渤海渤中區(qū)域深井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

李磊 楊進(jìn) 劉寶生 趙少偉 張燦 楊宇鵬 張昌超 鄒欣

1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)；2. 中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司

開發(fā)中深層油氣資源是目前渤海油田增儲(chǔ)上產(chǎn)的重要手段，但面臨地質(zhì)條件復(fù)雜，作業(yè)成本高、風(fēng)險(xiǎn)大，海洋環(huán)境保護(hù)日益嚴(yán)格等難題［1］，給鉆井安全高效作業(yè)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。要實(shí)現(xiàn)科學(xué)、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、安全的鉆井作業(yè)，取得預(yù)期的鉆探目的和經(jīng)濟(jì)效益，最重要的前提之一就是要有合理的井身結(jié)構(gòu)。

合理的井身結(jié)構(gòu)，就是根據(jù)所鉆地層的地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)井深、鄰井參考資料等數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)地層孔隙壓力、地層破裂壓力、地層坍塌壓力曲線，綜合考慮當(dāng)前鉆井設(shè)備現(xiàn)狀、鉆井工藝技術(shù)水平及施工能力等一系列因素，設(shè)計(jì)出合理的井眼尺寸與套管程序，以滿足地質(zhì)、鉆井及采油等方面的要求，保證鉆井作業(yè)成功鉆達(dá)目的層，完成油氣鉆采任務(wù)［2］。渤中區(qū)域中深層地質(zhì)條件復(fù)雜，存在多壓力系統(tǒng)，安全密度窗口窄，地層易坍塌破裂，中深井異常壓力的形成存在著多源機(jī)制成因，地層壓力預(yù)測(cè)精度低，鉆完井作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)大［3-4］。

筆者依據(jù)渤中深層地質(zhì)資料及海洋鉆井特點(diǎn)，總結(jié)深井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則，通過高精度預(yù)測(cè)鉆前地層壓力曲線優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)及套管柱設(shè)計(jì)，以達(dá)到縮短鉆井周期和提高鉆速的目的，其中井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)可為今后海上深層鉆井作業(yè)提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 渤中區(qū)域井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)難點(diǎn)

1.1 地質(zhì)特點(diǎn)

渤中區(qū)域地層自上而下分別為新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組，古近系東營(yíng)組、沙河街組、孔店組，太古界潛山儲(chǔ)層［5］。其中上部地層明化鎮(zhèn)組發(fā)育塑性泥巖，中深部東下段至沙河街組地層發(fā)育大套泥巖，東營(yíng)組部分鉆遇火成巖易垮塌、漏失，沙河街組異常壓力發(fā)育。中深地層是以伊蒙混層和伊利石為主的硬脆性泥頁(yè)巖地層，硬脆性泥頁(yè)巖的層理裂縫較發(fā)育，層理面的穩(wěn)定性小于巖石本體，在鉆井過程中，大量硬脆性泥頁(yè)巖往往會(huì)坍塌掉塊導(dǎo)致漏失、卡鉆等井下復(fù)雜事故。采用X射線衍射技術(shù)對(duì)硬脆性泥頁(yè)巖中各種物質(zhì)組成進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見表1。

由表1可知，中深層硬脆性泥頁(yè)巖礦物組分主要包括石英、方解石、斜長(zhǎng)石、白云石、菱鐵礦和黏土礦物，其中石英和黏土礦物總含量在70%～80%左右。黏土礦物種類主要以伊蒙混層和伊利石為主，含有少量的高嶺石、綠泥石，伊蒙混層比例較高，在黏土礦物中相對(duì)含量達(dá)40%以上。

表1 渤中區(qū)域硬脆性泥頁(yè)巖礦物含量測(cè)定結(jié)果Table 1 Measurement results of the mineral content of hard and brittle mud shale in the central Bohai area %

