神府致密氣區(qū)塊井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究與應(yīng)用

賈 佳，夏忠躍，馮 雷，李明杰

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司,天津 300450)

神府致密氣區(qū)塊位于陜西省榆林市神木縣和府谷縣，地跨鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東北段和晉西撓褶帶西北緣，區(qū)塊內(nèi)地表復(fù)雜，黃土厚度10～150 m，起伏劇烈，受后期河流侵蝕而支離破碎，形成了樹枝狀沖溝及塬、梁、峁、坡并存的地貌特征[1-3]。自上而下鉆遇地層有劉家溝組、石千峰組、上石盒子組、下石盒子組、山西組、太原組、本溪組、馬家溝組。由于自然產(chǎn)能很低，需要低成本高效的開發(fā)方式[4-6]，以實現(xiàn)非常規(guī)油氣的快速發(fā)展。神府區(qū)塊早期鉆井采用的常規(guī)井身結(jié)構(gòu)為：Ф311.15 mm井眼×Ф244.5 mm套管+Ф215.9 mm井眼×Ф139.7 mm套管，存在鉆井工期長、鉆速慢、巖屑量大等問題，尤其隨著環(huán)保要求的嚴(yán)格，廢棄物處理成本劇增，為了提速降本，需對常規(guī)井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

1 井身結(jié)構(gòu)改進(jìn)

以早期常規(guī)井身結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，進(jìn)行了逐步的改進(jìn)，對不同井身結(jié)構(gòu)對懸重、扭矩、泵壓、側(cè)向力、固井ECD、成本的影響進(jìn)行了分析和研究。神府區(qū)塊井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多次改進(jìn)研究，分別從井身結(jié)構(gòu)1、井身結(jié)構(gòu)2，調(diào)整至井身結(jié)構(gòu)3和井身結(jié)構(gòu)4，如圖1所示。

以神府區(qū)塊的定向井1D井為例，對不同井身結(jié)構(gòu)下懸重、扭矩、泵壓、側(cè)向力、固井ECD、成本等進(jìn)行比較分析[7-9]，1D井軌跡情況為：造斜點300.0 m；造斜終點544.7 m；造斜終垂深537.3 m；造斜率3.0(°)/30 m；終點井斜角24.5(°)；終點方位103.9(°)；井底垂深2 270.0 m；井底斜深2 448.3 m；井底位移889.8 m。

1.1 鉆進(jìn)和下套管中受力分析

鉆進(jìn)過程中，在同等條件下井身結(jié)構(gòu)1的鉆具受力最大，其中在井口受力68 t(見圖2)，而井身結(jié)構(gòu)3和井身結(jié)構(gòu)4的受力情況相差不大，但兩者都小于井身結(jié)構(gòu)2的受力。所以，當(dāng)使用常規(guī)井身結(jié)構(gòu)即井身結(jié)構(gòu)1鉆井時，使用的鉆機(jī)高于其他小井眼井身結(jié)構(gòu)的鉆機(jī)級別，當(dāng)使用ZJ20進(jìn)行小井眼井身結(jié)構(gòu)的鉆井時，則需要使用ZJ30鉆機(jī)進(jìn)行井身結(jié)構(gòu)1鉆井作業(yè)[10-11]。

在同等條件下，下套管過程中，井身結(jié)構(gòu)1二開使用的是17磅的Ф139.7 mm生產(chǎn)套管，比其他井身結(jié)構(gòu)使用的11.6磅的Ф139.7 mm套管重，其受力最大，其中在井口受力達(dá)到86 t，而其他三種井身結(jié)構(gòu)的受力相差不大(見圖3)。

1.2 扭矩分析

鉆進(jìn)過程中，在造斜段前扭矩保持定值，隨著井深加深，扭矩逐漸減小；同等條件下，井身結(jié)構(gòu)1的扭矩值比其他三種井身結(jié)構(gòu)都大；三種小井眼井身結(jié)構(gòu)中，扭矩值相差不大，但井身結(jié)構(gòu)4略大于其他兩種(見圖4)。

1.3 側(cè)向力變化

隨著井深逐漸加深，側(cè)向力呈現(xiàn)出不變、增大、減小、不變、增大、減小的總趨勢(見圖5)。其中，井身結(jié)構(gòu)1的側(cè)向力均明顯大于其他三種小井眼井身結(jié)構(gòu)的側(cè)向力，而其他三種井身結(jié)構(gòu)側(cè)向力基本相同[12-13]。

1.4 泵壓變化

鉆進(jìn)過程中，隨著排量增大，泵壓逐漸增大，但實現(xiàn)井眼清潔的最小排量不盡相同[14-15]，井身結(jié)構(gòu)1所需要的最小排量為1.5 m3/min，而其他三種小井眼井身結(jié)構(gòu)所需要的最小排量為0.8 m3/min。同時，在相同排量下，采用小井眼井身結(jié)構(gòu)，泵壓均比常規(guī)的井身結(jié)構(gòu)1泵壓高，其中，井身結(jié)構(gòu)2的泵壓最高，當(dāng)排量在1 m3/min，泵壓可以達(dá)到16.3 MPa，其他三種井身結(jié)構(gòu)的泵壓均不超過10 MPa(見圖6)。

