樂(lè)　明王　俊王　劍許恒岳王殿榕（.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北　武漢　00；.中國(guó)石油遼河油田分公司興隆臺(tái)采油廠采油作業(yè)五區(qū)，遼寧　盤(pán)錦　00；.中國(guó)石油西部鉆探定向井技術(shù)服務(wù)公司，新疆　烏魯木齊　8006；.中國(guó)石油遼河石油勘探局遼河工程技術(shù)處，遼寧　盤(pán)錦　00）

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庫(kù)車(chē)凹陷地區(qū)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

樂(lè)明1王俊2王劍3許恒岳4王殿榕4
（1.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢434100；2.中國(guó)石油遼河油田分公司興隆臺(tái)采油廠采油作業(yè)五區(qū)，遼寧盤(pán)錦124010；3.中國(guó)石油西部鉆探定向井技術(shù)服務(wù)公司，新疆烏魯木齊830026；4.中國(guó)石油遼河石油勘探局遼河工程技術(shù)處，遼寧盤(pán)錦124010）

摘要庫(kù)車(chē)凹陷位于塔里木盆地北部南天山山前地區(qū)，具有十分優(yōu)越的油氣地質(zhì)條件。然而呈現(xiàn)出儲(chǔ)層埋藏深、地層壓力系統(tǒng)復(fù)雜（高壓鹽水層、鹽膏層、高壓氣層）、井深地溫高和鹽膏層影響井身結(jié)構(gòu)質(zhì)量和后期固井質(zhì)量等問(wèn)題。在預(yù)測(cè)地層孔隙壓力、坍塌壓力、破裂壓力的三壓力剖面基礎(chǔ)上，考慮鹽膏層蠕變問(wèn)題，通過(guò)分析庫(kù)車(chē)山前地區(qū)地質(zhì)情況、已鉆井的井身結(jié)構(gòu)和復(fù)雜事故等確定了井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞井身結(jié)構(gòu)地層壓力鹽膏層鉆井液密度必封點(diǎn)

修訂回稿日期：2016-03-01

0　引言

井身結(jié)構(gòu)主要包括套管層次和每層套管的下入深度，以及套管和井眼尺寸的配合。井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅關(guān)系到安全鉆井，而且對(duì)鉆井效益的提高有著特別重要的意義，在地層壓力系統(tǒng)復(fù)雜情況下尤其重要。庫(kù)車(chē)地區(qū)吉迪克組存在巨厚鹽膏層，由于鉆井液密度不合理，容易發(fā)生蠕變縮徑，使下套管受阻或者擠毀套管，影響了井身結(jié)構(gòu)質(zhì)量，從而導(dǎo)致固井作業(yè)困難；此外，第四系庫(kù)車(chē)組結(jié)構(gòu)松散，礫石成份大，易發(fā)生滲透性漏失，第三系附近存在高壓鹽水層和高壓氣層，易發(fā)生溢流。因此，為了提高庫(kù)車(chē)山前構(gòu)造地區(qū)的發(fā)展，庫(kù)車(chē)地區(qū)井身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化亟需完成。

1　鉆遇地層復(fù)雜情況及鉆井難點(diǎn)

大古1井是一口位于庫(kù)車(chē)凹陷大澇壩2號(hào)構(gòu)造的預(yù)探井，該井主要是為了探索大澇壩2號(hào)構(gòu)造的儲(chǔ)層發(fā)育特征、儲(chǔ)層的成因機(jī)制及含油氣性。鉆遇吉迪克組4 810 m、4 964 m、5 019.61 m時(shí)分別發(fā)生測(cè)井遇阻，溢流；在通過(guò)巴什基奇克組時(shí)，在5 445.39 m、5 689.93 m發(fā)生了高壓差條件下的吸附卡鉆，在5 600～5 650 m發(fā)生了較大量的漏失（11～13 m3）。大古2井是一口位于塔河油田二八臺(tái)一號(hào)構(gòu)造的一口勘探井，大古2井在吉迪克組4 800 m、5 200 m、5 930 m、6 475.28 m多處遇阻，嚴(yán)重的是在舒善河組6 431 m處發(fā)現(xiàn)油氣上竄速度高達(dá)808.53 m3/h。庫(kù)車(chē)1井也有類(lèi)似情況，庫(kù)車(chē)山前地區(qū)上部第四系處發(fā)生漏失，多處發(fā)生壓差卡鉆、溢流、遇阻和地層水、氣侵入。

