墾利10-1油田沙河街地層井身結(jié)構(gòu)簡化及配套技術(shù)

江智強，馮碩，劉穎杰，李文博，張慶春

1.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）

2.中海石油（中國）有限公司 天津分公司（天津 300459）

0 引言

墾利10-1油田位于我國渤海灣南部海域，勘探實踐表明，墾利凹陷內(nèi)發(fā)育有豐富的中孔中滲油氣藏，具有良好的開發(fā)前景，且儲層埋藏較深，主要集中在古近系沙河街地層[1]。但在前期的探井作業(yè)中發(fā)現(xiàn)，墾利10-1 油田沙河街組地層容易坍塌、井壁穩(wěn)定性差、井下復(fù)雜情況多，起下鉆效率低[2]。為此，在設(shè)計時對目的儲層在沙河街組的井采用了“339.73 mm（13?″）表層套管+244.48 mm（9?″）技術(shù)套管+177.80 mm（7″）尾管”的3層井身結(jié)構(gòu)[3]。經(jīng)過墾利10-1 油田前期4 口井鉆井作業(yè)的摸索和經(jīng)驗積累，發(fā)現(xiàn)在保證作業(yè)安全的前提下，通過使用海水膨潤土漿深鉆技術(shù)、改進(jìn)型PEC鉆井液體系及等壁厚馬達(dá)與水力振蕩器配合深鉆技術(shù)，能夠適當(dāng)加深部分沙河街井的二開311.15 mm（12?″）井眼深度，提出了簡化儲層在沙河街地層且井深在3 100 m以內(nèi)井身結(jié)構(gòu)的設(shè)想，首次實現(xiàn)了二開井眼一次性鉆穿明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營組和沙河街組4套不同地層。

通過在墾利10-1 油田嘗試應(yīng)用，已有10 口井順利完成井身結(jié)構(gòu)簡化，將設(shè)計需要三開完鉆的井，提前到二開完鉆，規(guī)避了下177.80 mm尾管作業(yè)風(fēng)險，簡化了作業(yè)步驟，縮短了鉆井作業(yè)周期，有效降低了作業(yè)費用，經(jīng)濟(jì)效益顯著，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

1 地質(zhì)概況與實鉆情況統(tǒng)計

1.1 墾利10-1油田地質(zhì)概況

墾利10-1 構(gòu)造位于萊北的低凸起南界大斷層下降盤，沙河街組的構(gòu)造特征為受萊北1 號邊界大斷層控制繼承性發(fā)育的半背斜構(gòu)造，其內(nèi)部被北東向、北西向斷層分割成多塊斷塊，構(gòu)造為南低北高，地層向東、西、南3方面下傾；明化鎮(zhèn)組、館陶組斷裂系統(tǒng)十分發(fā)育，為復(fù)雜的斷塊構(gòu)造[4]。

墾利10-1 油田揭示地層自上而下分為第四系的平原組，新近系的明化鎮(zhèn)組和館陶組，古近系的東營組和沙河街組。明化鎮(zhèn)組又細(xì)分為明上段和明下段，沙河街組又細(xì)分為沙一段、沙二段和沙三段，含油層位主要發(fā)育于新近系的明化鎮(zhèn)組明下段和古近系的沙河街組沙三段[5]。

1.2 探井復(fù)雜情況分析

通過對墾利10-1 油田已鉆部分探井井身結(jié)構(gòu)及各井段復(fù)雜情況的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)：探井鉆遇的復(fù)雜情況主要包括遇阻遇卡、頻繁憋壓、抬鉆具、縮徑、返出大量泥團(tuán)和井壁掉塊等，并且在平原組、明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營組和沙河街組均有不同的井出現(xiàn)復(fù)雜情況。

通過對已鉆井井身結(jié)構(gòu)、復(fù)雜情況及井壁穩(wěn)定性分析可知：墾利10-1油田地層孔隙壓力總體上屬于正常靜水壓力系統(tǒng)；各地層均含不同程度泥巖，上部地層泥巖成巖性較差、水化膨脹性較強；下部地層砂泥巖互層較多且砂泥膠結(jié)強度不高，泥巖水化引起局部膨脹；沙三段探井采用215.9 mm（8?"）井段完鉆的井，作業(yè)效率低，起鉆困難。

通過上述地質(zhì)特征及已鉆探井復(fù)雜情況分析，為井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了地質(zhì)基礎(chǔ)及現(xiàn)場經(jīng)驗。

