井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

曾 勇，鄭雙進(jìn) （長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北荊州434023）

吳俊成 （塔里木油田銷(xiāo)售事業(yè)部，新疆 庫(kù)爾勒841000）

劉存鵬，胡 靖，胡可能，程 萬(wàn) （長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北荊州434023）

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是鉆井工程設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一，它不僅關(guān)系到鉆井施工的安全順利，而且還關(guān)系到鉆井經(jīng)濟(jì)效益。合理的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既能最大限度地避免漏、噴、塌、卡等工程事故的發(fā)生，又能最大幅度地減少鉆井工程費(fèi)用。因此，對(duì)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究具有重要的實(shí)際意義。下面，筆者對(duì)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容進(jìn)行闡述。

1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響因素

1.1 地層壓力

地層壓力包括地層孔隙壓力、地層破裂壓力和地層坍塌壓力[1]。地層孔隙壓力是指巖石孔隙中的流體所具有的壓力，地層破裂壓力是指井壁巖石所受的周向應(yīng)力超過(guò)巖石的拉伸強(qiáng)度時(shí)的臨界井眼液柱壓力，地層坍塌壓力是指井壁周?chē)鷰r石所受應(yīng)力超過(guò)巖石本身的強(qiáng)度而產(chǎn)生剪切破壞時(shí)的臨界井內(nèi)液柱壓力。在石油鉆井工程中，地層壓力是確定鉆井液密度窗口和設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)的依據(jù)，關(guān)系到能否安全、優(yōu)質(zhì)、快速地進(jìn)行鉆井作業(yè)。因此，準(zhǔn)確地確定地層壓力并繪制地層壓力剖面是合理設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)的前提。

1.2 工程系數(shù)

現(xiàn)代井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法建立在井眼與地層間的壓力平衡基礎(chǔ)上，因此，準(zhǔn)確的確定井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程系數(shù)，直接影響到井身結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)。

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程系數(shù)包括抽吸壓力和激動(dòng)壓力系數(shù)、地層破裂壓力安全系數(shù)、井涌系數(shù)、壓差卡鉆臨界值等[2]。由于上述工程系數(shù)隨井深的變化而變化，因而在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)采用隨井深變化的工程系數(shù)值。具體情況如下：①抽吸壓力系數(shù)和激動(dòng)壓力系數(shù)。石油鉆井過(guò)程中，起下鉆或下套管作業(yè)過(guò)程中在井眼內(nèi)會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)壓力，下放管柱產(chǎn)生激動(dòng)壓力，上提管柱產(chǎn)生抽吸壓力。因此，在井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要考慮這種由起下鉆或下套管引起的壓力波動(dòng)。抽吸壓力系數(shù)和激動(dòng)壓力系數(shù)受下列因素控制，即管柱起下速度、鉆井液粘度、鉆井液切力、環(huán)空間隙、鉆井液密度和環(huán)形節(jié)流 （如鉆頭泥包）等。在其他條件相同時(shí)，波動(dòng)壓力隨井深增加而增大，隨環(huán)空間隙增大而減小，隨定向井偏心度增加而減小。因此，需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)具體工況和大量鄰井資料來(lái)確定上述系數(shù)。②地層破裂壓力安全系數(shù)。該系數(shù)針對(duì)地層破裂壓力預(yù)測(cè)有可能產(chǎn)生誤差而設(shè)，因而與破裂壓力預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度有很大關(guān)系，在設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)地層破裂壓力預(yù)測(cè)或測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)確定具體工程系數(shù)值。③井涌系數(shù)。該系數(shù)表示最大井涌地層的壓力系數(shù)超過(guò)所用鉆井液密度的最大允許值，該值取決于地層壓力的預(yù)測(cè)精度，也取決于現(xiàn)場(chǎng)控制井涌的能力（如設(shè)備技術(shù)條件）。④壓差卡鉆臨界值。裸眼井鉆進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)鉆井液液柱壓力與地層孔隙壓力的差值過(guò)大時(shí)，不僅造成機(jī)械鉆速降低，也會(huì)導(dǎo)致壓差卡鉆和壓差卡套管事故的產(chǎn)生。由于各個(gè)區(qū)塊的地層條件、鉆井液性能、鉆具結(jié)構(gòu)、鉆井工藝措施等有所差異，其壓差卡鉆臨界值也不同。

2 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是確定套管的層次和下入深度。在傳統(tǒng)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中，主要保證在鉆井過(guò)程和井涌壓井時(shí)不會(huì)壓裂地層而發(fā)生井漏，并在鉆井和下套管時(shí)不發(fā)生壓差卡鉆事故[3]。主要有自下而上、自上而下2種設(shè)計(jì)方法來(lái)逐層確定每層套管的下入深度[4]。自下而上的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法是自下而上逐層確定每層套管的下入深度，保證套管下入深度最淺，套管費(fèi)用最少，套管下深的合理性取決于對(duì)下部地層特性了解的準(zhǔn)確程度；而在自上而下的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中，套管下深根據(jù)上部已鉆地層資料確定，不受下部地層的影響，有利于井身結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。每層套管下入的深度最深，從而為后續(xù)鉆進(jìn)留有足夠的套管余量，有利于保證順利鉆達(dá)目的層位。

