儲(chǔ)氣庫水平井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)及應(yīng)用

＊張延兵 李錄科 史配銘

（中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶鉆井總公司 陜西 710018）

國內(nèi)儲(chǔ)氣庫注采井普遍采用“大尺寸井眼+儲(chǔ)層專打”的井身結(jié)構(gòu)理念，長(zhǎng)慶油田陜224井區(qū)儲(chǔ)氣庫也按照此理念采用四開大尺寸井眼注采水平井完井3口，平均鉆井周期239.5d，井下故障復(fù)雜處理時(shí)效平均12.83d/口，鉆井周期長(zhǎng)，復(fù)雜故障時(shí)效高，主要問題該區(qū)塊地層復(fù)雜，鉆遇地層存在承壓能力低的易漏地層，砂泥互層及大段連續(xù)碳質(zhì)泥巖和煤層發(fā)育，井壁極易失穩(wěn)垮塌的地層，各開次井眼尺寸大，機(jī)械鉆速低，攜砂困難，大斜度井段地層鉆進(jìn)過程中起下鉆遇阻嚴(yán)重、劃眼困難、卡鉆、井漏等井下故障和復(fù)雜頻繁發(fā)生。為此，對(duì)儲(chǔ)氣庫水平井井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，縮小各開次井眼尺寸，提高井壁穩(wěn)定性及各開次機(jī)械鉆速；優(yōu)化技術(shù)套管下深，有效封隔低承壓易漏地層，實(shí)現(xiàn)塌漏分治，確定合理的井身結(jié)構(gòu)，有效避免井下故障復(fù)雜的發(fā)生，縮短鉆井周期，降低鉆井成本，實(shí)現(xiàn)高效益開發(fā)。

1.地質(zhì)特點(diǎn)及原四開井身結(jié)構(gòu)存在問題

(1)地質(zhì)情況

自上而下鉆遇第四系，白堊系洛河組，侏羅系安定組、直羅組、延安組、富縣組，三疊系延長(zhǎng)組、紙坊組、和尚溝組、劉家溝組，二疊系石千峰組、石盒子組、山西組、太原組，石炭系本溪組，奧陶系馬家溝組。其中劉家溝組灰綠砂巖夾淺棕泥巖，該組地層承壓能力低，易發(fā)生漏失；石千峰組、石盒子組（簡(jiǎn)稱“雙石層”）棕紅色泥巖夾肉紅色砂巖互層，可鉆性級(jí)值5.3～5.6[1]，山西組、太原組、石炭系本溪組煤層及碳質(zhì)泥巖發(fā)育，煤層單層厚1～2m，易坍塌；奧陶系馬家溝組以褐灰色白云巖、泥質(zhì)白云巖夾膏云巖為主，可鉆性級(jí)值6.1，頂部存在裂縫、孔洞發(fā)育，易漏失。

(2)原四開井身結(jié)構(gòu)存在問題

陜224區(qū)塊儲(chǔ)氣庫水平井目的層為馬家溝組，屬于碳酸鹽巖氣藏，儲(chǔ)氣庫水平井勘探開發(fā)初期完井3口，均采用“導(dǎo)管+大井眼”四開井身結(jié)構(gòu)（見圖1），該井身結(jié)構(gòu)能有效分隔易復(fù)雜地層和不同壓力系數(shù)地層，但施工過程仍然存在漏、塌、卡等復(fù)雜故障問題，導(dǎo)致鉆井周期長(zhǎng)、施工效率低，無法滿足鉆井提速提效和高效經(jīng)濟(jì)勘探開發(fā)要求，通過實(shí)際情況分析該井身結(jié)構(gòu)存在以下問題[2-3]：

圖1 原四開井身結(jié)構(gòu)圖

①井眼尺寸大，環(huán)空返速低，井眼凈化難度大，機(jī)械鉆速低。一開、二開、三開井眼尺寸分別為Φ660.6mm、Φ444.5mm、Φ311.2mm，井眼尺寸大，在相同60L/s排量下各開次環(huán)空返速不足1m/s，較低；全井平均機(jī)械鉆速1.92m/h，機(jī)械鉆速低。

②二開Φ339.7mm技術(shù)套管下深淺，設(shè)計(jì)要求進(jìn)入石千峰組10～30m，不能夠有效封隔易漏劉家溝組地層，三開為穩(wěn)定井壁提高鉆井液密度至1.35g/cm3，套管腳易發(fā)生漏失。

③斜井段Φ311.2mm井眼，井眼尺寸大，地層結(jié)構(gòu)應(yīng)力降低，井壁垮塌嚴(yán)重。斜井段大井眼大井斜鉆遇山西組、太原組、本溪組多套連續(xù)性煤層、碳質(zhì)泥巖等穩(wěn)定性極差地層，井壁失穩(wěn)垮塌嚴(yán)重（見圖2），復(fù)雜處理時(shí)間長(zhǎng)達(dá)到278h/口，嚴(yán)重制約鉆井提速。

