劉 偉 何 龍 李文生 史 堃

（中國石化西南油氣分公司鉆井工程處，四川 成都 610041）

0 引言

川東北元壩地區(qū)的天然氣資源豐富，作為川氣東送工程資源接替的重要陣地，元壩地區(qū)已成為中國石化繼普光氣田之后天然氣增儲上產(chǎn)的又一重點探區(qū)。元壩地區(qū)無論是鉆井施工還是設(shè)計都面臨井超深、位移長、多壓力系統(tǒng)并存、硫化氫和二氧化碳含量高等難題。鉆井設(shè)計關(guān)乎氣田的安全與高效開發(fā)，需要體現(xiàn)方案的先進(jìn)性和針對性。近年來，鉆井工程設(shè)計人員在總結(jié)借鑒已有鉆井經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，不斷論證和優(yōu)化，按“地面地下一體化、地質(zhì)工程一體化、技術(shù)經(jīng)濟(jì)一體化”的理念精心設(shè)計，根據(jù)區(qū)域的特殊性，提出有針對性的技術(shù)措施及對策，筆者就此作一深入的探討分析。

1 鉆井設(shè)計的難點

根據(jù)元壩地區(qū)的地質(zhì)預(yù)測和已鉆井資料分析，千佛崖—須家河組地層壓力較高，壓力系數(shù)為1.5～2.1，嘉陵江組若鉆遇高壓水層，壓力系數(shù)為1.5～2.0，長興組為常壓，壓力系數(shù)為1.0～1.1；自流井、須家河組易鉆遇高壓氣層；嘉陵江組普遍存在水層，不同區(qū)域水層壓力差異較大；鉆井液密度超過1.7 g／cm3，斜井段易發(fā)生壓差卡鉆；陸相深部地層巖石可鉆性級值普遍為5～8級甚至更高，屬高硬度、高研磨性地層。

復(fù)雜的工程地質(zhì)給鉆井工程設(shè)計增添了諸多難題，主要體現(xiàn)在：

1）開發(fā)井超深、以大斜度井和水平井為主。試采區(qū)9口井平均完鉆井深超過7 500 m，最大完鉆井深近8 000 m，最大水平位移1 500 m，近期完鉆的YB101-1H井完鉆井深7 971 m，創(chuàng)陸上水平井最深紀(jì)錄。

2）需兼顧多套砂組，地質(zhì)對靶框要求高，水平位移長。受儲層和鉆井成本制約，往往需要鉆遇多個層位，難免會設(shè)置多個靶點，定向施工時需要扭方位，如YB27-1井設(shè)置4個靶點，軌跡成倒“C”形，YB272H、YL301H井施工時根據(jù)砂體展布，多次調(diào)整靶點，軌跡起伏大［1］。

3）井身結(jié)構(gòu)須滿足不同完井方式的要求。不同儲層、完井方式不同，選擇何種完井方式還需要根據(jù)實鉆情況和科研水平的深入情況而定，在設(shè)計初期無法針對一種完井方式進(jìn)行設(shè)計，需要兼顧。

4）井位部署原則上不打斜導(dǎo)眼，對地質(zhì)跟蹤、軌跡控制要求高。為降低開發(fā)成本，試采區(qū)和滾動區(qū)以及陸相開發(fā)井均未設(shè)計導(dǎo)眼，在儲層深度超過6 500 m的情況下，借鑒鄰井資料卡層難度極大，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足軌跡調(diào)整的需要，能夠根據(jù)地質(zhì)要求實現(xiàn)水平段增降斜中靶。

5）鉆井成本高，工藝技術(shù)優(yōu)選需要考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性。第一口水平井YB103井應(yīng)用了欠平衡鉆井、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向、進(jìn)口鉆井液等，在順利成井的基礎(chǔ)上，鉆井成本也大幅增加。開發(fā)井需要進(jìn)一步降低鉆井成本。

2 鉆井設(shè)計總體原則

水平井設(shè)計方案是在前期探井設(shè)計和施工基礎(chǔ)上，依托開發(fā)方案和近期完鉆井的資料，不斷優(yōu)化、調(diào)整而形成的，應(yīng)遵循以下幾點設(shè)計原則：①以氣藏工程為基礎(chǔ)，結(jié)合儲層改造需求和完井要求編制鉆井工程設(shè)計方案；② 井位部署盡可能利用地層自然造斜規(guī)律和已建井場；③ 鉆井總進(jìn)尺盡可能少，減少鉆井成本；④ 管材、工具應(yīng)滿足酸性氣田安全施工的要求；⑤ 鉆井液體系應(yīng)滿足封堵、防塌、防漏及保護(hù)氣層的要求；⑥ 固井工藝和質(zhì)量應(yīng)滿足防氣竄、防腐蝕要求；⑦ 鉆井工程工藝應(yīng)滿足安全、快速、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的要求。