對(duì)于同一地層存在多套壓力系統(tǒng)的高壓深井 （尤其是深探井），上述井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法存在一定缺陷。因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)過(guò)程中只參考了地層壓力剖面，而許多復(fù)雜的井下情況無(wú)法反映在地層壓力剖面上，如易漏易塌層、鹽巖層等。為了施工作業(yè)順利進(jìn)行，需要對(duì)上述復(fù)雜地層進(jìn)行及時(shí)封隔，而在采取上述措施時(shí)必須首先確定必封點(diǎn)的位置，這對(duì)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要作用。必封點(diǎn)包括工程必封點(diǎn)和地質(zhì)復(fù)雜必封點(diǎn)[5]。工程必封點(diǎn)是根據(jù)壓力剖面計(jì)算出套管的下深位置，而地質(zhì)復(fù)雜必封點(diǎn)包括易坍塌頁(yè)巖層、塑性泥巖層、鹽巖層、巖膏層、裂縫型溶洞、破裂帶地層等。因此，在進(jìn)行井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體地層情況，首先確定必封點(diǎn)的位置，再結(jié)合傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法確定技術(shù)套管、表層套管和油層套管的尺寸和下深，以確定該井的具體井身結(jié)構(gòu)。井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體流程圖如圖1所示。

圖1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程圖

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

采用上述方法對(duì)柴達(dá)木盆地某口井的井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。該井位于柴達(dá)木盆地柴西南區(qū)切克里克凹陷切東斜坡，設(shè)計(jì)井深為3250m，目的層位：

該井的鉆井施工難點(diǎn)主要包括以下幾方面：①中上段巖性基本上以礫巖和砂狀礫巖為主，鉆頭優(yōu)選困難，同時(shí)易坍塌；②地層可鉆性極差，很難提高機(jī)械鉆速；③預(yù)告地層傾角10～16°，井斜難以控制。

圖2 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對(duì)比圖

該區(qū)塊優(yōu)化前采用的三層井身結(jié)構(gòu)。對(duì)該地區(qū)已鉆井井身結(jié)構(gòu)、地層壓力系統(tǒng)的研究和鉆井復(fù)雜情況進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，由于鉆井技術(shù)的提高，在鉆井過(guò)程中能夠很好處理一些復(fù)雜情況和事故，不必為封固某一地層而下技術(shù)套管。同時(shí)考慮到該地層巖性以礫巖和砂狀礫巖為主，表層套管要封固地表礫石層和淺水層，并且表層套管鞋坐在相對(duì)較堅(jiān)固泥巖井段。因此，根據(jù)文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)套管下深，將表層套管下入到地層998m的位置，并封固了中部的復(fù)雜地層。井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對(duì)比圖如圖2所示。井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化前如圖2（a）所示：?339.7mm表層套管下至98m，?244.51mm技術(shù)套管下至2398m，?139.7mm油層套管下到井底；井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化后如圖2（b）所示：?244.5mm表層套管下至998m，?139.7mm油層套管下到井底。

井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，減少了技術(shù)套管，將表層套管的下深由優(yōu)化前的98m下入到998m，因此單井節(jié)約套管費(fèi)用為62.8萬(wàn)元 （表層套管的價(jià)格為620.24元／m，技術(shù)套管的價(jià)格為494.37元／m）。表層套管用?244.5mm套管取代了?339.7mm套管，節(jié)約了套管成本。平均機(jī)械轉(zhuǎn)速由優(yōu)化前的5.62m／h提高到7.65m／h，縮短了鉆井周期，節(jié)約了鉆井成本。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)分析井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響因素，將傳統(tǒng)的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法沒(méi)有考慮的因素以必封點(diǎn)的形式引入到井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用表明，在保證安全鉆井的前提下，優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案將3層的井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化到2層，縮短了鉆井周期，提高了機(jī)械轉(zhuǎn)速，節(jié)約了鉆井成本，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]徐小峰，孫五苓，白亮清.冀東油田水平井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].石油鉆采工藝，2007，29（7）：7-10.

[2]唐志軍.井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J].西部探礦工程，2005，17 （6）：78-80.

[3]謝又新，熊友明.考慮鹽巖層蠕變的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J].西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，24（4）：20-23.

[4]SY／T5431-2008，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法[S].

[5]侯喜茹，柳貢慧，仲文旭.井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必封點(diǎn)綜合確定方法研究[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，29（4）：52-55.