淺部異常壓力層系下井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

范志坤 馮 雷 夏忠躍 賈 佳 解健程

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司)

0 引 言

淺層氣井區(qū)位于臨興區(qū)塊紫金山構(gòu)造帶北部，整體為北西-南東走向的背斜構(gòu)造。根據(jù)已鉆井、試氣及生產(chǎn)效果，該井區(qū)鉆探的淺層氣目的層紙坊組及和尚溝組均為常規(guī)氣層，埋藏淺，鉆探成本低，投資見效快，具有良好的開發(fā)前景，且淺層氣在充分開采泄壓后可以為下部氣層的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。但是，由于其地層壓力系統(tǒng)較為復(fù)雜，鉆井過程中面臨著井控、井壁失穩(wěn)、黏附卡鉆、鉆井液施工困難以及固井質(zhì)量難以保證等系列工程風(fēng)險(xiǎn)[1]，采用常規(guī)的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法無法滿足上部常規(guī)氣層與下部非常規(guī)氣層接替開發(fā)要求。為此，本文通過對淺層氣井區(qū)淺部壓力異常層系井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與現(xiàn)場施工，形成了淺部異常壓力層系井身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法及鉆井工程配套關(guān)鍵技術(shù)，可為該區(qū)塊的后續(xù)開發(fā)提供作業(yè)指導(dǎo)，也可為類似淺部氣層的開發(fā)提供借鑒。

1 作業(yè)難點(diǎn)分析

1.1 井控風(fēng)險(xiǎn)大

淺層氣井區(qū)主要目的層為紙坊組與和尚溝組，壓力系數(shù)分別為1.55和1.33。氣層埋藏較淺，鉆遇最淺部氣層垂深僅200 m。當(dāng)出現(xiàn)溢流或井涌時(shí)，報(bào)警信號反應(yīng)時(shí)間短，天然氣在幾乎沒有報(bào)警的情況下到達(dá)地面，繼而發(fā)生井噴。表層一般是薄弱地層，若發(fā)生井噴，則不能強(qiáng)行關(guān)井，否則容易憋裂地層，使之失去控制，造成爆炸起火和燒毀鉆機(jī)等惡性事故[2]。

1.2 地質(zhì)層系多，巖性復(fù)雜，井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)高

淺層氣井區(qū)自上而下發(fā)育多套層系，鉆遇地層主要為第四系、三疊系(延長組、紙坊組、和尚溝組、劉家溝組)和二疊系(石千峰組、上石盒子組)。第四系為黃土層及砂、礫石等未固結(jié)的松散堆積物，膠結(jié)性差，可鉆性好，易漏易垮塌。三疊系地層泥砂巖互層嚴(yán)重，膠結(jié)性差，可鉆性強(qiáng)。砂巖滲透性好，易形成較厚的砂質(zhì)泥餅，易縮徑，造成起鉆困難。泥巖易吸水膨脹，剝落掉塊，造成卡鉆事故[3-4]。石千峰組巖性主要為石英粗砂巖，泥巖與砂巖互層，泥巖厚度大，單層厚度在15～25 m間，上部含泥頁巖地層存在井徑擴(kuò)大嚴(yán)重現(xiàn)象。泥頁巖易于水化分散，使井眼內(nèi)泥質(zhì)和固相含量增加，吸附于鉆頭表面造成鉆頭泥包。石盒子組巖性主要為泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖和中砂巖呈略等厚互層。石盒子地層存在硬脆性泥頁巖，易發(fā)生井壁浸泡垮塌事故[5]。

1.3 鉆井液性能要求高

淺層氣地層壓力系數(shù)較高，在儲層鉆進(jìn)過程中使用高密度、高黏切鉆井液，鉆井液易受到有害固相的污染，保持性能穩(wěn)定性是作業(yè)難點(diǎn)[6]；同時(shí)由于上部地層膠結(jié)性較差，偶然的激動壓力和循環(huán)壓耗就可以將地層壓漏，出現(xiàn)噴、漏同時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象。