2 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化可行性分析

在初期勘探評價階段，三開井身結(jié)構(gòu)能夠完全滿足海上鉆井安全，并實現(xiàn)勘探開發(fā)要求[6]。但隨著墾利10-1區(qū)塊勘探開發(fā)腳步不斷邁進(jìn)，鉆完井提速提效和經(jīng)濟(jì)高效開發(fā)的需求也越來越迫切，此時井身結(jié)構(gòu)方面存在一些優(yōu)化空間[7]。通過現(xiàn)場鉆井經(jīng)驗表明，目前采用的三開井身結(jié)構(gòu)主要存在以下問題：①開次較多，每開次完鉆需要作業(yè)時間過多，若優(yōu)化一層井身結(jié)構(gòu)，可減少總鉆井周期15%以上；②套管層次多，套管用量大，成本過高。因此，為了提高鉆完井效率，增加經(jīng)濟(jì)收益，有必要對后續(xù)該區(qū)塊開發(fā)井的井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化的任務(wù)是優(yōu)化套管下入層次、下入深度以及優(yōu)化鉆頭與套管尺寸[8]。而其中重要內(nèi)容是套管的層數(shù)設(shè)計，套管層數(shù)設(shè)計須有效封固鉆井過程中鉆遇的必封點，降低下部施工可能遇到的井壁穩(wěn)定等風(fēng)險，保證井下安全，縮短鉆井周期[9]。套管層數(shù)設(shè)計主要受到儲層壓力、儲層地質(zhì)特征以及現(xiàn)有鉆井工藝水平等限制[10]，同時還需兼顧考慮鉆柱強度、套管下入校核等問題。為此，在明確了井身結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)后，對已鉆井進(jìn)行三壓力剖面情況、鉆柱強度、套管下入校核分析。

2.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路

根據(jù)墾利區(qū)塊前期地質(zhì)勘探及實鉆經(jīng)驗，將三開井身結(jié)構(gòu)簡化為二開井身結(jié)構(gòu)設(shè)計，簡化后的鉆頭尺寸為Φ406.4～311.2 mm，套管尺寸為Φ339.7～244.5 mm。優(yōu)化前后的井身結(jié)構(gòu)如圖1、圖2 所示。優(yōu)化前后的井身結(jié)構(gòu)區(qū)別在于，優(yōu)化后使用311.15 mm鉆頭直接完鉆，減少一開井身結(jié)構(gòu)，有利于縮短鉆井周期，減少鉆井費用，降低鉆井投入總成本。

圖1 優(yōu)化前的井身結(jié)構(gòu)

圖2 優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)

2.2 地層壓力

目標(biāo)區(qū)塊已鉆探井地層三壓力曲線如圖3 所示，整個區(qū)塊都處于正常壓力系統(tǒng)。垂深855 m 處存在坍塌壓力突增的異常點，但已鉆井在該點處并未發(fā)生坍塌、漏失等現(xiàn)象，且井眼擴(kuò)大率正常。

圖3 已鉆探井地層三壓力曲線

在起下鉆的過程中，井底會產(chǎn)生一定的抽汲壓力和激動壓力，此時井內(nèi)有效液柱壓力當(dāng)量密度為[11]:

有效液柱壓力當(dāng)量密度ρmE應(yīng)當(dāng)小于或等于該井段中最小地層破裂壓力密度ρfmin。即：

考慮到地層破裂壓力存在誤差，附加安全系數(shù)Sf，則套管裸露段底界（必封點深度）為：

式中：ρpmax為最大地層壓力當(dāng)量密度，g/cm3；Sw為最大抽汲壓力當(dāng)量密度，g/cm3；Sg為最大激動壓力當(dāng)量密度，g/cm3；Sf為地層破裂安全增值當(dāng)量密度，g/cm3。

根據(jù)已鉆探井的三壓力計算，證明了明化鎮(zhèn)至沙河街組具備同一裸眼段實施的可行性。

2.3 鉆具強度及套管下入校核

以設(shè)計井中井深最深，井斜最大的B37 井為例計算，在同等條件下，采用優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，使用139.7 mm新鉆桿，比傳統(tǒng)三開井身結(jié)構(gòu)使用127 mm鉆桿，鉆具抗拉余量提升300 kN 左右，鉆具安全性更高。計算結(jié)果如圖4、圖5所示。裸眼段摩阻系數(shù)從0.2～0.35 分別計算下套管工況時的鉤載大小，套管下到位時鉤載余量充足，套管可以依靠自重正常下入到位，如圖6所示。