通過(guò)對(duì)庫(kù)車(chē)山前地區(qū)大古1井、大古2井，庫(kù)車(chē)1井的實(shí)鉆情況和復(fù)雜事故分析，發(fā)現(xiàn)庫(kù)車(chē)山前地區(qū)上部第四系地層礫石與粘土膠結(jié)差，地層易塌易漏；庫(kù)車(chē)組、康村組以及吉迪克組上部地層膠結(jié)疏松，泥巖地層軟，遇水軟化、膨脹而造成縮徑阻卡；吉迪克組中下部地層含膏、膏質(zhì)泥巖，易發(fā)生膏浸污染鉆井液，易縮徑，輕微導(dǎo)致環(huán)形空間變小，影響固井質(zhì)量，嚴(yán)重則導(dǎo)致套管擠毀，甚至井的報(bào)廢，因此鹽膏層段控制縮徑量尤其重要。吉迪克下部發(fā)育有多套高壓鹽水層，鄰井就因?yàn)楦邏蝴}水層沒(méi)有完全封固造成多次井下復(fù)雜情況。

2　井身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)是地層孔隙壓力和地層破裂壓力。通過(guò)對(duì)庫(kù)車(chē)山前構(gòu)造帶資料統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)新近系吉迪克組地層膏質(zhì)泥巖發(fā)育，泥膏巖易發(fā)生塑性蠕變，造成井眼縮徑，從而導(dǎo)致遇阻、卡鉆、擠毀套管等復(fù)雜情況的發(fā)生。因此，鹽膏層的蠕變壓力也是設(shè)計(jì)該地區(qū)合理的井身結(jié)構(gòu)的必要條件。

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理與否，其中一個(gè)重要的決定因素是設(shè)計(jì)中所用到的抽吸壓力系數(shù)、激動(dòng)壓力系數(shù)、破裂壓力安全系數(shù)、井涌允量和壓差卡鉆允值這些基礎(chǔ)系數(shù)是否合理。抽吸和激動(dòng)壓力允值應(yīng)從該地區(qū)大量的抽吸和激動(dòng)壓力數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)而來(lái)，即由該地區(qū)所有井每趟起下鉆所產(chǎn)生的抽吸和激動(dòng)壓力，折合成壓力梯度，然后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析來(lái)確定抽吸和激動(dòng)壓力允值的取值范圍。由于不同鉆具組合與井眼結(jié)構(gòu)對(duì)抽吸激動(dòng)壓力的影響不同，為了準(zhǔn)確地描述各段的抽吸激動(dòng)壓力允值，針對(duì)庫(kù)車(chē)區(qū)塊鉆井使用的鉆具組合、套管與井眼數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)［1］（表1）。

根據(jù)庫(kù)車(chē)區(qū)塊已鉆井起下鉆記錄、井涌、卡鉆等井史資料，確定了庫(kù)車(chē)區(qū)塊井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)△pn為11 MPa、△pab為18 MPa、鉆井液密度允差Sf為0.02～0.03 g/cm3和井涌允值Sk為0.06～0.07 g/cm3。

表1　庫(kù)車(chē)區(qū)塊井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抽吸壓力允許值Sb、激動(dòng)壓力允許值Sg取值范圍表

3　鹽膏層層段蠕變研究

鹽膏層作為油氣儲(chǔ)層的良好蓋層，在庫(kù)車(chē)山前構(gòu)造帶鹽膏層普遍發(fā)育，尤其是在吉迪克組、蘇維依組等。由于鹽巖蠕變外擠壓力是隨時(shí)間逐漸增加而且鹽巖蠕變外擠壓力很大，容易擠毀套管。因此，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要考慮的是裸眼井段鹽膏層蠕變引起的縮徑問(wèn)題。然而在眾多的影響因素中，只有鉆井液密度可以調(diào)節(jié)［2］。

