霍爾果斯背斜深井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

劉 奧，曹光福，謝建安，陳松平，辛小亮

(1.長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 434100； 2.中國石油新疆油田公司勘探公司，新疆 克拉瑪依 834000)

霍爾果斯背斜位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣山前沖斷帶中段霍瑪吐背斜帶，屬山前構(gòu)造，地層高陡，地質(zhì)情況復(fù)雜[1]。上部地層膠結(jié)疏松，易發(fā)生井漏和井壁失穩(wěn)。中下部地層傾角大，存在高壓與多套壓力系統(tǒng)，構(gòu)造破碎帶多，裂縫發(fā)育，泥巖密度大，在鉆進(jìn)過程中易發(fā)生卡鉆、起下鉆遇阻、井漏、井眼垮塌等井下復(fù)雜事故。下部地層巖石可鉆性差，有多處斷層和破碎帶，可能存在垮塌、出水、井漏等風(fēng)險。這些特征標(biāo)志著霍爾果斯背斜深探井鉆井施工高難度、高風(fēng)險、周期長、高成本，嚴(yán)重限制了該地區(qū)油氣勘探開發(fā)[2]。

要實現(xiàn)安全、高效、優(yōu)質(zhì)鉆井，滿足勘探開發(fā)的需要，首先要設(shè)計合理的井身結(jié)構(gòu)[3-5]。合理的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計既要滿足工程要求，又要盡量避免“漏、噴、塌、卡”等復(fù)雜情況的發(fā)生,從而保證施工安全，同時最大限度地降低鉆井成本，達(dá)到預(yù)期的鉆探目的[6-8]。而在霍爾果斯背斜，原井身結(jié)構(gòu)難以滿足深井的需要，因此，有必要根據(jù)該地區(qū)的地質(zhì)特征，結(jié)合預(yù)測的地層壓力，對井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，形成適用于霍爾果斯背斜深部高壓地層的探井井身結(jié)構(gòu)。

1 地層特征及鉆井難點分析

1.1 泥巖含量高，地層水敏性強(qiáng)

塔西河組以灰綠色泥巖，膏質(zhì)泥巖為主，安集海河組以灰綠色、深灰色以及灰褐色泥巖為主，粘土礦物含量較高，伊/蒙混層含量40%以上，水敏性強(qiáng)，極易水化分散、水化膨脹，清水滾動回收率僅為3%～45%，水化膨脹后呈蜂窩狀，如圖1所示，易造成井眼縮徑、垮塌、起下鉆遇阻、卡鉆等復(fù)雜事故。

圖1 伊蒙混層水化膨脹電鏡圖

1.2 壓力系統(tǒng)復(fù)雜，高低壓同存

受山前構(gòu)造影響，霍爾果斯背斜地層高陡，地應(yīng)力大。中上部地層傾角較大，在40°～50°，防斜難度大；中部地層安集海河組、紫泥泉子組，屬于異常高壓層，最高壓力系數(shù)達(dá)2.55，并且地層坍塌壓力，地層壓力和地層破裂壓力十分接近，壓力窗口窄，且紫泥泉子組裂縫發(fā)育，油氣顯示活躍，使用高密度鉆井液易導(dǎo)致裂縫張開發(fā)生井漏，發(fā)生井漏后可能由漏轉(zhuǎn)噴，井控風(fēng)險較大；深部地層巖石可鉆性差，地層壓力預(yù)測精度低，可能存在異常高壓。

1.3 漏失層位多，漏失量大

霍爾果斯背斜斷層發(fā)育，地層破碎帶長，孔隙、裂縫發(fā)育，漏失具有“漏失層段多、漏失量大、安全密度窗口窄”的特點，井漏主要發(fā)生在中下部地層，占井漏總數(shù)的80%，漏失量大，防漏堵漏難度高。