圖4 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化前鉆桿有效拉力

圖5 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化后鉆桿有效拉力

圖6 不同摩阻系數(shù)下套管鉤載

3 井身結(jié)構(gòu)簡化配套技術(shù)

3.1 海水開路膨潤土漿深鉆技術(shù)

墾利10-1 油田淺部明化鎮(zhèn)地層主要為褐灰色黏軟泥巖，活性泥巖黏土礦物質(zhì)含量高達(dá)20%～50%，大段的活性泥巖極容易水化膨脹[12]。根據(jù)前期作業(yè)經(jīng)驗，如果使用泥漿鉆進(jìn)，返出的巖屑容易產(chǎn)生“泥球”，堆積在泥漿返出口，影響作業(yè)時效[13]。為此，二開上部井段采用了海水開路鉆進(jìn)加海水膨潤土漿深鉆技術(shù)，盡可能使巖屑分散，沖刷井壁，增加井眼擴(kuò)大率，并大幅提升上部地層機(jī)械鉆速，提高起下鉆效率，進(jìn)而縮短二開井眼裸露時間，降低井壁坍塌風(fēng)險，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 墾利10-1油田膨潤土漿轉(zhuǎn)化為泥漿深度及機(jī)械轉(zhuǎn)速

3.2 改進(jìn)型PEC鉆井液體系

面對墾利10-1 油田沙河街地層容易坍塌的難題，在初期鉆井設(shè)計中采用了渤海油田最常用的“海水/膨潤土漿（一開）+PEC體系（二開）+PEM體系（三開）”的三段式鉆井液體系，通過利用PEM 體系的“強抑制”性能，支撐穩(wěn)定易坍塌的沙河街地層。但是PEM 體系的“強抑制”會造成上部井段井壁過硬，使得起下鉆比較困難。針對這一問題，對傳統(tǒng)PEC 鉆井液體系進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)實驗，引入PF-HAS（氨基硅醇）替代PF-JMH-YJ（有機(jī)正電膠），PFHAS是以聚胺抑制劑為基礎(chǔ)加入硅羥基，HAS中的Si-OH 結(jié)構(gòu)與黏土礦物中的Si-OH 結(jié)構(gòu)縮聚成Si-O-Si結(jié)構(gòu)，在黏土表面形成疏水層，阻止黏土水化，與傳統(tǒng)有機(jī)正電膠相比，提高了鉆井液抑制性，同時避免了井壁過硬和鉆井液黏度過高的現(xiàn)象（圖7）。室內(nèi)熱滾實驗證明，HAS的加入對原PEC鉆井液體系的流變性及濾失量無明顯影響，具體數(shù)據(jù)見表2。同時在現(xiàn)場實際鉆進(jìn)作業(yè)中，未出現(xiàn)泥球、倒滑眼憋扭矩等復(fù)雜現(xiàn)象，鉆井液性能穩(wěn)定。

表2 加入HAS后鉆井液的性能變化情況

圖7 使用鉆井液后巖石親水性實驗

同時為解決井深增加、鉆井液攜巖能力差的問題，在原PEC鉆井液基礎(chǔ)上優(yōu)選使用提切降濾失劑PF-VIF 來替代原有的RS-1和XC，使得改進(jìn)型PEC體系提高鉆井液切力的同時，黏度更容易調(diào)節(jié)控制。改進(jìn)后的鉆井液性能結(jié)果見表3。

表3 加入VIF后鉆井液流變性變化情況

根據(jù)鉆井液優(yōu)化研究，形成了最終的新型鉆井液體系，其基礎(chǔ)配方為：3% 海水膨潤土漿+0.25%NaOH+0.3%Na2CO3+0.25%PAC-HV+0.25%PACLV+1.5%VIF+2%LSF+1%PLH+4%HTC+1.5%HAS，通過動態(tài)污染實驗對改進(jìn)型鉆井液進(jìn)行滲透率恢復(fù)值評價。由表4 可以看出，巖心污染后滲透率恢復(fù)值高達(dá)71.3%，切片后滲透率恢復(fù)值達(dá)92.1%，鉆井液體系對儲層具有很好的油氣層保護(hù)效果。