3.1蠕變參數(shù)的確定

3.1.1彈性參數(shù)E、μ的確定

利用地震層速度資料，結(jié)合該井上部層段的測(cè)井資料，提取地震特征參數(shù)進(jìn)行特征壓縮，建立起層速度與聲波時(shí)差之間的關(guān)系模型，然后利用該模型對(duì)鹽巖層的聲波時(shí)差進(jìn)行預(yù)測(cè)，并結(jié)合地層密度求得鹽巖地層的彈性參數(shù)為：E=6.994 2×104MPa；μ=0.32。

3.1.2蠕變參數(shù)A、n的確定

庫(kù)車(chē)山前構(gòu)造帶含膏巖地層蠕變模型可采用FLAC3D中WIPP蠕變模型模擬計(jì)算（ε=Aσ- n，其中A=e--R）。由于沒(méi)有取到新近系吉迪克組膏泥巖地層的巖心，膏泥巖層蠕變參數(shù)可以通過(guò)測(cè)量已鉆井的蠕動(dòng)速率，并結(jié)合地應(yīng)力及使用的鉆井液密度，運(yùn)用軟件回歸得到蠕變參數(shù)，該地區(qū)蠕變參數(shù)為A= 2.63e-4，n=3.5。

3.2膏泥巖層鉆井液密度的確定

確定安全鉆穿鹽巖層的合理鉆井液密度與膏泥巖層所處于的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，本研究對(duì)該地區(qū)新近系吉迪克組膏泥巖層特性及地應(yīng)力分布情況進(jìn)行了分析，并利用FLAC3D軟件對(duì)該地區(qū)新近系吉迪克組膏泥巖層進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2、表3，并根據(jù)該表繪制出不同埋深下鹽巖井眼縮徑率圖譜（圖1、圖2）。

表2　不同埋深、不同鉆井液密度下膏泥巖層井眼10 d蠕變量表mm

表3　不同埋深、不同鉆井液密度下膏泥巖層井眼30 d蠕變量表mm

圖1　不同埋深下膏泥巖層10 d井眼蠕變量圖譜圖2　不同埋深下膏泥巖層30 d井眼蠕變量圖譜

為了在鉆井過(guò)程中防止鹽膏巖蠕變縮徑造成卡鉆事故或影響固井質(zhì)量，必須通過(guò)嚴(yán)格控制鉆井液密度來(lái)控制新近系吉迪克組泥膏層的縮徑率，以保證鉆進(jìn)安全順利進(jìn)行，另外，為保證機(jī)械鉆速，鉆井液密度不能太大。庫(kù)車(chē)2井第三次開(kāi)鉆井段4 910～5 637 m，采用311.15 mm鉆頭鉆進(jìn)和下入265.1 mm中間套管，環(huán)形空間間隙23.025 mm，進(jìn)入新近系吉迪克組時(shí)鉆井液密度由1.8 g/cm3上提到2.1 g/cm3，30 d后的蠕變量為18.38 mm，小于環(huán)形空間間隙，不會(huì)發(fā)生縮徑擠毀套管的事故，且順利鉆穿新近系吉迪克組地層。