2 井身結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

從霍爾果斯背斜勘探開始，第一口以紫泥泉子組為目的層位的預(yù)探井H10井采用了三開的井身結(jié)構(gòu)：一開采用?339.73 mm表層套管下到500 m，封固獨山子組的松散易塌易漏地層，并安裝具有一定井控能力的井口。二開封隔塔西河組、下盤沙灣組地層以及安集海河組高低壓同層，縮短裸眼井段長度，為下部井段安全鉆井創(chuàng)造條件。由于實鉆中出現(xiàn)泥漿密度低則安集海河組井壁失穩(wěn)，泥漿密度高則上部地層嚴(yán)重井漏，鉆至2642 m提前中完，下入?244.5 mm套管，二開井段共計發(fā)生5次卡鉆、7次井漏。三開封隔下盤安集海河組地層及目的層紫泥泉子組，由于技術(shù)套管未完全封隔安集海河組，三開泥漿密度最高達(dá)2.53 g/cm3，紫泥泉子組地層壓力逐漸回落，導(dǎo)致密度窗口狹窄，井漏頻繁，鉆至3484 m提前完鉆(未鉆穿紫泥泉子組)，采用了?139.70 mm油層尾管下到3484 m，封固產(chǎn)層，三開井段共計發(fā)生卡鉆4次、井漏28次、溢流2次，全井段復(fù)雜時率達(dá)到11.2%。高風(fēng)險、多復(fù)雜的地質(zhì)特征，嚴(yán)重制約了該區(qū)域的鉆井速度。

由于安集海河組異常高壓，并受井身結(jié)構(gòu)的限制，H10井鉆井中遇卡、劃眼、卡鉆、井漏等現(xiàn)象頻繁。通過對H10井復(fù)雜情況進(jìn)行分析，對該地區(qū)的井身結(jié)構(gòu)做出了優(yōu)化，將套管尺寸放大一級，增加一層技術(shù)套管，采用四開井身結(jié)構(gòu)，表層套管?508 mm下至深度200 m，封隔獨山子組上部地層，并為安裝井口裝置提供條件，第一層技術(shù)套管?339.7 mm下到安集海河組頂部，封隔塔西河組、沙灣組和安集海河組頂部易漏失地層，防止下部采用高密度鉆井液鉆進(jìn)時發(fā)生井漏，為安集海河組專打?qū)７鈩?chuàng)造條件，第二層技術(shù)套管?244.5 mm進(jìn)入紫泥泉子組頂部，封隔安集海河組和紫泥泉子組上部高壓層，為儲層段安全快速鉆井提供條件，四開采用?139.7 mm油層尾管，固井水泥返至懸掛器位置，完井回接?177.8 mm套管至井口，固井水泥返至地面，從而封隔儲層，滿足完井和生產(chǎn)要求。H001井、H002井、H003井、H101井均采用此種四開井身結(jié)構(gòu)獲得了較好的效果，H002井的復(fù)雜時率降低至5.83%，H101井三開使用高密度油基鉆井液，復(fù)雜時率僅2.06%，解決了穩(wěn)定井壁與防漏的矛盾，減少了漏失、卡鉆等復(fù)雜事故的發(fā)生率。

3 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

經(jīng)過前期的實踐，對于井深≯4000 m的探井，采用標(biāo)準(zhǔn)的四開井身結(jié)構(gòu)很好地解決了穩(wěn)定井壁與防漏的矛盾，但對于井深>5000 m的深井，如果仍采用標(biāo)準(zhǔn)的四開井身結(jié)構(gòu)，四開井段將達(dá)到2000 m以深，穿過地層達(dá)到4層，鉆井風(fēng)險增加。為降低鉆井風(fēng)險，必將增加一層技術(shù)套管，封隔復(fù)雜層。五開井身結(jié)構(gòu)存在井身結(jié)構(gòu)繁冗、機(jī)械鉆速低、鉆井周期長、套管層次太多、成本高等缺點。為此，根據(jù)霍爾果斯背斜已鉆井資料，對于深探井進(jìn)行了井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

3.1 地層壓力預(yù)測

根據(jù)霍爾果斯背斜完鉆井的測井資料、鉆井液密度、地破實驗數(shù)據(jù)、鉆井復(fù)雜等資料，對H11井進(jìn)行了三壓力預(yù)測，如表1所示。

從表1中可以看出，沙灣組以上地層為正常壓力系統(tǒng)，地層壓力系數(shù)1.16～1.21。安集海河組—東溝組為異常高壓，地層壓力系數(shù)2.18～2.47，且坍塌壓力和破裂壓力十分接近，壓力窗口窄。東溝組地層壓力回落，地層承壓能力低，易發(fā)生漏失。

表1 H11井三壓力預(yù)測結(jié)果

3.2 井眼與地層力學(xué)平衡關(guān)系

在對復(fù)雜深探井進(jìn)行井身結(jié)構(gòu)設(shè)計與普通井一樣，合理的井身結(jié)構(gòu)需滿足防井涌、防壓差卡鉆、防漏和關(guān)井時防漏的要求，井眼與地層達(dá)到力學(xué)平衡，即處于兩層套管之間的裸眼井段必須滿足以下4個力學(xué)平衡方程[9]：