3 設(shè)計對策

針對元壩超深開發(fā)井的鉆井難點，將技術(shù)調(diào)研、科技攻關(guān)成果應(yīng)用于設(shè)計中，完善各層段鉆井工藝。針對鉆井工程設(shè)計的難點，采用了以下技術(shù)對策：

3.1 應(yīng)對完井方式的不確定性，采用多功能井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

針對完井方式不確定的難題，井身結(jié)構(gòu)主體設(shè)計為?165.1 mm井眼完鉆，滿足3種完井方式；積極論證擴(kuò)眼技術(shù)、長水平段固井技術(shù)，盡量增大尾管尺寸；及時跟蹤鉆井情況，根據(jù)水平段鉆井情況優(yōu)選完井方式［2］。根據(jù)已鉆井特性及井身結(jié)構(gòu)設(shè)計原則，將必封點進(jìn)行優(yōu)化，封雷四氣層后，油層套管下至長興組儲層頂部，第五次開鉆單獨揭開長興組，完鉆后回接油層套管至井口。在實施過程中，根據(jù)地質(zhì)認(rèn)識、完井方式的優(yōu)化以及現(xiàn)場試驗情況，再對井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整和完善。如YB272H井第四次開鉆鉆至6 006.89 m發(fā)現(xiàn)地層出水，調(diào)整鉆井液密度至2.06 g／cm3，測得硫化氫濃度最高為600 mg／L。若以此密度打斜導(dǎo)眼揭穿長興組，鉆至長興組底壓差可達(dá)到68.34 MPa，根據(jù)元壩地區(qū)長興組壓差卡鉆統(tǒng)計數(shù)據(jù)的分析，發(fā)生壓差卡鉆的風(fēng)險極大。據(jù)此調(diào)整井身結(jié)構(gòu)，油層套管下至飛一段。調(diào)整后的井身結(jié)構(gòu)有利于后期側(cè)鉆施工，降低了工程風(fēng)險，為后期開發(fā)評價奠定了基礎(chǔ)。近期完鉆的YB211井，第四次開鉆裸眼段長2 277 m，技術(shù)套管只下至4 755 m，第四次開鉆鉆進(jìn)未出現(xiàn)復(fù)雜情況，為井身結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化提供了更好的條件。

3.2 應(yīng)對地質(zhì)目標(biāo)時常調(diào)整對策

超深井依靠地震資料很難精確預(yù)測儲層深度，即使同井場施工，儲層深度也可能相差數(shù)十米。在給定靶點坐標(biāo)的垂直深度后，工程設(shè)計按靶心零位移中靶設(shè)計，若靶區(qū)要求苛刻或調(diào)整井段較短將存在脫靶的風(fēng)險，無法鉆達(dá)地質(zhì)目的。鑒于此，鉆井工程設(shè)計應(yīng)與地質(zhì)結(jié)合，預(yù)測出有利儲層的頂?shù)捉缑婧桶悬c深度，軌跡設(shè)計時按空間中靶考慮，優(yōu)選入窗點與軌跡，預(yù)留增降斜空間［3］；優(yōu)選抗高溫、性能穩(wěn)定的測量儀器，水平段大于800 m后優(yōu)先考慮旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向；鉆至飛仙關(guān)組后，地質(zhì)工程跟蹤組協(xié)助卡層。如YB272H井根據(jù)鉆井情況，地質(zhì)工程相結(jié)合，先后6次調(diào)整軌跡，打成了區(qū)內(nèi)首口臺階式水平井，鉆遇各類氣層732.3 m，為有效控制和動用多個礁灘體的儲量積累了經(jīng)驗。

3.3 提高鉆具安全性對策

斜井段受井身結(jié)構(gòu)制約，水平段只能采用小尺寸鉆桿施工，工程方案設(shè)計時，按第四次開鉆深7 100 m、第五次開鉆深7 800 m對5種鉆桿、6套組合的抗拉安全系數(shù)、承受扭矩、拉力余量、施工泵壓和環(huán)空攜巖效果等進(jìn)行了評價，單井設(shè)計時根據(jù)單井井型、井身結(jié)構(gòu)、完鉆井深等資料進(jìn)一步演算和優(yōu)化。從元壩地區(qū)鉆具準(zhǔn)備情況和減少物質(zhì)準(zhǔn)備等方面考慮，?241.3 mm井眼優(yōu)選?139.7 mm×3 000 m＋?127 mm組合，?165.1 mm井眼優(yōu)選?139.7 mm×（3 500～4 500）m＋ ? 101.6 mm組合（表1）。從現(xiàn)場施工來看，推薦的鉆具組合完全滿足元壩超深水平井施工。

