楊忠彥,任鴻飛,林圣明,朱懷亮,朱 挺
(1.天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計院,天津 300250;2.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局,河南 鄭州 450016)
在鉆井工藝設(shè)計中,井身結(jié)構(gòu)設(shè)計是基礎(chǔ)[1-3],也是關(guān)系到鉆井能否安全、優(yōu)質(zhì)、高效和經(jīng)濟(jì)完成鉆探目的的重要因素[4-7],其主要任務(wù)是根據(jù)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計確定套管的下入層次、下入深度、固井水泥漿返深等。
地?zé)峋话銢]有異常高壓地層,故不同于油氣井,其井身結(jié)構(gòu)設(shè)計不以地層壓力為設(shè)計主線。與此同時,在地?zé)豳Y源的勘探過程中,為了高效地利用勘探資金,往往在1眼勘探井中設(shè)立2個以上的勘探目的層,這就對鉆井工藝提出了更高的要求?;谏鲜鲈?,為了保證在安全經(jīng)濟(jì)的條件下完成鉆探目的,筆者在長期實踐中總結(jié)出來一套基于同井雙目的層的地?zé)峥碧骄斫Y(jié)構(gòu)設(shè)計方法,并在河南WR-1地?zé)峥碧骄O(shè)計工作中進(jìn)行了驗證。
WR-1地?zé)峋欠?wù)2017年度河南省財政勘查項目“鄭州航空港經(jīng)濟(jì)綜合試驗區(qū)(尉氏段)地?zé)豳Y源調(diào)查”的地?zé)峥碧骄?。根?jù)區(qū)域地質(zhì)情況、鄰井地層情況及物探解譯結(jié)果,地質(zhì)設(shè)計給出了該井可能鉆遇的地層情況,如表1所示。
表1 WR-1地?zé)峥碧骄@遇地層預(yù)測Table 1 Predicted lithology in WR-1 well
WR-1井共設(shè)置2個勘探目的層,其中館陶組地層采用過濾器成井,奧陶系地層采用先期裸眼成井。
設(shè)計過程中,需要兼顧鉆探目的與鉆井安全,充分考慮井身結(jié)構(gòu)各要素的關(guān)系,重點解決以下問題:
(1)選擇正確合理的套管封隔點,減少2個目的層的干擾因素,以保證安全施工。
(2)目的層館陶組過濾器成井,測試后繼續(xù)鉆進(jìn),成井管柱兼做技術(shù)套管,需要兼顧成井效果和安全鉆進(jìn)。
(3)館陶組成井管柱固井設(shè)計問題。
針對地層情況及施工難點,在本次施工中提出了一種基于雙目的層地?zé)峥碧骄斫Y(jié)構(gòu)設(shè)計方法,相比于傳統(tǒng)井身結(jié)構(gòu),能夠更好地起到固井防塌、封隔地層的作用。
2.1.1 套管封隔點確定思路
常壓地層,主要按照地層巖性特征、構(gòu)造特征及鉆成井工藝要求、鉆井成本等方面確定各級套管的封隔點。而基于雙目的層地?zé)峥碧骄斫Y(jié)構(gòu)設(shè)計方法,則需要考慮獨立成井及各自目的層位置結(jié)合地層巖性、鉆井安全經(jīng)濟(jì)來確定封隔點位置[8-10],因此對表層套管和技術(shù)套管的設(shè)計也提出了更高的要求。
2.1.1.1 表層套管
在此次設(shè)計中,表層套管的作用是防止淺部水層受到污染和上部松散地層塌孔,與此同時也需要兼作泵室管。本井第四系地層預(yù)測厚度200 m,初選表層套管下入深度為200 m,同時根據(jù)區(qū)域內(nèi)儲層壓力和開發(fā)情況,可以滿足作為泵室的要求[11-13]。
2.1.1.2 技術(shù)套管
一般情況,基巖面上下地層可鉆性差異大,上部地層成巖性差,穩(wěn)定性差,因此需要一級技術(shù)套管封隔[12-14]。由于本井預(yù)測三疊系頂板(基巖面)深度達(dá)1200 m,同時館陶組是勘探目的層,需要獨立成井,因此選定二開技術(shù)套管封隔點1200 m。此時二開技術(shù)套管也作為館陶組目的層的成井管柱[13-16]。
奧陶系目的層采用先期裸眼成井方法,因此頂板以上需要套管封隔水敏不穩(wěn)定地層。故三開技術(shù)套管深度2850 m。
2.1.2 套管尺寸與井眼直徑的選配
根據(jù)套管封隔點確定后的情況,將WR-1地?zé)峥碧骄O(shè)計為四開鉆井結(jié)構(gòu),需要下入三級套管。