4　套管層次、套管下深和必封點(diǎn)的確定

設(shè)計(jì)的基本原理是根據(jù)裸眼井段的力學(xué)平衡關(guān)系［3］

防壓差卡鉆的力學(xué)關(guān)系式：

關(guān)井時(shí)防漏的力學(xué)關(guān)系式：

式中，ρmax為裸眼段最大鉆井液密度，g/cm3；ρpmax，ρpmin為鉆遇的地層最大和最小時(shí)地層孔隙壓力當(dāng)量密度，g/cm3；ρfmin為鉆遇的最小地層破裂壓力當(dāng)量密度，g/cm3；Hpmax，Hpmin為最大和最小地層孔隙壓力所對(duì)應(yīng)的深度，m。在確保鉆井與井下作業(yè)安全的前提下，結(jié)合地層穩(wěn)定性分析、充分考慮完井油管和油層套管尺寸，采取“由內(nèi)到外”和“由下而上”相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法合理確定各層套管和鉆頭尺寸［4-5］。合理的井身結(jié)構(gòu)是優(yōu)快鉆井技術(shù)的基礎(chǔ)和先決條件，為此，通過(guò)對(duì)庫(kù)1井礫石層的地層壓力、發(fā)育、機(jī)械鉆速及膠結(jié)特性分析，對(duì)庫(kù)2井的井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化研究，主要體現(xiàn)在：①庫(kù)2井第一次開(kāi)鉆設(shè)計(jì)鉆穿第四系地層并進(jìn)入庫(kù)車(chē)組50 m結(jié)束第一次開(kāi)鉆，減少了第一次開(kāi)鉆大尺寸井眼的長(zhǎng)度，從而提高了上部地層的機(jī)械鉆速、縮短了鉆井周期；②鹽膏層段套管采用265.1 mm×TP155V×22 mm×TP-FJ直連式無(wú)接箍厚壁高抗擠套管，降低鹽膏層套管被擠毀風(fēng)險(xiǎn)；③第四次開(kāi)鉆采用215.9 mm鉆頭鉆進(jìn)，下入177.8 mm套管，如果第四次開(kāi)鉆遇異常高壓地層或鉆進(jìn)中出現(xiàn)復(fù)雜情況，在壓差超過(guò)允許最大壓差值25 MPa以上時(shí)，可采取擴(kuò)孔后下入206.4 mm套管，下開(kāi)次采用165.1mm鉆頭鉆至完鉆井深后，下入142.68 mm或127 mm尾管，確保安全鉆達(dá)完鉆井深（表4）。

表4　庫(kù)2井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化表

5　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

庫(kù)車(chē)2井是位于庫(kù)車(chē)地區(qū)天山南區(qū)亞肯北1號(hào)構(gòu)造的一口重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)探井（直井），設(shè)計(jì)完鉆井深6 560 m，完鉆層位白堊系舒善河組23 m。該井存在大段礫石層、巨厚鹽膏層及目的層高壓氣層等，鉆井施工進(jìn)度緩慢。針對(duì)這種情況，將優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)方案應(yīng)用到庫(kù)車(chē)2井，庫(kù)車(chē)2井的鉆井周期比鉆井設(shè)計(jì)周期提前了22.27％；相比庫(kù)車(chē)1井的鉆井周期725.46 d，庫(kù)車(chē)2井鉆井周期縮短了291.75 d，鉆井周期縮短率為40.21％。庫(kù)車(chē)2井機(jī)械鉆速為1.30 m/h，同比庫(kù)車(chē)1井的0.68 m/h提高了91.18％。

6　結(jié)論

1）庫(kù)車(chē)山前地區(qū)所鉆的井基本上屬于深井超深井，加之地層壓力系統(tǒng)復(fù)雜，考慮到鹽膏層縮徑問(wèn)題，預(yù)測(cè)結(jié)果會(huì)與實(shí)際情況有不小差異，因此，在井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)地質(zhì)不確定性預(yù)留一定的變化空間，否則會(huì)發(fā)生復(fù)雜事故。

2）在深井超深井鉆井過(guò)程中，特別是井下存在大段鹽膏層時(shí)，鹽膏層段合理的鉆井液密度確定是最重要的環(huán)節(jié)之一。

參考文獻(xiàn)

［1］唐海，周開(kāi)吉，陳翼嵋.石油工程設(shè)計(jì)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2011.

［2］劉繪新，張鵬，熊友明.合理井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新方法研究［J］.西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，26（1）：20-21.

［3］管志川，李春山，周廣陳，等.深井和超深井鉆井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法［J］.石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2001，25（6）：42-43.

［4］周延軍，賈江鴻，李真祥，等.復(fù)雜深探井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用研究［J］.石油機(jī)械，2010，38（4）：8-10.

［5］李莎莎，吳建忠，胡大梁.元壩陸相水平井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究［J］.天然氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2015，9（3）：41-44.

（編輯：李臻）

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：2095-1132（2016）02-0050-04

doi：10. 3969/j. issn. 2095-1132. 2016. 02. 013

作者簡(jiǎn)介：樂(lè)明（1989-），碩士研究生，研究方向?yàn)閹r石力學(xué)與石油工程。E-mail：yomy403756284@vip.qq.com。