1.5 固井井底ECD變化

在固井過程中，隨著井深增加，ECD值逐漸增大[16-18]；不同井身結(jié)構(gòu)，ECD值不同，表現(xiàn)出的規(guī)律是：井身結(jié)構(gòu)2的ECD值>井身結(jié)構(gòu)4的ECD值>井身結(jié)構(gòu)3的ECD值>井身結(jié)構(gòu)1的ECD值。其中，井身結(jié)構(gòu)2進(jìn)行固井時，現(xiàn)場發(fā)生過因井底ECD過大壓漏地層的情況(見圖7)。所以，為了避免井底ECD過大，需要控制ECD值在1.88 g/cm3以下。

1.6 成本

1)鉆井液用量。對不同井身結(jié)構(gòu)的鉆井液用量進(jìn)行計算，小井眼井身結(jié)構(gòu)使用的鉆井液用量比井身結(jié)構(gòu)1的用量少，井身結(jié)構(gòu)1共使用鉆井液113.9 m3(一開16 m3、二開97.9 m3)，井身結(jié)構(gòu)2使用鉆井液57.9 m3(一開7.7 m3、二開50.2 m3)，減少了57.9%；井身結(jié)構(gòu)3使用鉆井液79.8 m3(一開16 m3、二開63.8 m3)，減少了29.94%；井身結(jié)構(gòu)4使用鉆井液67.1 m3(一開9.6 m3、二開57.5 m3)，減少了41.09%。

2)套管用量。井身結(jié)構(gòu)1的套管用量最多，共使用套管68.66 t(一開11.34 t、二開57.32 t)，井身結(jié)構(gòu)2使用45.42 t(一開6.30 t、二開39.12 t)，減少了33.86%；井身結(jié)構(gòu)3使用50.46 t(一開11.34 t、二開39.12 t)，減少了26.52%；井身結(jié)構(gòu)4使用47.4 3t(一開8.32 t、二開39.12 t)，減少了30.92%。

1.7 對比小結(jié)

從管柱受力、扭矩、側(cè)向力、泵壓、固井井底ECD、成本等幾個因素，對4種井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合對比(見表1)，井身結(jié)構(gòu)4具有比較好的優(yōu)勢。在滿足降低作業(yè)難度和作業(yè)風(fēng)險，提高作業(yè)效率的情況下，可以有效地實現(xiàn)降本的目的[19-20]。

表1 不同井身結(jié)構(gòu)綜合對比分析表

注：√號表示該種井身結(jié)構(gòu)更具有優(yōu)勢。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 鉆井工期

4種不同井身結(jié)構(gòu)鉆井工期對比如圖8所示。結(jié)果表明，使用井身結(jié)構(gòu)1，折算2 000 m平均當(dāng)量鉆井工期23.92 d；使用井身結(jié)構(gòu)2，平均當(dāng)量鉆井工期22.21 d；使用井身結(jié)構(gòu)3，平均當(dāng)量鉆井工期19.49 d；使用井身結(jié)構(gòu)4，平均當(dāng)量鉆井工期17.46 d；井身結(jié)構(gòu)4相對于井身結(jié)構(gòu)1，工期縮短了27%，說明井身結(jié)構(gòu)4具有比較大的優(yōu)勢。

2.2 機(jī)械鉆速

隨著井身結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)，鉆進(jìn)時的機(jī)械鉆速也呈現(xiàn)逐漸加快的趨勢(見圖9)。使用井身結(jié)構(gòu)1，平均機(jī)械鉆速7.4 m/h；使用井身結(jié)構(gòu)2，平均機(jī)械鉆速8.5 m/h；使用井身結(jié)構(gòu)3，平均機(jī)械鉆速9.8 m/h；使用井身結(jié)構(gòu)4，平均機(jī)械鉆速10.1 m/h；井身結(jié)構(gòu)4相對于井身結(jié)構(gòu)1，機(jī)械鉆速提高26%，說明井身結(jié)構(gòu)4更利于實現(xiàn)增效目的。

2.3 鉆井成本

現(xiàn)場作業(yè)表明，使用井身結(jié)構(gòu)4進(jìn)行鉆進(jìn)，可以有效減少鉆井液用量，巖屑產(chǎn)生數(shù)量減少40%以上；使用的鉆具和套管尺寸小，可以節(jié)省30%鋼材；對鉆機(jī)的要求降低，鉆井作業(yè)費得到了減少；對井場面積要求減少，更利于山區(qū)等土地匱乏地區(qū)的作業(yè)。

3 結(jié)論

經(jīng)過改進(jìn)的井身結(jié)構(gòu)Ф311.15 mm×Ф244.5 mm+Ф215.9 mm×Ф139.7 mm，更適合目前神府區(qū)塊的致密氣鉆井作業(yè)。使用改進(jìn)后的井身結(jié)構(gòu)，可以有效提高機(jī)械鉆速26%，縮短工期27%；可以減少40%鉆井液用量，減少30%管材用量，達(dá)到實現(xiàn)降本的目的；可以有效解決固井中ECD較高產(chǎn)生的井漏問題。現(xiàn)場應(yīng)用表明，改進(jìn)后的井身結(jié)構(gòu)可以在神府致密氣區(qū)塊推廣使用。