mm×φ244.0 m膨脹管[11]，臨時(shí)封隔東河塘組和柯坪塔格組，以提高井筒承壓能力，采用φ215.9 mm鉆頭鉆入一間房組地層 4.00 m，懸掛 φ177.8 mm 套管，φ177.8 mm 套管比膨脹管長(zhǎng) 100.00 m，采用 φ149.2 mm 鉆頭鉆至完鉆井深（見(jiàn)圖4）。

圖 4 膨脹管臨時(shí)封隔低壓地層的四開(kāi)井身結(jié)構(gòu)Fig.4 Casing program of temporarily isolating low-pressure formation with expandable tube

3.4.3 增加 φ339.7 mm 套管下深的五開(kāi)井身結(jié)構(gòu)

為了保證完鉆井眼直徑不小于149.2 mm和鉆井安全，綜合考慮二疊系地層易漏及東河塘組和柯坪塔格組地層承壓能力低的問(wèn)題[12]，采用φ339.7 mm套管封隔二疊系及以上地層，φ244.5 mm套管封隔桑塔木組及以上地層，先懸掛φ244.5 mm套管，再回接至井口，φ177.8 mm 套管進(jìn)入一間房組 1.00 m，設(shè)計(jì)成五開(kāi)井身結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖5）。

3.4.4 非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)

1）為滿足完鉆井眼直徑不小于149.2 mm的要求，將非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)與常規(guī)井身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法相結(jié)合，采用φ298.4 mm套管封隔二疊系易漏地層，然后采用φ269.9 mm鉆頭鉆進(jìn)，將井眼直徑擴(kuò)至311.1 mm，下入 φ244.5 mm 直連扣套管，封隔志留系復(fù)雜地層，提高地層承壓能力，優(yōu)化形成五開(kāi)非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖6）。

2）為滿足完鉆井眼直徑不小于149.2 mm的要求，同時(shí)克服非五開(kāi)常規(guī)井身結(jié)構(gòu)開(kāi)次多、現(xiàn)有鉆井工藝技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的缺點(diǎn)，利用隨鉆堵漏技術(shù)將二疊系地層的承壓能力提高至1.30 kg/L以上，并提高井下故障處理能力，以滿足地質(zhì)資料錄取、分段改造的要求，優(yōu)化形成了四開(kāi)非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖 7）。

采用SPSS 17.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，計(jì)量資料以（均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差）表示，采用t檢驗(yàn)；計(jì)數(shù)資料以（n，%）表示，采用χ2檢驗(yàn)，以P＜0.05表示差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖 5 增加 φ339.7 mm 套管下深封隔二疊系地層的五開(kāi)井身結(jié)構(gòu)Fig. 5 Casing program of increasing the setting depth of φ339.7 mm casing to seal the Permian

圖 6 五開(kāi)非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)Fig. 6 Unconventional five-spud casing program

3.4.5 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)選

上述5種井身結(jié)構(gòu)均滿足錄取地質(zhì)資料及完井的要求，因此，對(duì)其鉆井周期、鉆井成本進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并分析了其優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可以看出，5種井身結(jié)構(gòu)中，四開(kāi)非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)鉆井周期最短，鉆井成本低，鉆井難度相對(duì)較小。在目前長(zhǎng)裸眼井壁穩(wěn)定技術(shù)趨于成熟的情況下，推薦采用四開(kāi)非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)。

圖 7 四開(kāi)非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)Fig. 7 Unconventional four-spud casing program

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

順北油氣田7口井采用了四開(kāi)非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)，并采用鑲嵌成膜強(qiáng)封堵鉀胺基聚磺鉆井液解決長(zhǎng)裸眼井壁失穩(wěn)的問(wèn)題，鉆進(jìn)二疊系地層時(shí)將鉆井液密度調(diào)至1.24～1.25 kg/L，鉆進(jìn)志留系地層時(shí)將鉆井液密度調(diào)至1.30 kg/L，以抑制井壁垮塌，并利用隨鉆承壓堵漏技術(shù)將二疊系地層承壓能力提高至1.30 kg/L。與采用六開(kāi)井身結(jié)構(gòu)的井相比，這7口井機(jī)械鉆速提高30%～40%，鉆井周期縮短33～45 d，柯坪塔格組地層平均井徑擴(kuò)大率為24.8%，桑塔木組地層平均井徑擴(kuò)大率為23.5%，均順利鉆達(dá)儲(chǔ)集體，實(shí)現(xiàn)了“高效、安全、快速”的鉆井目的。

表 1 不同井身結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Table 1 Comparison on the advantages and disadvantages of different casing program

5 結(jié)論及建議

1）利用測(cè)井資料計(jì)算出地層的孔隙壓力、破裂壓力和坍塌壓力，并與鉆井資料和巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正，得到了順北油氣田較為精確的地層三壓力剖面，并據(jù)此確定了桑塔木組頂部和一間房組頂部2個(gè)地質(zhì)工程必封點(diǎn)。

2）根據(jù)地質(zhì)工程必封點(diǎn)，綜合考慮超深定向鉆井基本原則和要求，設(shè)計(jì)出5種井身結(jié)構(gòu)，通過(guò)預(yù)測(cè)5種井身結(jié)構(gòu)的鉆井周期、鉆井成本，分析5種井身結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，選用了四開(kāi)非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)。

3）順北油氣田采用四開(kāi)非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)，提高了鉆井速度，減少了井下故障，縮短了鉆井周期、降低了鉆井成本，滿足了鉆井、測(cè)井和完井要求。

4）為保障順北油氣田后期開(kāi)發(fā)及修井作業(yè)需求，應(yīng)盡量采用相同的井身結(jié)構(gòu)，以避免過(guò)多采用不同的非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)，增大后期開(kāi)發(fā)、維護(hù)管理難度。