富滿油田超深井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)與應用

宋周成，翟文寶，鄧昌松，徐 楊，徐席明，汪 鑫，文 濤

1中國石油塔里木油田公司 2中國石油集團工程技術(shù)研究院有限公司 3中國石油川慶鉆探公司工程有限公司新疆分公司

0 引言

富滿油田是塔里木油田原油上產(chǎn)的主力區(qū)塊和增儲上產(chǎn)陣地，其目的層為埋深8 000 m左右的奧陶系一間房組和鷹山組[1]，包括玉科、哈得23、富源、躍滿、躍滿西、果勒、滿深等區(qū)塊。躍滿、富源、哈得23區(qū)塊原主體井身結(jié)構(gòu)為塔標Ⅲ三開井身結(jié)構(gòu)，二開技術(shù)套管下入層位以奧陶系良里塔格組為主，完井方式裸眼或篩管完井。躍滿西區(qū)塊早期主要采用塔標III三開結(jié)構(gòu)，2018年以后逐步優(yōu)化為塔標Ⅰ四開結(jié)構(gòu)。玉科區(qū)塊受膏鹽層影響，井身結(jié)構(gòu)由早期塔標Ⅲ三開優(yōu)化為塔標Ⅰ四開。鹿場區(qū)塊主要采用塔標Ⅰ四開井身結(jié)構(gòu)，果勒區(qū)塊考慮到鐵熱克阿瓦提組高壓鹽水層、桑塔木組侵入巖、鷹山組異常高壓等因素，均設(shè)計采用塔標Ⅱ五開結(jié)構(gòu)[2]。由于井身結(jié)構(gòu)設(shè)計不夠合理，造成多井次發(fā)生井壁失穩(wěn)、卡鉆、斷鉆具和套管變形等井下復雜事故2018年富滿油田各區(qū)塊時效圖(圖1)，導致超鉆井周期長、成本高，嚴重制約了富滿油田高效開發(fā)進程[3- 4]。

圖1 富滿油田2018年各區(qū)塊時效圖

通過分析現(xiàn)有井身結(jié)構(gòu)存在的不足，利用套管和鉆柱的強度校核方法優(yōu)化塔標Ⅲ三開套管下深極限和塔標Ⅰ四開套管強度，拓展形成滿足超8 000 m井深要求的塔標Ⅱ四開井身結(jié)構(gòu)。對于?200.03 mm套管安全系數(shù)低于1.5的井，由塔Ⅲ三開結(jié)構(gòu)調(diào)整為塔I四開結(jié)構(gòu)，并針對二疊系惡性漏失問題，根據(jù)二開?244.50 mm套管下深，合理選擇鉆機施工方式。這些措施完善超深井(井深超8 000 m)鉆井技術(shù)，形成三套井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，以期促進富滿油田大規(guī)模高效經(jīng)濟開發(fā)，有力地推動和引領(lǐng)我國油氣勘探向深層超深層復雜領(lǐng)域的持續(xù)探索[5- 6]。

1 井身結(jié)構(gòu)使用現(xiàn)狀及不足

1.1 富滿油田地質(zhì)與鉆井復雜概況

富滿油田地層自上而下鉆遇第四系、新近系、古近系、白堊系、侏羅系、三疊系、二疊系、石炭系、泥盆系、志留系和奧陶系等。其中，二疊系普遍發(fā)育破碎性火成巖，底界埋深4 400～5 400 m，厚度80～690 m(全區(qū)差異較大)，該地層鉆進和固井易發(fā)生井漏[7]；玉科、哈得23石炭系發(fā)育的標準灰?guī)r段含有膏鹽巖(玉科區(qū)塊厚度為60～200 m)，鉆進和固井易發(fā)生縮徑，導致卡鉆、套管下入困難、擠毀套管等問題[8]；躍滿西、果勒的奧陶系鐵熱克阿瓦提組含有高壓鹽水層極易引發(fā)溢流；奧陶系桑塔木組局部發(fā)育有侵入巖，可鉆性差，易發(fā)生惡性漏失[9]。

1.2 富滿油田原井身結(jié)構(gòu)

富滿油田前期主體采用兩套井身結(jié)構(gòu)，如圖2所示。躍滿、富源、哈得23等區(qū)塊主體采用塔標Ⅲ三開的井身結(jié)構(gòu)，其中二開200.03 mm技術(shù)套管下至良里塔格組頂部或吐木休克組底部。受必封點(易縮徑的膏鹽巖層)和井深限制，玉科、躍滿西、鹿場、果勒等區(qū)塊主體采用塔標Ⅰ四開井身結(jié)構(gòu)，其中玉科區(qū)塊?244.50 mm套管封膏巖層，躍滿西、果勒、鹿場等區(qū)塊二開?244.50 mm技術(shù)套管下入二疊系以下100 m左右，三開?177.80 mm技術(shù)套管下入層位以奧陶系良里塔格組為主。

