某復雜超深井非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

李同勇(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

0 引言

本井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計充分借鑒了四川盆地深井、超深井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計及應用，其深井、超深井應用45 井次，技術(shù)成熟可靠，鉆探成功率100%。并且充分考慮到地層的復雜性和層位與井深的預測誤差，為井身結(jié)構(gòu)調(diào)整留下空間(包括鉆井深度的調(diào)整)，備用一層套管層系。

1 地質(zhì)層序與壓力系統(tǒng)

根據(jù)本區(qū)地質(zhì)特征，結(jié)合鄰區(qū)施工情況，設(shè)計重點對本井地層層序、油氣層、地層溫度、地層壓力、H2S 等方面做了預測，為井身結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了依據(jù)。本井地層自下而上主要發(fā)育震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系及第四系，地層古老、巖性復雜。預測本井存在7 個流體異常層和3 個潛在的油氣層，井底預測溫度為188.4 ℃。存在兩層明顯的異常高壓層，分別存在高家邊組和幕府山組，地層坍塌壓力一般在1.40 SG 以內(nèi)，地層破裂壓力預測一般在2.00 SG 左右。地層三壓力參數(shù)特征詳見表1。

預測本井棲霞組存在H2S，本井奧陶系、寒武系、震旦系均發(fā)育大套碳酸鹽巖，有生成H2S 氣體的條件，預測震旦系上統(tǒng)至奧陶系上統(tǒng)可能存在H2S。

從鄰井鉆遇情況看，風化殼儲層多有發(fā)生井漏，存在鉆探風險。預測本井可能鉆遇4 層風化殼儲層：(1)下三疊統(tǒng)青龍組頂面，即印支構(gòu)造面風化殼，預計頂界深度850 m；(2)下二疊統(tǒng)孤峰組-棲霞組頂面，即海西構(gòu)造面風化殼，預計頂界深度2 090 m；(3)上志留統(tǒng)茅山組頂面，預計頂界深度2 902 m；(4)上震旦統(tǒng)燈影組頂面，預計頂界深度6 430 m。

表1 南黃海X井地層三壓力預測參數(shù)特征統(tǒng)計表

2 鉆井工程面臨的難點與風險分析

2.1 井漏風險

(1)本井主要為海相碳酸鹽巖和碎屑巖地層，存在3 個碳酸鹽巖風化殼，即下三疊統(tǒng)頂面印支風化殼、下二疊統(tǒng)頂面海西風化殼、上震旦統(tǒng)頂面風化殼。在鄰井鉆井過程中證實了印支構(gòu)造面和海西構(gòu)造面風化殼的存在，且發(fā)生了鉆井液的漏失?？傮w上風化殼的存在增加了井漏的風險。

(2)嶗山隆起中、古生界碳酸鹽巖發(fā)育，主要發(fā)育于中生界三疊系，古生界二疊系、石炭系、奧陶系、寒武系、震旦系，碳酸鹽巖易形成裂縫、溶蝕孔洞，在鉆井過程中易發(fā)生井漏。

2.2 地層垮塌和卡鉆

本井主要發(fā)育三套厚層泥頁巖層段，主要為二疊系孤峰組至龍?zhí)督M-大隆組、上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)高家邊組、下寒武統(tǒng)幕府山組，大套的泥巖段容易在鉆井的過程發(fā)生垮塌、卡鉆，此外上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M煤層也是易垮塌地層。

2.3 井涌、井噴

根據(jù)壓力預測，本井在存在兩層異常高壓，分別為下寒武統(tǒng)幕府山組、下志留統(tǒng)高家邊組，壓力系數(shù)在1.20～1.33 之間，并且油氣層預測結(jié)果顯示異常高壓層段也是重要的油氣層段，因此在鉆井的過程中可能發(fā)生井涌和井噴事故，現(xiàn)場要做好相關(guān)防控措施。

2.4 H2S 風險

根據(jù)鄰井鉆井情況，在棲霞組頂界1 642 m，發(fā)現(xiàn)有H2S顯示，在井深1 651.78 m 處H2S氣測值最高達到98.0×10-6，區(qū)域上棲霞組標志層為臭灰?guī)r；且預測本井奧陶系、寒武系、震旦系均發(fā)育大套碳酸鹽巖，有生成H2S 氣體的條件。

3 南黃海X 井井身結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

3.1 井身結(jié)構(gòu)必封點分析

依據(jù)本井的壓力系統(tǒng)和地層特點，結(jié)合四川超深井鉆井成功經(jīng)驗、鄰井實鉆情況及該井地層三壓力參數(shù)的預測結(jié)果，確定其井身結(jié)構(gòu)必封點共有4 個，套管層次為6 層。

第一個必封點分析：封隔至鹽城組底界。由于新近系及以上地層疏松，易垮塌，下伏的青龍組頂界為碳酸鹽巖風化殼，存在較大的井漏風險，不揭開青龍組風化殼，封隔上部易垮塌層。

第二個必封點分析：鉆穿棲霞組，下入套管進行封隔，以確保施工安全，及下部油氣層的發(fā)現(xiàn)。此段地層較為復雜，上部為青龍組大套灰?guī)r易漏層；中部為大隆組-龍?zhí)督M煤層，易垮塌；下部棲霞組臭灰?guī)r可能含H2S。鄰井在相當本組地層已檢測到H2S。