1.2 渤中區(qū)域前期鉆井存在的問題

以渤中19-6區(qū)塊為例，該區(qū)塊在井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中面臨封隔斷層、易坍塌、易蠕變變形地層及不同地層壓力層系等挑戰(zhàn)，鉆探初期采用API推薦六開制井身結(jié)構(gòu)。但因地層巖性、地層壓力預(yù)測(cè)誤差大，導(dǎo)致井下復(fù)雜情況頻繁發(fā)生，嚴(yán)重制約了鉆探時(shí)間［6-7］。如BZ19-6-1井鉆井作業(yè)時(shí)發(fā)生坍塌、卡鉆遇阻、憋泵憋扭矩等復(fù)雜情況60余次，其中事故主要發(fā)生在明化、館陶、東二段地層(見圖1)。渤中區(qū)域東下段至沙河街組地層，因硬脆性泥頁(yè)巖的坍塌多次進(jìn)行劃眼、倒劃眼作業(yè)［8］，導(dǎo)致處理復(fù)雜情況時(shí)間占總鉆井時(shí)間的30%以上。

圖1 BZ19-6-1井鉆進(jìn)過程中復(fù)雜情況統(tǒng)計(jì)Fig. 1 Statistics of complex situations in the drilling process of Well BZ19-6-1

2 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

2.1 多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)

渤中區(qū)域深層地質(zhì)條件復(fù)雜，存在多壓力系統(tǒng)，安全密度窗口窄，地層易坍塌破裂，中深層異常壓力的形成存在著多源機(jī)制成因［9］?；诙嘣磾?shù)據(jù)融合的異常壓力鉆前精準(zhǔn)預(yù)測(cè)技術(shù)是將多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)與鉆井異常壓力預(yù)測(cè)技術(shù)相結(jié)合，利用已知的沉積、構(gòu)造、成藏等地質(zhì)資料匯總在一起進(jìn)行系統(tǒng)分析，對(duì)存在異常壓力層位的信息再認(rèn)識(shí)，得出沉積壓實(shí)、構(gòu)造擠壓、油氣運(yùn)移等地質(zhì)作用對(duì)異常壓力的統(tǒng)一信息，系統(tǒng)認(rèn)識(shí)勘探新區(qū)目標(biāo)地層形成異常壓力的成因，并及時(shí)更新地層壓力數(shù)據(jù)，圖2為多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)流程圖。

圖2 多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)流程圖Fig. 2 Flow chart of multi-source data fusion technology

2.2 鉆前壓力預(yù)測(cè)流程

針對(duì)異常壓力地層特點(diǎn)，提出基于地質(zhì)、測(cè)井、地震等多元信息的地層孔隙壓力鉆前預(yù)測(cè)方法，將隨鉆數(shù)據(jù)與地震數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)值對(duì)比，利用已鉆井段數(shù)據(jù)建立層速度與聲波時(shí)差校正模型，根據(jù)校正結(jié)果修正模型系數(shù)，最終對(duì)目標(biāo)井進(jìn)行地層壓力再預(yù)測(cè)，可通過再預(yù)測(cè)值得知是否存在異常壓力地層，為鉆井作業(yè)提供指導(dǎo)，同時(shí)利用鉆后數(shù)據(jù)對(duì)比分析，逐漸完善預(yù)測(cè)模型，為下口井的鉆前預(yù)測(cè)做準(zhǔn)備。圖3為多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)預(yù)測(cè)的精確地層壓力剖面。

圖3 BZ19-6-7井地層壓力剖面Fig. 3 Formation pressure profile of Well BZ19-6-7

3 渤中井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)例及效果

井身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)關(guān)系到深井鉆井安全、鉆井成本、鉆井速度、油氣層保護(hù)等，尤其是技術(shù)套管的選取，必須滿足封隔復(fù)雜井段、固井工藝和井控安全的要求，因此要根據(jù)鄰井地質(zhì)資料與多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)預(yù)測(cè)得到三壓力剖面，結(jié)合井控、固井當(dāng)量、提速等因素調(diào)整各層套管下深，封固復(fù)雜地層，降低作業(yè)難度，合理地設(shè)計(jì)深井井身結(jié)構(gòu)［10］，在保證完井要求的前提下，盡可能地減小開眼尺寸，以提高上部大尺寸井眼的鉆進(jìn)速度，提高作業(yè)時(shí)效。