圖2 富滿油田主體井身結(jié)構(gòu)圖

1.3 原井身結(jié)構(gòu)存在的不足

1.3.1 ?200.03 mm套管塔Ⅲ三開結(jié)構(gòu)存在的不足

塔標Ⅲ三開井身結(jié)構(gòu)具有鉆完井周期短，成本低的優(yōu)點，但隨著躍滿、富源等區(qū)塊平均井深由2015年的7 240 m增加至2019年7 587 m，已有部分井二開?200.03 mm技術(shù)套管下深達7 274～7 418 m，抗拉安全系數(shù)為1.47～1.51，低于行業(yè)標準SY/T5724《套管柱結(jié)構(gòu)與強度設(shè)計》和股份公司《高溫高壓及高含硫井完整性設(shè)計準則》的規(guī)定值1.6～2.0的要求(表1)，造成安全隱患，因此亟需優(yōu)化塔標Ⅲ三開的二開技術(shù)套管下深極限。同時，二疊系漏層未專封，裸眼井段過長，使得塔標Ⅲ三開的井身結(jié)構(gòu)應對井下故障復雜時處理能力弱，需調(diào)整為塔I四開結(jié)構(gòu)。

表1 二開?200.03 mm套管抗拉安全系數(shù)低于1.60的井統(tǒng)計表

1.3.2 ?244.50 mm套管塔Ⅰ四開結(jié)構(gòu)存在的不足

相較于塔標Ⅲ三開鉆完井周期更長，費用更高，塔標Ⅰ四開存在以下幾方面問題(表2)。

(1)?127.00 mm+?88.90 mm鉆具組合處理卡鉆等事故復雜能力受限。

(2)部分井段套管強度也難以滿足《套管柱結(jié)構(gòu)與強度設(shè)計》標準要求，生產(chǎn)階段易發(fā)生套管變形問題。

(3)塔標Ⅰ四開難以有效滿足常規(guī)水平井后續(xù)大尺寸(大于?127.00 mm)多級分段改造需求。

此外，在鉆進和固井期間，二疊系火成巖段易發(fā)生漏失，加之下部奧陶系鐵熱克阿瓦提組發(fā)育高壓鹽水層，使得二疊系與奧陶系鐵熱克阿瓦提組不宜合打，通常采取二開鉆穿二疊系進入石炭系地層150～250 m后下入?244.50 mm套管。但是由于二疊系地層埋藏較深(一般均超過5 400 m)，考慮鉆井液密度、?244.50 mm特殊螺紋套管以及A級70鉆機安全載荷(表3)等條件，?244.50 mm套管最大下深為5 544 m。但部分井?244.50 mm套管下深超過了5 600 m，導致提升重量過大，使得70鉆機載荷無法滿足要求。同時，受限于塔里木油田80鉆機資源緊張(70鉆機是80鉆機的4.34倍)，需統(tǒng)籌兼顧二開套管下深與鉆機資源，合理選擇鉆機類型。

表2 玉科區(qū)塊三開井復雜統(tǒng)計表

表3 鉆機評級標準及安全載荷

2 超深井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)

2.1 二開套管下深優(yōu)化與套管強度優(yōu)選

針對塔標Ⅲ三開和塔標Ⅰ四開的井身結(jié)構(gòu)問題，依據(jù)《套管柱結(jié)構(gòu)與強度設(shè)計》標準，以《套管柱結(jié)構(gòu)與強度設(shè)計》標準中抗拉力強度安全系數(shù)下限(1.60)確定套管下入深度極限[10]。結(jié)合表1確定現(xiàn)場實際校核數(shù)據(jù)：?200.03 mm技術(shù)套管線重為512.08 N/m，鉆井液密度取1.30 g/cm3，浮力系數(shù)為0.835，則確定套管下入深度為7 200 m。所以，將塔標Ⅲ三開的二開?200.03 mm技術(shù)套管下入深度極限確定為7 200 m。

結(jié)合躍滿、富源區(qū)塊儲層埋深情況，推薦?200.03 mm技術(shù)套管下深小于7 200 m時仍沿用塔標Ⅲ三開的井身結(jié)構(gòu)，但是若下入深度超過7 200 m時，則推薦采用塔標Ⅰ四開來滿足必封點和套管抗拉強度安全系數(shù)標準。

此外，為提高套管抗內(nèi)壓能力，按照極限工況(生產(chǎn)井口油管泄露)條件計算，目前塔標Ⅰ四開所用的?244.50 mm套管所能承受的極限壓力系數(shù)為1.67。如果地層預測壓力系數(shù)小于1.67，則可以繼續(xù)沿用塔標Ⅰ四開的井身結(jié)構(gòu)。如果在生產(chǎn)階段按機采液面掏空3 000 m計算，則?244.50 mm(鋼級110TS×13.84 mm)及以上級別套管可以保證后期生產(chǎn)安全。如果預測地層壓力系數(shù)小于2.04，則不需要回接?200.03 mm套管，否則三開完鉆后需要考慮先回接再實施四開鉆進。