地?zé)峋O(shè)計套管尺寸和井眼直徑時一般考慮幾點因素:表層套管兼作泵室管,直徑應(yīng)滿足下入潛水泵要求;套管之間的間隙主要從鉆井工藝要求、鉆井任務(wù)要求和成本方面考慮;套管與井眼間隙應(yīng)考慮地層巖性特性、井斜角、曲率等情況[1]。
實際設(shè)計過程中,無特殊情況下,通常采用“13/9/7”配合系列。具體內(nèi)容即:套管尺寸(英制)依次為13、9、7 in(1 in=25.4 mm,下同),配合的井眼直徑(英制)為17、12、8in。
按照“13/9/7”套管系列確定本井套管尺寸與井眼直徑的配合系列如下:
一開?444.5 mm,深度200 m,下入表層套管尺寸?339.7 mm,深度200 m。
二開?311mm,深度1200 m,下入?244.5 mm技術(shù)套管(兼做成井套管),下入井段170~1200 m,與表層套管重疊30 m。
三開?215.9 mm,深度2850 m,下入?177.8 mm技術(shù)套管,下入井段1170~2850 m,與二開套管重疊30 m。
四開?152.4 mm,深度3000 m。
在雙目的層地?zé)峋O(shè)計過程中,由于產(chǎn)層復(fù)雜,在設(shè)計套管時需要通過強(qiáng)度校核選擇符合要求且合理的壁厚和鋼級[1]。
地?zé)峋话銥槌旱貙?,不存在高壓氣體等,不考慮抗內(nèi)壓,一般工況以抗外擠為主,本井預(yù)測沒有高塑性地層、巖鹽地層,因此以常規(guī)工況校核外擠強(qiáng)度,選擇合適的鋼級和壁厚,然后再進(jìn)行抗拉強(qiáng)度校核。安全系數(shù)可以參考石油鉆井的相關(guān)要求。
2.2.1 表層套管
表層套管兼作泵室管,使用功能對性能的要求高于鉆井技術(shù)的要求,一般不做校核,綜合考慮泵室的抗腐蝕、使用壽命等因素,選用鋼級J55、壁厚9.65 mm的石油套管。
2.2.2 二開技術(shù)套管
2.2.2.1 通過抗外擠壓力選擇鋼級和壁厚
一般按下套管時井內(nèi)最大鉆井液靜液柱壓力作為套管的最大外擠載荷,套管外擠力計算公式如下[1]:
式中:Pj——外擠壓力,MPa;ρm——鉆井液密度,g/cm3;Hj——井深,m。
地?zé)峋畼O端外擠工況為空壓機(jī)洗井掏空,一般按掏空700 m來計算,ρm取1.15 g/cm3,則計算出外擠壓力Pj=7.9 MPa。取安全系數(shù)1.125,故套管的抗 外 擠壓 力 必 須大 于Pj×1.125=8.89 MPa[2]。幾種常用的?244.5 mm地?zé)峋坠艿南嚓P(guān)性能見表2。
表2中前2種套管雖然也能滿足抗擠要求且成本低,但不常用,采購困難,故選用第3種套管,其壁厚8.94 mm,J55鋼級,抗擠13.9 MPa。
表2 幾種?244.5 mm套管相關(guān)性能Table 2 Specifications of different types of 244.5mm casing
2.2.2.2 抗拉強(qiáng)度校核
套管柱軸向拉力是由套管柱自重產(chǎn)生,套管柱自下而上軸向拉力變大,最頂端套管所承受的軸向拉力最大,計算套管最大軸向拉力[1]。
式中:Tz——套管自重產(chǎn)生的軸向拉力,kN;qi——第i段套管單位長度質(zhì)量,kg/m;li——第i段套管長度,m。
q1為53.57 kg/m,段長l1為1030 m,計算出套管軸向拉力為Tz1=541.3 kN,以接箍連接強(qiáng)度進(jìn)行抗拉校核,據(jù)規(guī)范查得接頭連接強(qiáng)度為1753 kN,安全系數(shù)取2.0,有Tz1×2.0=1082.6 kN<1753 kN,抗拉強(qiáng)度滿足要求。
2.2.3 三開技術(shù)套管
三開技術(shù)套管在本井鉆井及利用過程中少有抗擠工況,只需校核抗拉強(qiáng)度。地?zé)峋┕ぶ?177.8 mm石油套管常用以下幾種類型[2],其相關(guān)性能見表3所示。
表3 幾種?177.8 mm套管相關(guān)性能Table 3 Specifications of different types of 177.8mm casing
表3中第1種套管成本最低,對其進(jìn)行抗拉強(qiáng)度校核。設(shè)計段長1680 m,套管單位質(zhì)量34.23 kg/m,安全系數(shù)取1.7。計算得Tz2=564 kN,接頭連接強(qiáng)度為1383 kN,安全系數(shù)取2.0,有Tz2×2.0=1128 kN<1383 kN,滿足抗拉要求。
三開?177.8 mm套管選擇的壁厚為8.05 mm,鋼級為J55。
2.2.4過濾器設(shè)計