圖4為渤中區(qū)塊井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果：(1)充分分析隔水導(dǎo)管入泥及支撐能力等因素，考慮由渤中六開井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化為五開井身結(jié)構(gòu)，使用?762 mm井眼+?609.6 mm隔水導(dǎo)管代替?762 mm隔水導(dǎo)管+?508 mm表層套管組合，減少了一層套管，既節(jié)省了成本又減少了作業(yè)時(shí)間；(2)為減少上部地層事故復(fù)雜率，封固復(fù)雜地層，降低下開次作業(yè)難度，將第1層?339.7 mm技術(shù)套管下至館陶組上部；考慮到大尺寸井眼中完深度增加，為了提高鉆井效率，將?444.5 mm井眼優(yōu)化為?406.4 mm，減少了鉆頭單位進(jìn)尺的破巖能量；(3)為減少下部地層事故復(fù)雜，通過精確的地層壓力剖面預(yù)測(cè)，將第2層技術(shù)套管(?244.5 mm套管)下深增加，封隔易垮塌、漏失地層，進(jìn)入東營(yíng)組起壓前中完；(4) ?177.8 mm尾管封隔沙河街和孔店組，實(shí)現(xiàn)太古界潛山目的層專打。

圖4 渤中19-6區(qū)塊井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化Fig. 4 Optimization of casing program in BZ19-6 Block

以渤中19-6-7井為例，該井設(shè)計(jì)完鉆井深5 508 m，目的層位為太古界。根據(jù)三壓力剖面設(shè)計(jì)優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，計(jì)劃一開?762 mm井眼+ ?609.6 mm隔水導(dǎo)管鉆進(jìn)至250 m左右中完，該區(qū)塊淺部地層無(wú)斷層及氣層，隔水套管下深需封固上部薄弱層，提高承壓能力；綜合考慮套管頭承壓能力、地質(zhì)資料、機(jī)械鉆速、下部井眼長(zhǎng)度等因素，二開?406.4 mm井眼+?339.7 mm套管鉆進(jìn)至1 618 m左右，鉆穿明化鎮(zhèn)易垮塌地層后中完；三開?311.1 mm井眼+?244.5 mm套管鉆進(jìn)至3 676 m左右，進(jìn)入東二下段起壓前中完；四開?215.9 mm井眼+ ?177.8 mm尾管鉆進(jìn)至4 530 m左右中完，?215.9 mm井段控制在850 m左右；五開?152.4 mm井眼鉆進(jìn)至5 508 m，裸眼完鉆。該井身結(jié)構(gòu)減少了鉆井復(fù)雜事故次數(shù)，可節(jié)省10～30 d的作業(yè)時(shí)間，有效提高了鉆井時(shí)效。

4 結(jié)論

(1)利用多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，基于地質(zhì)、測(cè)井、地震等多元信息的地層孔隙壓力鉆前預(yù)測(cè)技術(shù)，得到了較為精確的地層三壓力剖面，成功將原六開井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化為五開。

(2)通過隨鉆測(cè)井信息，實(shí)時(shí)更新鉆前壓力預(yù)測(cè)模型，并與地震數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，利用已鉆井段數(shù)據(jù)建立層速度與測(cè)井聲波時(shí)差校正模型，根據(jù)校正結(jié)果修正模型系數(shù)，并對(duì)未鉆層段進(jìn)行孔隙壓力再預(yù)測(cè)。

(3)形成的一套適合該區(qū)域的井身結(jié)構(gòu)，在保證鉆井安全的前提下，有效地規(guī)避在作業(yè)時(shí)可能出現(xiàn)的復(fù)雜事故，達(dá)到縮短鉆井周期和提高機(jī)械鉆速的目的，為后續(xù)海上深層鉆井作業(yè)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。