2.2 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

根據(jù)富滿油田鉆井深度、特殊地層情況及現(xiàn)場施工要求，目前富滿油田已形成三套井身結(jié)構(gòu)方案如圖3所示。

2.2.1 塔標Ⅲ三開

一開下入?273.05 mm套管至井深1 500 m，封固上部疏松層；二開鉆揭一間房頂垂深2～4 m后下入?200.03 mm套管；三開鉆達目的層設(shè)計井深裸眼或篩管完井。主要適用于躍滿、富源、哈得23等區(qū)塊的吐木休克組埋深7 200 m以淺、井深在7 000～7 600 m范圍井。二疊系深度范圍在4 800～5 200 m之間，二開?200.03 mm套管下深7 300 m左右，70鉆機能夠滿足要求。該結(jié)構(gòu)具有鉆完井周期短，成本低的優(yōu)點。但是，如果地質(zhì)預測桑塔木組發(fā)育侵入體，根據(jù)需要優(yōu)化為塔Ⅰ四開結(jié)構(gòu)。

2.2.2 塔標Ⅰ四開

一開下入?339.73 mm套管至井深1 200 m，封固上部疏松層；二開鉆穿二疊系垂深150～250 m左右下入?244.50 mm套管，封二疊系易漏易塌層；三開下入?177.80 mm尾管，封吐木休克泥巖段；四開為篩管/裸眼完井。主要適用于玉科、躍滿西、鹿場、果勒等區(qū)塊的吐木休克組埋深7 300 m以深、井深小于8 000 m，二開套管下深不超過5 000 m，70鉆機能夠滿足要求。該結(jié)構(gòu)可以專封二疊系火成巖和石炭系膏鹽層，提高應對井下復雜的處理能力。

圖3 富滿油田優(yōu)化后主體井身結(jié)構(gòu)圖

2.2.3 塔標Ⅱ四開

該結(jié)構(gòu)必封點與塔標Ⅰ四開井身結(jié)構(gòu)相同，同時綜合考慮地質(zhì)復雜、井深與水力參數(shù)、鉆具抗拉強度等因素，套管尺寸較塔標Ⅰ大。主要適用于玉科、躍滿西、鹿場、果勒等區(qū)塊的吐木休克組埋深7 300 m以深、井深超過8 000 m，一般使用80鉆機或者“以小換大”鉆機接力。該結(jié)構(gòu)具有鉆具抗拉強度高、水力參數(shù)強、應對井下復雜處理能力更強的優(yōu)點，也可以滿足富源和果勒地區(qū)8 000 m超深高壓凝析油的開發(fā)要求，延長油井開采周期，為后續(xù)修井、開窗側(cè)鉆創(chuàng)造更好條件。

3 現(xiàn)場應用

富滿油田由過去兩套井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化到現(xiàn)在三套井身結(jié)構(gòu)后，現(xiàn)場應用效果顯著。例如，采用塔標Ⅰ四開的躍滿3- H8井比塔標Ⅲ三開的躍滿3- H13井事故復雜率降低2.7%。此外，果勒3井完鉆井深8 505.98 m，創(chuàng)富滿油田塔標Ⅱ四開井身結(jié)構(gòu)已完鉆井最深記錄，這標志著塔標Ⅱ四開井身結(jié)構(gòu)可滿足富滿油田超深井(大于8 500 m)安全鉆井需求。

2021年1～10月，富滿油田共計完鉆43口井，平均生產(chǎn)時效95.83%，純鉆時效27.8%，事故復雜時效3.3%，與2020年相比，生產(chǎn)時效增加4.08%，純鉆時效增加1.07%，事故復雜時效降低3.26%，如圖4所示。同時，5 000 m以前平均進度較2020年縮短約10 d，5 000～7 500 m平均進度較2020年縮短約15 d，單井平均節(jié)約鉆井成本400×104～500×104元。

圖4 富滿油田近年完鉆井時效分析

4 結(jié)論與建議

(1)在分析富滿油田現(xiàn)有井身結(jié)構(gòu)不足的基礎(chǔ)上，基于套管和鉆柱的強度校核方法，優(yōu)化了塔標Ⅲ三開的套管下深極限為7 200 m，拓展了滿足超8 000 m井深要求的塔標Ⅱ四開井身結(jié)構(gòu)，明確了塔標Ⅰ四開和塔標Ⅱ四開的套管強度，優(yōu)化形成了三套分區(qū)塊井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

(2)采用優(yōu)化后的三套井身結(jié)構(gòu)方案，井下事故復雜明顯減少，現(xiàn)場應用效果顯著，表明優(yōu)化后井身結(jié)構(gòu)方案設(shè)計基本科學合理，具有推廣應用前景。

(3)隨著富滿油田開發(fā)深入，鉆井過程中將面臨更加復雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)(多條斷裂及多套鹽層)和壓力系統(tǒng)，三套井身結(jié)構(gòu)仍存在優(yōu)化空間，因此亟需開展地質(zhì)工程一體化研究，加強地層壓力預測、地應力特征分析及必封點位置優(yōu)選等工作，為合理的個性化井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供新思路和基礎(chǔ)保障。