圖2 斜井段煤、碳質(zhì)泥巖掉塊

2.井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)

(1)井眼尺寸優(yōu)化

①井眼尺寸優(yōu)化，提高機(jī)械鉆速。由鉆速方程[4-5]可知：同一地層、相同鉆壓、水功率及鉆頭切削單元設(shè)計(jì)相同的情況下，鉆頭直徑與機(jī)械鉆速成反比關(guān)系，因此縮小鉆頭尺寸，可以提高鉆頭單位面積機(jī)械破巖能力，進(jìn)而提高機(jī)械鉆速。

②井眼尺寸優(yōu)化，增強(qiáng)井壁穩(wěn)定性。利用Hoek-Brown巖石尺寸效應(yīng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚6-7]推導(dǎo)出坍塌壓力、破裂壓力與井眼直徑的定量關(guān)系，隨著井眼尺寸縮小，坍塌壓力逐步減小，破裂壓力逐步增大，井壁穩(wěn)斜性增強(qiáng)，鉆井液安全密度窗口范圍逐步增大，穩(wěn)定井壁的鉆井液密度逐步降低。為此，基于鉆速方程及巖石尺寸效應(yīng)經(jīng)驗(yàn)公式分析井眼尺寸與機(jī)械鉆速、井眼井壁穩(wěn)定性之間關(guān)系，將原井眼尺寸優(yōu)化縮小，提高機(jī)械鉆速，增強(qiáng)井壁穩(wěn)定性，降低井下故障復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)安全高效鉆井。

(2)必封點(diǎn)確定

根據(jù)鉆遇地質(zhì)特性及工程難點(diǎn)，結(jié)合三壓力剖面曲線（圖3）提示分析，確定必封點(diǎn)[8-9]：①第四系為欠壓實(shí)流沙層，膠結(jié)程度低，巖性松散，易垮塌，因此，采用導(dǎo)管封固欠壓實(shí)流沙層；②白堊系洛河組存在淺水層，易出水，砂泥互層及斜層理發(fā)育，易垮塌，因此采用表層套管封隔淺水層及易塌層；③三疊系劉家溝組地層承壓能力低，實(shí)鉆鉆井液密度1.25g/cm3，發(fā)生失返性漏失，由三壓力剖面圖可知：進(jìn)入劉家溝組（垂深2250m）破裂壓力梯度由2.0MPa/100m逐步降至1.55MPa/100m左右，進(jìn)入石千峰組破裂壓力梯度逐步升至2.0MPa/100m，因此，二開技術(shù)套管必須下至石千峰組，封隔易漏劉家溝組地層。④二疊系石千峰組、石盒子組、山西組泥巖發(fā)育，石炭系本溪組存在連續(xù)煤層及大段碳質(zhì)泥巖，均易發(fā)生垮塌，由三壓力剖面圖可知地層坍塌壓力由0.5～0.75MPa/100m逐步升高至0.75～1.0MPa/100m左右，低密度鉆井液不能夠有效穩(wěn)定井壁，極易發(fā)生井壁失穩(wěn)垮塌。為此，采用技術(shù)套管封隔易垮塌復(fù)雜井段，為四開儲(chǔ)層專打提供有利條件。

圖3 三壓力剖面曲線圖

(3)二開技術(shù)套管下深優(yōu)化

二開技術(shù)套管旨在封隔低承壓劉家溝組地層，為三開提高鉆井液密度安全施工易垮塌雙石層、山西組煤層碳泥層做好準(zhǔn)備，但根據(jù)前期實(shí)際施工情況分析發(fā)現(xiàn)，二開技術(shù)套管下深進(jìn)入石千峰組10～30m，不能夠有效封隔劉家溝組地層，鉆井液密度提高至1.35g/cm3，套管腳存在漏失現(xiàn)象，漏速4～6m3/h，隨著鉆井液密度逐步提高，漏失量逐步增大。為此，將石千峰組上部棕紅色含鈣質(zhì)結(jié)核泥巖及肉紅色砂巖作為標(biāo)記層，通過現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)錄井巖屑分析及鄰井垂深比對(duì)分析確定技術(shù)套管下深，進(jìn)入石千峰組50～100m，有效封隔易漏劉家溝組地層。

(4)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化確定

為避免鉆井過程中漏、塌、卡、斷鉆具等復(fù)雜故障情況發(fā)生，提高鉆井速度，同時(shí)滿足儲(chǔ)氣庫大流量強(qiáng)注強(qiáng)采需要，在精細(xì)分析地質(zhì)特性及工程技術(shù)難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，依據(jù)地層三壓力剖面及井眼尺寸優(yōu)化，將原“導(dǎo)管+四開”大尺寸井眼井身結(jié)構(gòu)，通過“瘦身”優(yōu)化為“導(dǎo)管+四開”小井眼井身結(jié)構(gòu)[10]，具體井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖（見圖4）。