表4 優(yōu)化后鉆井液儲層保護(hù)實驗

通過現(xiàn)場實鉆，首次成功實現(xiàn)了使用一套鉆井液體系一次性鉆穿明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營組和沙河街組4 套不同巖性特征地層的目的，鉆進(jìn)及起下鉆過程十分順利，鉆井時效大幅度提升，取得了良好的應(yīng)用效果。

3.3 等壁厚馬達(dá)與水利振蕩器配合深鉆技術(shù)

簡化井身結(jié)構(gòu)，在解決了井壁穩(wěn)定性的問題后，面臨的另一個挑戰(zhàn)就是長裸眼段的井眼軌跡控制。目前，在定向工具方面，海上油田常用的是馬達(dá)鉆具和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具。但是隨著井深的增加，常規(guī)馬達(dá)鉆具經(jīng)常出現(xiàn)工具面不穩(wěn)定、托壓嚴(yán)重、定向滑動困難等問題。采用水力振蕩器配合馬達(dá)深鉆，可以有效解決深部地層馬達(dá)滑動過程中出現(xiàn)的鉆柱托壓問題，使鉆壓有效傳遞到鉆頭上，減少底部鉆具黏附卡鉆等復(fù)雜情況發(fā)生，大大節(jié)約鉆井成本。

根據(jù)軟件進(jìn)行模擬，計算水力振蕩器不同閥盤尺寸對應(yīng)的泵壓數(shù)據(jù)，再由現(xiàn)場泵況選擇適合的閥盤尺寸。結(jié)合現(xiàn)場實鉆情況，203.20 mm 水力振蕩器311.15 mm 井眼中鉆井效果如圖8 所示。水力振蕩器配合馬達(dá)深鉆相對于常規(guī)馬達(dá)鉆進(jìn)，平均機(jī)械鉆速提高36.6%，有效解決了深層滑動造斜過程中馬達(dá)產(chǎn)生的托壓問題，大幅提高鉆井時效。

圖8 不同井下工具機(jī)械鉆速對比

4 應(yīng)用效果

井身結(jié)構(gòu)簡化技術(shù)已經(jīng)在墾利10-1 油田成功實施了10口井，作業(yè)效率和井下安全得到了大幅度提升，效果顯著。據(jù)統(tǒng)計，墾利10-1 油田A/B 平臺前期共有4 口井深在3 100 m 以內(nèi)的井使用了三層井身結(jié)構(gòu)，平均單井鉆井工期為13.58 d；有10 口井使用了優(yōu)化后的兩層井身結(jié)構(gòu)，平均單井鉆井工期為11.35 d?？梢钥闯?，經(jīng)過井身結(jié)構(gòu)簡化，平均每口井可節(jié)省工期2.23 d。目前墾利10-1油田經(jīng)過井身結(jié)構(gòu)簡化的10口井，累計節(jié)省工期22.3 d，節(jié)省費用2 899萬元，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益（圖9）。

圖9 二開、三開井身結(jié)構(gòu)工期對比

5 結(jié)論

1）以墾利10-1 區(qū)塊地質(zhì)特征及已鉆探井情況統(tǒng)計為基礎(chǔ)，通過三壓力曲線必封點位置驗證、鉆具強度及不同摩阻系數(shù)下套管下入鉤載，對優(yōu)化后的二開井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行可行性分析，制定井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，滿足墾利區(qū)塊的經(jīng)濟(jì)開發(fā)需求。

2）通過使用海水膨潤土漿開路深鉆技術(shù)，有效擴(kuò)大井眼直徑，充分釋放機(jī)械鉆速，提高了作業(yè)效率；改進(jìn)優(yōu)化PEC 鉆井液體系，使用一套鉆井液體系一次性鉆穿明化鎮(zhèn)、館陶組、東營組和沙河街4套不同的地層，成功解決了墾利10-1油田沙河街地層容易坍塌的問題；配合使用等壁厚馬達(dá)加水力振蕩器深鉆技術(shù)，順利完成深部定向井井眼軌跡控制。

3）墾利10-1油田已優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)的井共10口，可行性研究及現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，優(yōu)化后井身結(jié)構(gòu)滿足鉆完井作業(yè)要求，可有效提高作業(yè)效率，累計節(jié)約工期22.3 d，累計節(jié)省費用達(dá)2 899萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著，具有良好的應(yīng)用前景，值得進(jìn)一步推廣。