館陶組目的層過濾器成井,?311 mm井眼下入?244.5 mm過濾器,常規(guī)過濾器無法滿足要求,因此需要進(jìn)行重新設(shè)計。
根據(jù)儲層性質(zhì)確定過濾器類型為纏絲籠式過濾器,為了提高擋砂效果設(shè)計內(nèi)包網(wǎng)結(jié)構(gòu);骨架管尺寸需與技術(shù)套管一致;過濾器最大外徑應(yīng)與井眼直徑相匹配,以能夠安全下入為前提,原則上過濾器最大外徑≯骨架管接箍外徑,參數(shù)見表4。設(shè)計過濾器最大外徑268 mm(骨架管接箍外徑269.9 mm)。
表4 過濾器設(shè)計參數(shù)Table 4 Design technical parameters of the filter
2.3.1 表層套管固井
采用內(nèi)管固井方法,套管內(nèi)下入內(nèi)管,封井口,頂替水泥漿進(jìn)行固井作業(yè),如圖1所示。該方法的優(yōu)點是操作簡單,頂替液漿量小,容易準(zhǔn)確計量。表層固井多采用R32.5普通硅酸鹽水泥,水泥漿密度≮1.70 g/cm3,水泥塞高度≮10 m。
圖1 表層套管固井Fig.1 Surface casing cementing
2.3.2 二開技術(shù)套管固井
2.3.2.1 過濾器底部“穿鞋”固井
二開館陶組目的層過濾器成井,技術(shù)套管兼做成井管柱,底部“穿鞋”固井目的是穩(wěn)固套管,保證三開鉆井安全。采用內(nèi)插管固井方法,下管時將內(nèi)插底座連接在過濾器底部預(yù)定位置,下井到位后,下入內(nèi)插接頭與底座密封連接,這樣就可以在過濾器下部進(jìn)行注水泥固井作業(yè)[17]。過濾器底部固井如圖2所示。
圖2 過濾器底部固井Fig.2 Cementing of the filter bottom
水泥返高不得超過過濾器底界,避免水泥封固水層。采用G級油井水泥,水泥漿密度≮1.80 g/cm3,水泥漿上返至過濾器下部50 m。
2.3.2.2 重疊段擠水泥固井
底部固井完成后,與表層套管重疊部分采用擠水泥固井,起到止水和固定套管的目的。操作步驟為下入鉆桿,封井口,通過固井泵壓裂地層擠入水泥漿封固重疊部分,重疊段擠水泥固井如圖3所示。采用G級油井水泥,干水泥用量≮5 t,水泥漿密度≮1.80 g/cm3,技術(shù)套管頂部水泥塞高度≮10 m。
圖3 重疊段擠水泥固井Fig.3 Squeezing of cement along the overlayingcasing interval
2.3.3 三開技術(shù)套管固井
2.3.3.1 底部“穿鞋”固井
鉆具連入管柱送至井內(nèi),到位后頂替循環(huán)進(jìn)行“穿鞋”固井,如圖4所示。G級油井水泥,水泥漿密度≮1.80 g/cm3,水泥漿上返高度≮400 m,套管內(nèi)水泥塞高度≮20 m。
圖4 底部“穿鞋”固井Fig.4 Cementing of the casing bottom
2.3.3.2 重疊部分?jǐn)D水泥固井
重疊部分?jǐn)D水泥固井原理及參數(shù)同2.3.2.2。
通過上述設(shè)計過程,確定了該勘探井井身結(jié)構(gòu)的全部要素,設(shè)計的井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)見表5。
河南WR-1地?zé)峋畤?yán)格按照表5井身結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了施工,實際井身結(jié)構(gòu)見圖5,圓滿完成了各項勘探任務(wù),井身結(jié)構(gòu)的合理性和可行性得到了驗證。
表5 河南WR-1井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)Table 5 Casing program of WR-1 well
圖5 河南WR-1井井身結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of WR-1 well
3.1.1 一開鉆井施工
一開?444.5 mm鉆頭鉆至井深200.75 m完鉆,按設(shè)計下入?339.7 mm、壁厚9.65 mm、鋼級J55的表層套管200.75 m,對應(yīng)井深0~200.75 m。內(nèi)管法固井,R32.5礦渣硅酸鹽水泥,干水泥用量16 t,水泥漿密度為1.75 g/cm3,水泥漿返至地面。
3.1.2 二開鉆井施工
