库车凹陷地区井身结构优化设计

2016-06-20明王俊王剑许恒岳王殿榕长江大学石油工程学院湖北武汉00中国石油辽河油田分公司兴隆台采油厂采油作业五区辽宁盘锦00中国石油西部钻探定向井技术服务公司新疆乌鲁木齐8006中国石油辽河石油勘探局辽河工程技术处辽宁盘锦00

天然气技术与经济 2016年2期

乐　明王　俊王　剑许恒岳王殿榕（.长江大学石油工程学院，湖北　武汉　00；.中国石油辽河油田分公司兴隆台采油厂采油作业五区，辽宁　盘锦　00；.中国石油西部钻探定向井技术服务公司，新疆　乌鲁木齐　8006；.中国石油辽河石油勘探局辽河工程技术处，辽宁　盘锦　00）

库车凹陷地区井身结构优化设计

乐明1王俊2王剑3许恒岳4王殿榕4
（1.长江大学石油工程学院，湖北武汉434100；2.中国石油辽河油田分公司兴隆台采油厂采油作业五区，辽宁盘锦124010；3.中国石油西部钻探定向井技术服务公司，新疆乌鲁木齐830026；4.中国石油辽河石油勘探局辽河工程技术处，辽宁盘锦124010）

摘要库车凹陷位于塔里木盆地北部南天山山前地区，具有十分优越的油气地质条件。然而呈现出储层埋藏深、地层压力系统复杂（高压盐水层、盐膏层、高压气层）、井深地温高和盐膏层影响井身结构质量和后期固井质量等问题。在预测地层孔隙压力、坍塌压力、破裂压力的三压力剖面基础上，考虑盐膏层蠕变问题，通过分析库车山前地区地质情况、已钻井的井身结构和复杂事故等确定了井身结构优化方案。

关键词井身结构地层压力盐膏层钻井液密度必封点

修订回稿日期：2016-03-01

0　引言

井身结构主要包括套管层次和每层套管的下入深度，以及套管和井眼尺寸的配合。井身结构设计不仅关系到安全钻井，而且对钻井效益的提高有着特别重要的意义，在地层压力系统复杂情况下尤其重要。库车地区吉迪克组存在巨厚盐膏层，由于钻井液密度不合理，容易发生蠕变缩径，使下套管受阻或者挤毁套管，影响了井身结构质量，从而导致固井作业困难；此外，第四系库车组结构松散，砾石成份大，易发生渗透性漏失，第三系附近存在高压盐水层和高压气层，易发生溢流。因此，为了提高库车山前构造地区的发展，库车地区井身结构的优化亟需完成。

1　钻遇地层复杂情况及钻井难点

大古1井是一口位于库车凹陷大涝坝2号构造的预探井，该井主要是为了探索大涝坝2号构造的储层发育特征、储层的成因机制及含油气性。钻遇吉迪克组4 810 m、4 964 m、5 019.61 m时分别发生测井遇阻，溢流；在通过巴什基奇克组时，在5 445.39 m、5 689.93 m发生了高压差条件下的吸附卡钻，在5 600～5 650 m发生了较大量的漏失（11～13 m3）。大古2井是一口位于塔河油田二八台一号构造的一口勘探井，大古2井在吉迪克组4 800 m、5 200 m、5 930 m、6 475.28 m多处遇阻，严重的是在舒善河组6 431 m处发现油气上窜速度高达808.53 m3/h。库车1井也有类似情况，库车山前地区上部第四系处发生漏失，多处发生压差卡钻、溢流、遇阻和地层水、气侵入。

通过对库车山前地区大古1井、大古2井，库车1井的实钻情况和复杂事故分析，发现库车山前地区上部第四系地层砾石与粘土胶结差，地层易塌易漏；库车组、康村组以及吉迪克组上部地层胶结疏松，泥岩地层软，遇水软化、膨胀而造成缩径阻卡；吉迪克组中下部地层含膏、膏质泥岩，易发生膏浸污染钻井液，易缩径，轻微导致环形空间变小，影响固井质量，严重则导致套管挤毁，甚至井的报废，因此盐膏层段控制缩径量尤其重要。吉迪克下部发育有多套高压盐水层，邻井就因为高压盐水层没有完全封固造成多次井下复杂情况。

2　井身结构的设计基础

井身结构设计的主要依据是地层孔隙压力和地层破裂压力。通过对库车山前构造带资料统计分析，发现该地区新近系吉迪克组地层膏质泥岩发育，泥膏岩易发生塑性蠕变，造成井眼缩径，从而导致遇阻、卡钻、挤毁套管等复杂情况的发生。因此，盐膏层的蠕变压力也是设计该地区合理的井身结构的必要条件。

井身结构设计的合理与否，其中一个重要的决定因素是设计中所用到的抽吸压力系数、激动压力系数、破裂压力安全系数、井涌允量和压差卡钻允值这些基础系数是否合理。抽吸和激动压力允值应从该地区大量的抽吸和激动压力数据统计而来，即由该地区所有井每趟起下钻所产生的抽吸和激动压力，折合成压力梯度，然后进行统计分析来确定抽吸和激动压力允值的取值范围。由于不同钻具组合与井眼结构对抽吸激动压力的影响不同，为了准确地描述各段的抽吸激动压力允值，针对库车区块钻井使用的钻具组合、套管与井眼数据进行了统计［1］（表1）。

根据库车区块已钻井起下钻记录、井涌、卡钻等井史资料，确定了库车区块井身结构设计△pn为11 MPa、△pab为18 MPa、钻井液密度允差Sf为0.02～0.03 g/cm3和井涌允值Sk为0.06～0.07 g/cm3。