1.4 固井質(zhì)量難以保證

由于地層埋深較淺，地層溫度較低，低溫條件下水泥水化速度慢，早期強(qiáng)度發(fā)展慢，水泥漿在凝結(jié)過程失重大、凝結(jié)過渡時(shí)間較長，淺層氣發(fā)育井段容易竄槽，造成上層套管環(huán)空帶壓。由于上部地層膠結(jié)性差，井壁不規(guī)則，下套管及居中困難，固井質(zhì)量難以保證。從淺層氣井區(qū)前期鉆井來看，固井質(zhì)量較差，部分井井口竄槽，環(huán)空帶壓，給后期作業(yè)帶來較高風(fēng)險(xiǎn)[7]。

1.5 常規(guī)與非常規(guī)層系同時(shí)開發(fā)

紙坊組與和尚溝組儲層物性較好，為常規(guī)氣層，投產(chǎn)階段套管射孔即可見產(chǎn)。劉家溝組以下目的層氣測滲透率較低，屬非常規(guī)致密氣層，儲層需經(jīng)過壓裂改造才可見產(chǎn)[8-9]。

2 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 井眼開次設(shè)計(jì)

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要根據(jù)地層孔隙壓力和地層破裂壓力剖面，并充分考慮地層復(fù)雜情況等因素。將不同的壓力層系和復(fù)雜地層分隔在不同的開次，以減少相互干擾[10-11]。本文利用必封點(diǎn)設(shè)計(jì)方法對淺層氣井區(qū)井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)淺層氣井區(qū)各地層壓力系統(tǒng)、地層巖性及復(fù)雜地層分布，設(shè)置2個(gè)必封點(diǎn)(見表1)，采用三開井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

表1 淺層氣井區(qū)必封點(diǎn)分析Table 1 Necessary sealing point analysis of shallow gas wellblock

必封點(diǎn)①設(shè)置在延長組頂部地層，封隔上部黃土層及砂礫層，為二開鉆井液循環(huán)建立循環(huán)通道，并安裝井控設(shè)備，為淺層氣地層鉆進(jìn)提供井口控制條件。必封點(diǎn)②設(shè)置在劉家溝組頂部地層，封隔上部壓力異常層系，為下一開常壓地層井段鉆進(jìn)提供條件，避免高密度鉆井液污染下部儲層。原則上二開鉆至劉家溝上部泥巖層段。

2.2 套管尺寸選擇

氣井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取由里向外的原則，為保證氣井高效生產(chǎn)，生產(chǎn)管柱的選擇既要滿足氣井合理產(chǎn)能的釋放，避免井筒管柱過高的摩阻損失，又要考慮后期產(chǎn)水階段排水采氣的需要。由于淺層氣井區(qū)主要目的層既有上部的常規(guī)氣藏，又有下部的致密非常規(guī)氣藏，所以該井區(qū)主要采用壓裂生產(chǎn)一體化管柱，完井管柱還要考慮儲層改造的需要。

根據(jù)前期單層試氣結(jié)果，該區(qū)上部淺層氣藏含水較少，生產(chǎn)流體主要為干氣。采用?60.3和?73.0 mm油管均可滿足氣井正常生產(chǎn)需要。下部石盒子組氣層普遍產(chǎn)水，且需產(chǎn)氣量普遍低于20 000 m3/d，采用?60.3 mm甚至更小尺寸的油管才可滿足氣井?dāng)y液需要[12]。因此，該區(qū)生產(chǎn)管柱首選?60.3 mm油管。為配合?60.3 mm油管，下部石盒子組地層采用?114.3 mm生產(chǎn)套管。

2.3 氣層井段優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場火工材料調(diào)研結(jié)果，現(xiàn)場具備射穿雙層套管的射孔彈藥。在設(shè)計(jì)階段，下部氣層套管可采用全井段固井方式，也可考慮采用尾管固井方式。對比兩種固井方式發(fā)現(xiàn)，采用尾管固井方式需使用尾管掛，固井期間由鉆桿送入，固井作業(yè)流程中增加了尾管懸掛器坐掛、倒扣、坐封尾管頂部封隔器、循環(huán)沖洗多余水泥漿和候凝后鉆水泥塞等作業(yè)，施工工藝復(fù)雜，風(fēng)險(xiǎn)較高；并且尾管懸掛器與上層套管間隙較小，循環(huán)壓耗較高，如果井眼不干凈或者水泥漿性能不好，則更容易在懸掛器處形成橋堵，導(dǎo)致固井復(fù)雜情況出現(xiàn)。因此，設(shè)計(jì)三開井段采用全井段固井。