第三個必封點分析：鉆穿五峰組底界，下入套管進行封隔。根據(jù)地質(zhì)風險預測及相似地層實鉆情況，高家邊組及五峰組存在易垮塌的泥頁巖地層，且為高壓地層，下伏的奧陶系、寒武系主要為縫洞發(fā)育的碳酸鹽巖地層，易漏。

第四個必封點分析：鉆穿幕府山組，下入套管進行封隔。幕府山組主要發(fā)育泥頁巖，易垮塌，且預測可能存在高壓層；下伏燈影組地層預測主要為縫洞發(fā)育的碳酸鹽巖易漏，地層壓力系數(shù)低(1.06～1.10)。

3.2 本井井身結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

按照4 個必封點、6 層套管封隔的分析，同時上層套管下深必須保證下開次使用高密度鉆井液時，套管鞋以下地層不被壓漏，套管強度滿足行業(yè)規(guī)范，具體各開次設(shè)計如下：

(1)一開Φ914.4 mm 井眼：鉆至200 m，下Φ762 mm 隔水導管封固，建立簡易井口，隔水導管入泥92 m。

(2)二開Φ660.4 mm 井眼：鉆至848 m，進入鹽城組底部，不揭開青龍組頂部風化殼，下Φ508 mm 套管，安裝井控裝置，建立井口，為下部青龍組和二疊系安全鉆進創(chuàng)造條件。

(3)三開Φ444.5 mm 井眼：鉆至2243 m，進入船山組頂部3 m，鉆進深度應根據(jù)地質(zhì)層位的實際埋深進行調(diào)整，測井后下入Φ365.1 mm 套管封固上部含硫化氫及易漏失地層和易坍塌煤層。

(4)四開Φ333.4 mm 井眼：鉆至4 690 m，鉆穿上奧陶系五峰組，進入湯頭組頂部5 m，見灰?guī)r中完，鉆進深度應根據(jù)地質(zhì)層系的實際埋深進行調(diào)整，測井后下入Φ273.1 mm 套管封固上部易垮塌的泥頁巖，隔離下部異常壓力地層及易漏失層。

(5)五開Φ241.3 mm 井眼：鉆至井深6 435 m，鉆穿寒武系幕府山組，進入燈影組5 m，鉆進深度應根據(jù)地質(zhì)層系的實際埋深進行調(diào)整，下入Φ193.7 mm 尾管封固，實現(xiàn)下部震旦系儲層專打。

(6)六開Φ165.1 mm 井眼：鉆至完鉆井深7 308 m，下入Φ139.7 mm 尾管封固。

3.3 備用套管層次方案設(shè)計

本井存在噴、漏、塌、卡等復雜并存的情況，極大的加大了鉆井作業(yè)的難度，存在多下一層套管封隔上部復雜井段的可能性。針對這種情況，則需啟用備用井眼方案，即五開Φ241.3 mm井眼使用Φ219.1 mm 尾管封固；六開Φ190.5 mm 井眼使用Φ168.3 mm 尾管封固；七開Φ139.7 mm 井眼使用Φ114.3 mm 尾管封固。

3.4 套管安全性設(shè)計

本井主要目的層為氣層，需使用氣密封扣套管。預測本井三疊系、奧陶系、寒武系、震旦系均發(fā)育大套碳酸鹽巖，有生成H2S氣體的條件，在棲霞組有H2S，因此需要選抗硫套管。經(jīng)Stress Check 軟件校核所選套管的抗內(nèi)壓強度安全系數(shù)、抗外擠強度安全系數(shù)、抗拉強度安全系數(shù)均滿足行業(yè)規(guī)范要求。

4 結(jié)論與建議

(1)南黃海X 井地層比較老，可鉆性差，鉆井周期長，同時面臨著噴、漏、塌、卡等復雜情況以及地質(zhì)不確定性等挑戰(zhàn)。該井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計要充分借鑒國內(nèi)深井、超深井在井身結(jié)構(gòu)設(shè)計的成功經(jīng)驗，并依據(jù)該井的壓力系統(tǒng)和地層特點，充分考慮地質(zhì)、工程風險后進行設(shè)計。

(2)在深井、超深井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計中，完全采用現(xiàn)有API 標準鉆頭、套管尺寸系列難以滿足增加套管層次的需求?？赏黄瞥Ｒ?guī)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計思路的限制，采用部分非標準鉆頭、套管能夠增加套管層次，使井身結(jié)構(gòu)設(shè)計更加合理。

(3)通過論證，該井井身結(jié)構(gòu)存在4 個必封點，優(yōu)化設(shè)計了六開井身結(jié)構(gòu)方案，井下出現(xiàn)復雜情況無法繼續(xù)鉆進需提前中完時，可轉(zhuǎn)為七層套管井身結(jié)構(gòu)，能滿足超深井復雜情況下的安全鉆井需求。

(4)超深井鉆井施工中存在諸多施工難點，如高溫高壓井段，鉆井工具、隨鉆測量工具以及鉆井液等受到嚴峻考驗，增加了鉆井的難度；下部井段環(huán)空間隙小，存在套管下入摩阻大且固井水泥漿頂替效率低等問題。因此，在實鉆過程中不斷優(yōu)化施工方案是十分必要的。

(5)非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)的設(shè)計所需要的配套工具少。鉆井過程中，非常規(guī)尺寸鉆頭選型困難，部分扶正器、套管以及下套管等系列工具需提前定制。因此要確保鉆探工作快速高效，必須提前做好相應的配套工具準備。