表1　库车区块井身结构设计抽吸压力允许值Sb、激动压力允许值Sg取值范围表

3　盐膏层层段蠕变研究

盐膏层作为油气储层的良好盖层，在库车山前构造带盐膏层普遍发育，尤其是在吉迪克组、苏维依组等。由于盐岩蠕变外挤压力是随时间逐渐增加而且盐岩蠕变外挤压力很大，容易挤毁套管。因此，井身结构设计中需要考虑的是裸眼井段盐膏层蠕变引起的缩径问题。然而在众多的影响因素中，只有钻井液密度可以调节［2］。

3.1蠕变参数的确定

3.1.1弹性参数E、μ的确定

利用地震层速度资料，结合该井上部层段的测井资料，提取地震特征参数进行特征压缩，建立起层速度与声波时差之间的关系模型，然后利用该模型对盐岩层的声波时差进行预测，并结合地层密度求得盐岩地层的弹性参数为：E=6.994 2×104MPa；μ=0.32。

3.1.2蠕变参数A、n的确定

库车山前构造带含膏岩地层蠕变模型可采用FLAC3D中WIPP蠕变模型模拟计算（ε=Aσ- n，其中A=e--R）。由于没有取到新近系吉迪克组膏泥岩地层的岩心，膏泥岩层蠕变参数可以通过测量已钻井的蠕动速率，并结合地应力及使用的钻井液密度，运用软件回归得到蠕变参数，该地区蠕变参数为A= 2.63e-4，n=3.5。

3.2膏泥岩层钻井液密度的确定

确定安全钻穿盐岩层的合理钻井液密度与膏泥岩层所处于的应力状态有关，本研究对该地区新近系吉迪克组膏泥岩层特性及地应力分布情况进行了分析，并利用FLAC3D软件对该地区新近系吉迪克组膏泥岩层进行模拟计算，计算结果见表2、表3，并根据该表绘制出不同埋深下盐岩井眼缩径率图谱（图1、图2）。

表2　不同埋深、不同钻井液密度下膏泥岩层井眼10 d蠕变量表mm

表3　不同埋深、不同钻井液密度下膏泥岩层井眼30 d蠕变量表mm

图1　不同埋深下膏泥岩层10 d井眼蠕变量图谱图2　不同埋深下膏泥岩层30 d井眼蠕变量图谱

为了在钻井过程中防止盐膏岩蠕变缩径造成卡钻事故或影响固井质量，必须通过严格控制钻井液密度来控制新近系吉迪克组泥膏层的缩径率，以保证钻进安全顺利进行，另外，为保证机械钻速，钻井液密度不能太大。库车2井第三次开钻井段4 910～5 637 m，采用311.15 mm钻头钻进和下入265.1 mm中间套管，环形空间间隙23.025 mm，进入新近系吉迪克组时钻井液密度由1.8 g/cm3上提到2.1 g/cm3，30 d后的蠕变量为18.38 mm，小于环形空间间隙，不会发生缩径挤毁套管的事故，且顺利钻穿新近系吉迪克组地层。

4　套管层次、套管下深和必封点的确定

设计的基本原理是根据裸眼井段的力学平衡关系［3］

防压差卡钻的力学关系式：

关井时防漏的力学关系式：

式中，ρmax为裸眼段最大钻井液密度，g/cm3；ρpmax，ρpmin为钻遇的地层最大和最小时地层孔隙压力当量密度，g/cm3；ρfmin为钻遇的最小地层破裂压力当量密度，g/cm3；Hpmax，Hpmin为最大和最小地层孔隙压力所对应的深度，m。在确保钻井与井下作业安全的前提下，结合地层稳定性分析、充分考虑完井油管和油层套管尺寸，采取“由内到外”和“由下而上”相结合的设计方法合理确定各层套管和钻头尺寸［4-5］。合理的井身结构是优快钻井技术的基础和先决条件，为此，通过对库1井砾石层的地层压力、发育、机械钻速及胶结特性分析，对库2井的井身结构进行了优化研究，主要体现在：①库2井第一次开钻设计钻穿第四系地层并进入库车组50 m结束第一次开钻，减少了第一次开钻大尺寸井眼的长度，从而提高了上部地层的机械钻速、缩短了钻井周期；②盐膏层段套管采用265.1 mm×TP155V×22 mm×TP-FJ直连式无接箍厚壁高抗挤套管，降低盐膏层套管被挤毁风险；③第四次开钻采用215.9 mm钻头钻进，下入177.8 mm套管，如果第四次开钻遇异常高压地层或钻进中出现复杂情况，在压差超过允许最大压差值25 MPa以上时，可采取扩孔后下入206.4 mm套管，下开次采用165.1mm钻头钻至完钻井深后，下入142.68 mm或127 mm尾管，确保安全钻达完钻井深（表4）。

表4　库2井井身结构设计优化表

5　现场应用

库车2井是位于库车地区天山南区亚肯北1号构造的一口重点风险探井（直井），设计完钻井深6 560 m，完钻层位白垩系舒善河组23 m。该井存在大段砾石层、巨厚盐膏层及目的层高压气层等，钻井施工进度缓慢。针对这种情况，将优化后的井身结构方案应用到库车2井，库车2井的钻井周期比钻井设计周期提前了22.27％；相比库车1井的钻井周期725.46 d，库车2井钻井周期缩短了291.75 d，钻井周期缩短率为40.21％。库车2井机械钻速为1.30 m/h，同比库车1井的0.68 m/h提高了91.18％。