二開?311.2 mm鉆頭鉆進(jìn)至1150 m鉆穿館陶組,為了保證固井質(zhì)量,繼續(xù)加深至1295.06 m二開完鉆。下入?244.5mm、壁厚8.94 mm、鋼級J55的成井管柱,長度1124.64 m,對應(yīng)井深170.42~1295.06 m,其中過濾器長度80.71 m。
過濾器底部采用內(nèi)插管固井,內(nèi)插接頭安裝位置1280.68 m,過濾器底界1129.29 m,預(yù)計水泥返深1180 m,G級油井水泥5 t,水泥漿密度1.81 g/cm3,套管內(nèi)水泥塞20 m。上部重疊段擠水泥固井,G級油井水泥7.5 t,水泥漿密度1.81 g/cm3。?339.7 mm套管內(nèi)水泥塞20 m,候凝時間36 h。
館陶組熱儲層測試結(jié)果,靜水位50.4 m,動水位114.95 m,出水量為100.39 m3/h,出水穩(wěn)定流溫為55℃。
3.1.3 三開鉆井施工
三開?215.9 mm鉆頭鉆進(jìn)至井深2954.08 m完鉆。下入?177.8 mm、壁厚8.05 mm、鋼級J55的石油套管1694.82 m,對應(yīng)井深1259.26~2954.08 m,與上一級套管重疊35.8 m。底部固井使用G級油井水泥11 t,水泥漿密度1.81 g/cm3。重疊段擠水泥固井,G級油井水泥5 t,水泥漿密度1.80 g/cm3,候凝48 h。
3.1.4 四開鉆井施工
四開采用?152.4 mm鉆進(jìn)奧陶系目的層,至井深3302 m完鉆終孔。奧陶系裸眼成井,后進(jìn)行一系列洗井及產(chǎn)能測試,結(jié)果該儲層在本井發(fā)育不理想,不具備開發(fā)價值。
從上述施工驗證過程來看,本文提出的設(shè)計方案能夠滿足指導(dǎo)實際生產(chǎn)的要求,但在實施過程中也出現(xiàn)了一些與理論不相符合的情況,針對這些情況對本設(shè)計方案也進(jìn)行了一定的調(diào)整修改。
(1)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計時,對館陶組儲層測試后如何封閉有2種方案,一是注水泥封堵,二是鉆進(jìn)中鉆井液封堵。實鉆中水泥封堵難度大,采用了第二種方案。三開鉆進(jìn)過程中,當(dāng)鉆井液密度>1.16 g/cm3時,館陶組儲層發(fā)生了鉆井液漏失,為了鉆井安全,鉆井液密度嚴(yán)格控制在1.15 g/cm3以下。但當(dāng)鉆進(jìn)至2440 m左右時二疊系泥巖地層壓力高,有坍塌掉塊現(xiàn)象,需要加重鉆井液平衡地層壓力,以保持井壁穩(wěn)定。處理過程中經(jīng)常出現(xiàn)上漏下塌的復(fù)雜情況,最終采用先堵漏再逐漸加重的方案解決了問題。
(2)實鉆館陶目的層粒度很細(xì),屬于粉砂層,原設(shè)計的過濾器內(nèi)包40目銅網(wǎng)無法有效擋砂,常規(guī)情況下,這種地層最有效的工藝為填礫成井,由于井身結(jié)構(gòu)限制而無法實現(xiàn)。施工中采用再外包一層60目尼龍網(wǎng)工藝,實現(xiàn)了有效擋砂[18]。
(3)二開館陶組過濾器成井,為了提高洗井效果,實踐中將化學(xué)洗井加到固井工藝中,即底部固井注水泥前,注入0.8%焦磷酸鈉溶液20 m3,使其與井壁泥皮充分反應(yīng),更好地發(fā)揮了化學(xué)洗井的作用。水泥候凝約72 h后,進(jìn)行了空壓機(jī)洗井,只用了10 h就疏通了儲層,達(dá)到了預(yù)期目的。
(1)本井通過合理的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計,達(dá)到了安全勘探2個目的層并兼顧獨立成井測試的目的,為同井多目的層勘探提供了實踐經(jīng)驗。
(2)二開中為了兼顧成井與繼續(xù)鉆進(jìn),重新設(shè)計了過濾器,實踐證明完全可以達(dá)到常規(guī)過濾器的性能效果。
(3)二開底部固井是關(guān)鍵環(huán)節(jié),既要保證固井過程中第一目的層不被封堵,又要使套管穩(wěn)固,保證繼續(xù)施工的安全。實踐中采用內(nèi)插法固井達(dá)到了目的,豐富了地?zé)峋叹椒?,可為其它類似項目提供借鑒。
(4)同井多目的層一般用于勘探井,從節(jié)約科研資金和對比分析的角度,通過一眼勘探井對不同儲層進(jìn)行科學(xué)研究,是目前一些項目比較流行的做法,合理的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計是實現(xiàn)這一目的的關(guān)鍵。