2.4 設(shè)計(jì)實(shí)例

以淺層氣井區(qū)5D井為例設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)。5D井為一口深層兼探井，主要目的層為上部淺層氣井段和尚溝組和下部致密氣層段石盒子組，完鉆層位為石盒子組。該井的鉆探目的為評價(jià)淺層氣井區(qū)紙坊砂巖的含氣性、和尚溝組砂巖含氣范圍及邊界，測試淺層氣井區(qū)紙坊組與和尚溝組產(chǎn)能，降低淺層超壓地層的地層壓力，減小后期開發(fā)深層致密氣鉆井風(fēng)險(xiǎn)。

一開采用?311.2 mm井眼，鉆入基巖至少20 m中完，下入?244.5 mm套管；二開采用?215.9 mm井眼，鉆入劉家溝組地層頂部不超過5 m中完，下入?177.8 mm套管；三開采用?155.6 mm井眼，鉆穿石盒子組盒2段留足50 m口袋完鉆，下入?114.3 mm套管。根據(jù)地質(zhì)預(yù)測數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)5D井井身結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 井身結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram for casing program

套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)應(yīng)保證強(qiáng)度、通徑和耐用性，并滿足鉆完井和油氣井生產(chǎn)過程中各種工況和載荷要求，同時(shí)應(yīng)遵循全井成本最低的原則。因此，對套管壁厚和鋼級進(jìn)行優(yōu)選，并對套管強(qiáng)度進(jìn)行校核，校核過程中抗拉校核工況如下。考慮解卡過提拉力400 kN、下套管速度0.5 m/s、固井碰壓；抗外擠校核工況：全掏空狀態(tài)(生產(chǎn))、循環(huán)漏失、固井；抗內(nèi)壓校核工況：套管試壓、固井碰壓、油管泄漏、壓裂工況(注入壓力40 MPa)，校核結(jié)果見表2，三開選用外徑114.3 mm、質(zhì)量17.26 kg/m、鋼級P110套管可以滿足強(qiáng)度要求。

表2 5D井套管強(qiáng)度校核Table 2 Casing strength check of Well 5D

3 鉆井工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)與施工

為保障現(xiàn)場鉆井作業(yè)施工順利進(jìn)行，需對各井段鉆具組合、鉆井液性能和固井工藝等方面作業(yè)難點(diǎn)進(jìn)行分析，并針對作業(yè)難點(diǎn)制定針對性工藝措施。

3.1 鉆具組合優(yōu)化設(shè)計(jì)

淺層氣井區(qū)多為叢式定向井開發(fā)，為淺層防碰需要，一開井段要求防斜打直。一開采用塔式防斜鉆具組合：?311.2 mm PDC+X/O+?203.2 mm DC×2根+?298.5 mm STB+X/O+?165.1 mm DC×7根+?127.0 mm HWDP×7根+?127.0 mm DP，全井段采用小鉆壓吊打的方式，鉆壓10～50 kN、轉(zhuǎn)速75 r/min、排量20 L/s、泵壓0.5～1.5 MPa。

二開井段鉆井液密度高，極易發(fā)生黏附卡鉆，鉆具防卡為作業(yè)重點(diǎn)。采用防卡鉆具組合，使用螺旋鉆鋌和加重鉆桿提供鉆進(jìn)所需的鉆壓，在滿足鉆井要求的前提下，還可減少鉆鋌數(shù)量。為了防止造斜井段滑動鉆進(jìn)托壓，甩掉螺桿鉆具上部的扶正器，最終二開鉆具組合為：?215.9 mm PDC+?171.5 mm PDM+F/V+定向接頭+?165.1 mm NMDC+?165.1 mm DC×7根+?127.0 mm HWDP×7根+?127.0 mm DP。