ρmax≥ρpmax+Sb+Δρ

(1)

0.0098(ρmax-ρpmin)Hpmin≤Δp

(2)

ρmax+Sg+Sf≤ρfmin

(3)

ρmax+Sf+SkHpmax/Hc1≤ρfc1

(4)

式中：ρmax——裸眼段最大鉆井液密度,g/cm3;ρpmax——裸眼段最大地層壓力當(dāng)量密度,g/cm3;Sb——抽汲壓力系數(shù),g/cm3;Δρ——附加鉆井液密度,g/cm3；ρpmin——裸眼段最小地層壓力當(dāng)量密度,g/cm3；Hpmin——裸眼段最小地層壓力處的井深，m；Δp——壓差卡鉆允值,MPa;Sg——“激動”壓力系數(shù),g/cm3;Sf——地層破裂壓力安全增值,g/cm3;ρfmin——裸眼段最小地層破裂壓力當(dāng)量密度,g/cm3;Sk——井涌允量,g/cm3;Hpmax——裸眼段最大地層壓力處的井深,m;Hc1——上一層套管的下入深度,m;ρfc1——上一層套管鞋處的地層破裂壓力當(dāng)量密度,g/cm3。

3.3 必封點的確定

在進(jìn)行常規(guī)的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計時，通常采用自下而上的設(shè)計方法，即先根據(jù)地層壓力剖面挑出符合抗內(nèi)壓強(qiáng)度的套管，再根據(jù)套管的抗外擠確定每層套管的下入深度，最后對套管強(qiáng)度進(jìn)行校核，保證套管下入深度最淺，套管費用最少。這種方法需要對下部地層特性有足夠的了解。而對于地質(zhì)情況復(fù)雜存在多套壓力系統(tǒng)的深探井，就無法確定套管的下深。因為此設(shè)計僅以地層壓力剖面作為參考，而在地層壓力剖面上卻又無法反映許多井下復(fù)雜情況，如易漏易塌層、鹽巖層等。為了保障施工作業(yè)順利進(jìn)行，則需要對一些易塌、易漏等復(fù)雜地層進(jìn)行及時封隔，如頁巖層、塑性泥巖層、裂縫型溶洞、破裂帶地層等。因此，在對風(fēng)險探井進(jìn)行井身結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)先根據(jù)地層情況確定必封點的位置，再應(yīng)用傳統(tǒng)的設(shè)計方法確定各層套管的尺寸和下深，以確定該井的具體井身結(jié)構(gòu)[10]。H11井的必封點的確定如下。

(1)必封點1:2530 m。安集海河組為異常高壓，地應(yīng)力高，泥巖易坍塌，穩(wěn)定井壁所需鉆井液密度高，上部地層為正常壓力，且地層承壓能力低，不能在同一裸眼井段內(nèi)。

(2)必封點2:3498 m。東溝組地層壓力回落，地層承壓能力低，易發(fā)生漏失，并封隔紫泥泉子組高壓油氣。

3.4 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案

為了控制鉆井成本，降低復(fù)雜發(fā)生率，提高機(jī)械鉆速，根據(jù)霍爾果斯背斜地層壓力預(yù)測結(jié)果，結(jié)合已鉆井井下復(fù)雜情況，對原有的四開井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，保持四開井身結(jié)構(gòu)不變，套管系列不變，增加必封點2的深度，并采用高密度油基鉆井液，保持井壁穩(wěn)定，降低鉆井風(fēng)險，優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)如表2所示。

優(yōu)化后的四開井身結(jié)構(gòu)與五開井身結(jié)構(gòu)相比，減少了一層技術(shù)套管，增加了第二層技術(shù)套管的下深，縮小了安集海河組、紫泥泉子組的井眼尺寸，提高了機(jī)械鉆速，縮短了鉆井周期，降低了鉆井成本。

表2 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

4 高密度油基鉆井液

針對安集海河組、紫泥泉子組采用高性能油基鉆井液進(jìn)行鉆進(jìn)[11-13]，油基鉆井液配方：54%0號柴油+3%主乳化劑TYODF-301+1.5%輔乳化劑TYODF-401+2%潤濕劑TYODF-501+0.5%增粘劑TYODF-601+4%降濾失劑TYODF-201+2%封堵劑YX(600目)+2%封堵劑YX(800目以上)+4.8%水+1.8%氯化鈣+2%石灰TYODF-801+重晶石。