圖4 優(yōu)化后井身結(jié)構(gòu)圖

3.現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

通過井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，機(jī)械鉆速提高顯著，鉆井周期大幅度降低，提速效果明顯，具體見表1，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用完井2口，平均鉆井周期120.25d，平均機(jī)械鉆速5.28m/h，平均鉆機(jī)月速度1310m/臺(tái)月，較采用原井身結(jié)構(gòu)完成井平均鉆井周期縮短49.79%，平均機(jī)械鉆速提高174.72%，平均鉆機(jī)月速度提高228.23%，現(xiàn)以JP22井區(qū)施工完成井為例介紹現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況。

表1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后完成井平均技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

JP22井區(qū)為陜224儲(chǔ)氣庫項(xiàng)目施工井區(qū)，施工初期采用“大井眼”四開井身結(jié)構(gòu)完井3口，因井眼尺寸大，機(jī)械鉆速低，井下故障復(fù)雜頻繁，導(dǎo)致鉆井周期長(zhǎng)，通過井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化在JP22-4-4、S17-Z1-H2井實(shí)踐應(yīng)用。JP22-4-4井采用Φ660.6mm鉆頭鉆至井深42m，下Φ520mm導(dǎo)管至井深42m，封固第四系；一開采用Φ444.5mm鉆頭鉆至井深509m，進(jìn)入安定組紫紅色泥巖56m，下Φ339.7mm套管至508.67m封固洛河組淺水層；二開采用Φ346.1mm鉆頭鉆穿劉家溝組，進(jìn)入石千峰組地層75m，下Φ273.1mm套管至2805.55m封固承壓能力低的劉家溝組地層；三開采用Φ241.3mm鉆頭鉆穿易垮塌雙石層、山西組煤層及碳泥地層，進(jìn)入馬家溝組入窗，下Φ177.8mm套管封固斜井段易復(fù)雜井段；四開采用Φ152.4mm鉆頭鉆至設(shè)計(jì)井深5086m，下Φ114.3mm“尾管+篩管”至5080.57m固井完井。

采用優(yōu)化后井身結(jié)構(gòu)應(yīng)用完井2口，平均單井鉆完井周期137.0d,實(shí)鉆過程無井下故障復(fù)雜發(fā)生。由表2所示，與采用原井身結(jié)構(gòu)完井3口井相比，平均單井鉆完井周期縮短48.11%，平均單井復(fù)雜時(shí)效減少4.85%；各開次機(jī)械鉆速大幅度提高，鉆井周期縮短明顯，由表3所示：應(yīng)用優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)完成井各開次平均機(jī)械鉆速分別23.14m/s、8.86m/s、3.18m/s、5.23m/s，較原井身結(jié)構(gòu)平均機(jī)械鉆速分別提高356.98%、146.78%、113.74%、42.09%，各開次鉆井周期分別3.02d、15.06d、35.67d、19.23d，較原井身結(jié)構(gòu)各開次鉆井周期分別縮短69.7%、73.93%、38.44%、56.56%，提速效果顯著。

表2 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后各開次鉆井周期及機(jī)械鉆速對(duì)比

表3 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后完成井各開次平均鉆井周期及平均機(jī)械鉆速對(duì)比

4.結(jié)論

（1）通過井眼尺寸、技術(shù)套管下深兩方面進(jìn)行儲(chǔ)氣庫水平井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，不僅提高了鉆井速度，降低了鉆井開發(fā)成本，同時(shí)有效解決了井下復(fù)雜故障問題，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)氣庫水平井高效鉆井施工。

（2）采用縮小井眼尺寸方式優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，在提高機(jī)械鉆速的同時(shí)，能夠有效降低井壁坍塌壓力，提高破裂壓力，降低鉆井液密度，解決了原井身結(jié)構(gòu)井壁失穩(wěn)垮塌問題，實(shí)現(xiàn)提高鉆井速度、降低井下復(fù)雜目的。

（3）技術(shù)套管下深確定必須將設(shè)計(jì)垂深、實(shí)鉆地層錄井標(biāo)記層以及鉆遇地層復(fù)雜特性有利結(jié)合綜合確定，確保下深能夠準(zhǔn)確有效封隔復(fù)雜地層。

（4）井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)需要充分分析鉆遇地層特征及工程技術(shù)難點(diǎn)，以經(jīng)濟(jì)高效鉆井為目的，預(yù)防井下復(fù)雜故障為前提，合理確定井眼尺寸、必封點(diǎn)，滿足現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜多變的地質(zhì)要求。