三開井段為小井眼作業(yè)，根據(jù)鄰井情況，小井眼鉆頭易發(fā)生泥包，防止鉆頭泥包、提高鉆井速度是工作重點(diǎn)。為防止鉆頭泥包，三開采用4刀翼PDC鉆頭，優(yōu)化鉆頭水力參數(shù)，使用等直徑噴嘴，均勻分布水功率[13]。為了防止井眼軌跡波動大，在螺桿鉆具上部增加一個(gè)扶正器，三開鉆具組合為：?155.6 mm PDC+?120.7 mm DM+F/V+?146.1 mm STB+定向接頭+?120.7 mm NMDC+?88.9 mm HWDP×48根+?88.9 mm DP。

3.2 鉆井液性能維護(hù)

為保證井控安全，二開鉆井液開鉆密度為1.65 g/cm3。二開井段密度高、黏切高，易受到有害固相污染，保持性能穩(wěn)定是作業(yè)難點(diǎn)。針對高密度鉆井液抗巖屑污染能力差的特性，施工過程中加大高分子聚合物、降失水劑和包被劑用量，有效地控制有害固相產(chǎn)生細(xì)分散，并加強(qiáng)固控設(shè)備的使用，清除鉆井液中有害固相，保證鉆井液具有良好流動性。

在三開井段，為防止鉆頭泥包，將鉆井液密度設(shè)為1.10～1.17 g/cm3、黏度設(shè)為38～43 s，初終切力為1～2/2～4 Pa，并增加了抑制劑用量，提高鉆井液抑制性，防止黏土水化分散。

3.3 固井工藝

3.3.1 淺層氣井段防氣竄固井工藝

為提高淺氣層井段固井質(zhì)量，在固井前應(yīng)調(diào)整好鉆井液性能，在保證井下安全的前提下盡量降黏降切，降低含砂量。循環(huán)做到振動篩上無巖屑和泥皮，強(qiáng)化下套管后的井眼清洗，實(shí)現(xiàn)先導(dǎo)漿前期驅(qū)替，有效隔離減少混漿，提高水泥漿頂替效率。通過優(yōu)化扶正器加裝位置和數(shù)量，提高套管居中度，每3根套管安放1只扶正器，5D井二開套管固井共下入彈性雙弓扶正器18只，剛性扶正器3只。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)鉆結(jié)果，5D井最上部氣層在298.2 m。為了防止水泥漿失重情況下發(fā)生竄槽，二開固井采用一次性全返工藝，水泥漿為低失水防氣竄體系，并采用雙凝水泥漿柱結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整各段水泥漿的雙凝界面來實(shí)現(xiàn)壓穩(wěn)防漏[14]。其中，領(lǐng)漿采用鎖水防氣竄彈塑性水泥漿體系，密度1.88 g/cm3，實(shí)驗(yàn)室稠化時(shí)間198 min，設(shè)計(jì)封固0～200 m，段長200 m；尾漿采用鎖水防氣竄短候凝水泥漿體系，密度1.88 g/cm3，實(shí)驗(yàn)室稠化時(shí)間122 min，設(shè)計(jì)封固200 m至井底。

為確保封固效果，二開固井選用TWF140型封隔器(見圖2)，放置在表層套管與技術(shù)套管重疊段。該型封隔器采用膨脹膠筒作為密封元件，頂替膠塞通過封隔器控制閥時(shí)打開進(jìn)液孔，水泥漿頂替到位后，套管內(nèi)開始憋壓，液體經(jīng)過進(jìn)液孔進(jìn)入開啟閥，憋壓至設(shè)定值時(shí)，剪斷銷釘，開啟閥打開，液體流經(jīng)單流閥和限壓閥開始進(jìn)行脹封作業(yè)，密封套管環(huán)空[15]。