基本性能參數(shù)為：密度2.15～2.65 g/cm3；漏斗粘度70～160 s；API濾失量<1 mL，初切力4～10 Pa，終切力7～25 Pa；油水比90/10～95/5；塑性粘度<120 mPa·s，動切力8～30 Pa；破乳電壓>1000 V；高溫高壓濾失量<5 mL；頁巖回收率>95%，表現(xiàn)出較好的抑制性。為準(zhǔn)確評價該油基鉆井液的穩(wěn)定性，測量了其在不同溫度(30 ℃、50 ℃)條件下下的破乳電壓仍>1600 V，表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。并通過加入2%和5%的石灰對該油基鉆井液的抗污染性進(jìn)行了評級，結(jié)果如表3所示。

表3 高密度油基鉆井液抗污染性評價

由表3可知，當(dāng)油基鉆井液受到石灰污染時，隨著石灰含量的加入，其切力變化不大，說明其性能仍然滿足工程需要；當(dāng)加入量達(dá)到5%時，其破乳電壓為1128 V，說明其乳化穩(wěn)定性仍然很好，在鉆井過程中仍能保證其抗污染性。

5 現(xiàn)場應(yīng)用效果

H11井是霍爾果斯背斜第一口深探井，完鉆井深5170 m，完鉆層位白堊系連木沁組，采用了優(yōu)化后的四開井身結(jié)構(gòu)，首次實現(xiàn)了在安集海河組、紫泥泉子組兩套壓力系統(tǒng)下進(jìn)行套打,即在兩套壓力系統(tǒng)并存條件下進(jìn)行三開鉆進(jìn)。安集海河組地層強(qiáng)水敏性，井眼穩(wěn)定性差，易掉塊或垮塌，造成在鉆進(jìn)作業(yè)中阻卡頻繁，漏失嚴(yán)重，稱之為“死亡之?！?，針對于該地層，該井三開段使用高密度油基鉆井液體系，歷時16.7 d鉆至井深3460 m中完，與設(shè)計相比提前10 d。結(jié)合個性化PDC鉆頭+垂直鉆井系統(tǒng)，該鉆頭采用4刀翼13 mm加強(qiáng)型復(fù)合片X3齒，尖/圓混合布齒和負(fù)傾角設(shè)計，加強(qiáng)其攻擊性能，并結(jié)合大刀翼，強(qiáng)化保徑和倒劃眼設(shè)計，提高鉆頭使用壽命，歷時5.5 d鉆穿“死亡之海”安集海河組，未出現(xiàn)井漏現(xiàn)象，平均機(jī)械鉆速13.08 m/h，比最快鄰井H101井提高22.3%，比H001井提高5倍以上；在紫泥泉子組井眼尺寸放大一級的情況下，機(jī)械鉆速比鄰井H101井提高37.8%，井漏次數(shù)減少，僅發(fā)生一次，漏失量17.6 m3。三開段井徑擴(kuò)大率<1%，復(fù)雜事故發(fā)生率低，證明使用高密度油基鉆井液能夠解決安集海河組強(qiáng)水敏、井壁穩(wěn)定性差的難題，減少了鉆井成本，提高了機(jī)械鉆速，縮短了鉆井周期。

6 結(jié)語

(1)霍爾果斯背斜地質(zhì)情況復(fù)雜，設(shè)計深探井的井身結(jié)構(gòu)時，必須充分考慮鉆遇地層的地質(zhì)特征，并結(jié)合鄰井的測井資料、鉆井液密度、地破實驗數(shù)據(jù)、鉆井復(fù)雜等資料，合理的優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)成功鉆探。

(2)高密度油基鉆井液的成功應(yīng)用，解決了安集海河組強(qiáng)水敏、井壁穩(wěn)定性差的難題，大大降低了復(fù)雜事故發(fā)生率，為井身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了保障。

(3)H11井首次實現(xiàn)了在安集海河組、紫泥泉子組兩套壓力系統(tǒng)下進(jìn)行套打，為后續(xù)常規(guī)探井的四開轉(zhuǎn)三開提供了依據(jù)。

(4)雖然油基鉆井液能有效解決井壁失穩(wěn)的問題，但油基鉆井液成本高，污染性強(qiáng)，因此必須加強(qiáng)對高性能、強(qiáng)抑制性水基鉆井液的研發(fā)。

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