3.4 保障套管順利下入和固井質(zhì)量對策

元壩水平井由于井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、套管層次多、環(huán)空間隙小，存在套管居中困難，頂替效率難以保證等難題，固井設(shè)計和施工一直是工程環(huán)節(jié)的重中之重。?241.3 mm井眼需下入?193.7 mm套管至長興頂，套管下入難度大，本體環(huán)空間隙為23.8 mm，接箍位置間隙僅有12.7 mm。?165.1 mm井眼中需要下入?127 mm襯管至井底。在保障套管順利下入方面，要求下套管前進(jìn)行井眼幾何學(xué)和管串力學(xué)相容性分析；強(qiáng)化通井、清潔井眼、注降阻劑等措施，確保安全順利下入套管；采用螺旋剛性減阻扶正器、套管抬頭工藝，減少下套管阻力；工具服務(wù)方提前安裝調(diào)試好工具附件。在保障固井質(zhì)量方面，應(yīng)借鑒前期施工情況，在油層套管設(shè)計懸掛／回接固井（第五次開完鉆后）時采用帶頂封尾管懸掛器，使用抗鹽領(lǐng)漿＋膠乳防氣竄尾漿。

表1 完鉆超深井常用鉆具組合表

3.5 現(xiàn)有技術(shù)條件下保障套管強(qiáng)度對策

套管設(shè)計主要面臨規(guī)范與管材實際設(shè)計要求的兩難問題。普遍存在根據(jù)規(guī)范校核出的套管安全系數(shù)達(dá)不到規(guī)范要求的情況。以一口完鉆井深7 600 m的水平井為例，套管柱采用SY／T 5724-2008套管柱結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度設(shè)計進(jìn)行強(qiáng)度校核；抗內(nèi)壓按下開次最大井口關(guān)井壓力、未考慮外載荷進(jìn)行強(qiáng)度校核；抗外擠按各開次掏空深度、外載荷按預(yù)測地層壓力進(jìn)行強(qiáng)度校核。目前技術(shù)條件下，技術(shù)套管和油層套管抗擠強(qiáng)度普遍不足，全掏空時安全系數(shù)僅為0.6左右。工程設(shè)計應(yīng)針對區(qū)域特殊性，在滿足安全鉆井和生產(chǎn)基礎(chǔ)上，采取控制掏空深度的措施來滿足抗擠需要，如技術(shù)套管，按控制掏空深度不大于1 650 m，油層套管按掏空深度不大于3 300 m計算，抗擠安全系數(shù)可達(dá)1.0以上。設(shè)計中一方面提示油氣水層分布規(guī)律和鄰井鉆井情況，采取套管防磨措施，強(qiáng)化井控操作；另一方面與套管生產(chǎn)廠家交流，從工藝和加工中保障套管強(qiáng)度。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

截至2013年3月，元壩地區(qū)已有23口開發(fā)井（含完鉆井）進(jìn)入主要目的層，海相水平井完鉆9口，均順利中靶，未出現(xiàn)因設(shè)計因素導(dǎo)致的復(fù)雜情況。從鉆井技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)看，采用相應(yīng)的鉆井工藝對策后，無論是鉆井周期還是日進(jìn)尺均優(yōu)于前期施工井，如YB204-1H、YB205-1、YB101-1H、YB1-1H井鉆機(jī)平均月鉆速均超過600 m，試采區(qū)水平井完鉆井平均鉆井周期為387 d，較前期完鉆井平均鉆井周期縮短近50 d。

5 結(jié)論

1）鉆井工程設(shè)計是一個系統(tǒng)工程，需要在滿足地質(zhì)要求的前提下，根據(jù)儲層改造與完井要求，考慮井下復(fù)雜情況，在現(xiàn)有技術(shù)水平基礎(chǔ)上優(yōu)選優(yōu)配鉆井工藝，達(dá)到科學(xué)設(shè)計、安全高效施工的目的。

2）從現(xiàn)場實施情況可以看出，針對元壩超深水平井設(shè)計難點采取的技術(shù)對策滿足開發(fā)需要。在設(shè)計人員和甲乙方密切配合下，能夠順利完成地質(zhì)目的。

3）建議井位部署時工程設(shè)計人員提前介入，便于熟悉地質(zhì)目的以進(jìn)行科學(xué)設(shè)計。

［1］王超，劉偉，胡大梁，等.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向在元壩超深水平井的應(yīng)用［J］. 天然氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2012，6（4）：28-30.

［2］劉偉，蔣祖軍，李麗，等.元壩超深水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用［J］. 石油規(guī)劃設(shè)計，2012，23（2）：29-32.

［3］胡永章.影響元壩氣田超深井鉆井提速的工程地質(zhì)因素及技術(shù)對策［J］. 中外能源，2012，17（4）：53-58.