1—上接頭；2—中心管；3—膠筒；4—閥系接頭；5—下接頭。

3.3.2 三開井段小井眼固井工藝

三開井段為小井眼鉆進(jìn)作業(yè)，固井期間套管與井眼環(huán)空間隙較小，為降低固井過程中環(huán)空密度當(dāng)量，需優(yōu)化固井水泥漿漿柱結(jié)構(gòu)及三開井段井眼尺寸。為此，采用固井設(shè)計(jì)軟件分別模擬三開固井采用單密度水泥漿、雙密度水泥漿及尾管固井方案，模擬結(jié)果如圖3所示。根據(jù)模擬結(jié)果，尾管固井方案井底當(dāng)量循環(huán)密度最低，但為了節(jié)約成本、簡化作業(yè)流程，排除此方案。通過對不同井眼尺寸固井模擬發(fā)現(xiàn)，在水泥漿柱結(jié)構(gòu)和施工排量等相關(guān)參數(shù)相同的條件下，采用?155.6 mm井眼比?152.4 mm井眼固井期間井底當(dāng)量循環(huán)密度降低0.03。因此，三開井段采用?155.6 mm井眼。通過對不同漿柱結(jié)構(gòu)模擬發(fā)現(xiàn)，雙密度漿柱結(jié)構(gòu)井底當(dāng)量循環(huán)密度比單密度水泥漿柱方案降低0.17，大大降低了固井漏失風(fēng)險(xiǎn)。三開開鉆后，通過對二開套管鞋進(jìn)行地層承壓試驗(yàn)，地層承壓當(dāng)量密度1.99 g/cm3，可滿足雙凝雙密度漿柱結(jié)構(gòu)固井需求。因此，三開套管固井采用雙凝雙密度漿柱結(jié)構(gòu)，領(lǐng)漿采用1.50 g/cm3低密度水泥漿，尾漿采用1.85 g/cm3高密度水泥漿，尾漿封固至二開套管鞋以上200 m。

圖3 固井過程環(huán)空ECD計(jì)算曲線Fig.3 Calculation curve of annular ECD in cementing process

3.4 綜合應(yīng)用效果

通過對5D井鉆具組合、鉆井液性能和固井工藝等進(jìn)行優(yōu)化，二開、三開井段均用一只鉆頭、一套鉆具組合和一趟鉆完成鉆進(jìn)作業(yè)。根據(jù)測斜結(jié)果，一開井斜0.30°，二開淺層氣靶點(diǎn)靶心距2.33 m，三開致密氣靶點(diǎn)靶心距5.53 m，均達(dá)到了井身質(zhì)量控制要求。根據(jù)固井質(zhì)量檢測結(jié)果，二開水泥返深地面，固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)，三開固井水泥返深地面，固井質(zhì)量合格率100%，優(yōu)質(zhì)率91.12%，這為后續(xù)的完井作業(yè)提供了良好的井筒條件。

4 結(jié)論與建議

(1)通過對淺層氣井區(qū)淺部壓力異常層系井身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與現(xiàn)場施工，淺層井區(qū)表層黃土層及砂礫層和淺部壓力異常層系為兩個(gè)鉆井必封點(diǎn)，該井區(qū)采用三開井身結(jié)構(gòu)可滿足上部淺層氣和下部致密砂巖氣的分層開發(fā)需要。

(2)為防止水泥漿失重時(shí)發(fā)生竄槽，二開固井水泥漿為低失水防氣竄體系，并采用“雙凝水泥漿柱結(jié)構(gòu)”，通過調(diào)整各段水泥漿的雙凝界面來實(shí)現(xiàn)壓穩(wěn)防漏。為確保封固效果，二開固井使用套管封隔器，水泥漿頂替到位后開始進(jìn)行脹封作業(yè)。

(3)當(dāng)鉆頭在石千峰組等含泥頁巖地層鉆進(jìn)時(shí)，可采取如下措施降低鉆頭泥包風(fēng)險(xiǎn)：①采用4刀翼PDC鉆頭，優(yōu)化鉆頭水力參數(shù)，使用等直徑噴嘴，均勻分布水功率；②在鉆井液中加大抑制劑的使用量，提高泥漿抑制性，防止黏土水化分散。

(4)高密度鉆井液具有抗巖屑污染能力差的特性，鉆遇高壓層時(shí)建議加大高分子聚合物和降失水劑的用量，有效地控制有害固相產(chǎn)生細(xì)分散，使鉆井液具有良好的流動性。