黃河鉆井總公司 257000
為了實(shí)現(xiàn)科學(xué)、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、安全地鉆井作業(yè),取得預(yù)期的鉆探目的和經(jīng)濟(jì)效益,合理的井身結(jié)構(gòu)是最重要的前提。所謂合理的井身結(jié)構(gòu),就是按照地質(zhì)要求,根據(jù)地層孔隙壓力、地層破裂壓力、地層坍塌壓力3 條曲線,綜合考慮鉆井設(shè)備現(xiàn)狀、鉆井工藝技術(shù)水平及施工能力等一系列因素,設(shè)計(jì)出合理的井身結(jié)構(gòu),以滿足地質(zhì)、鉆井及采油等方面的要求。
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與順利,而且還關(guān)系到鉆井作業(yè)的經(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,保證各項(xiàng)鉆井作業(yè)安全順利,又能最大限度地減少鉆井費(fèi)用,使工程成本降至最低。鉆井是石油與天然氣勘探開(kāi)發(fā)的主要手段。鉆井工程質(zhì)量的優(yōu)劣和鉆井速度的快慢, 直接關(guān)系到鉆井成本的高低、油田勘探開(kāi)發(fā)的綜合經(jīng)濟(jì)效益及石油工業(yè)發(fā)展速度。鉆井工程設(shè)計(jì)是指導(dǎo)鉆井工程施工的一個(gè)綜合性的技術(shù)文件, 是組織鉆井生產(chǎn)和技術(shù)協(xié)作的基礎(chǔ), 也是單井預(yù)算和決算的唯一依據(jù)。
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、卡等工程故障, 使各項(xiàng)鉆井作業(yè)得以安全順利進(jìn)行, 又能最大幅度地減少鉆井費(fèi)用, 使工程成本達(dá)到最低。而井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性在很大程度上依賴于設(shè)計(jì)者對(duì)鉆井地質(zhì)環(huán)境(包括巖性、地下壓力特性、復(fù)雜地層分布、井壁穩(wěn)定性、地下流體特性等) 的認(rèn)識(shí)程度和鉆井裝備條件(套管、鉆頭、井口防噴裝置、鉆具等) 及鉆井工藝技術(shù)水平(鉆井液工藝、注水泥工藝、井眼軌跡控制技術(shù)、操作水平等), 當(dāng)然也需要有科學(xué)的設(shè)計(jì)思路和方法。隨著油氣田的深層次勘探開(kāi)發(fā), 原有的經(jīng)驗(yàn)性的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式已不能適應(yīng)當(dāng)前的實(shí)際鉆井條件, 需不斷改進(jìn), 以獲得更合理的井身結(jié)構(gòu)。
深層勘探已成為石油資源重點(diǎn)勘探的領(lǐng)域之一。由于深井地質(zhì)條件復(fù)雜以及在鉆井、完井和采油(氣)過(guò)程中對(duì)安全性的重視, 對(duì)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求越來(lái)越高.
(1)能滿足鉆井作業(yè)要求,有利于實(shí)現(xiàn)安全、快速、低成本鉆井。
(2)生產(chǎn)套管尺寸應(yīng)能滿足采油、增產(chǎn)措施和井下作業(yè)的要求。
(3)盡量采用API 標(biāo)準(zhǔn)系列的套管和鉆頭。
(4)選擇表層套管應(yīng)考慮常用井口防噴裝置的規(guī)格。
(5)在滿足下套管和注水泥要求的前提下,采用較小的套管/ 井眼間隙值,以減小套管和井眼尺寸(最小間隙≥9.5mm)。
(6) 盡可能使用覫212.7 ~覫241.3mm 鉆頭鉆進(jìn),以增加井段的長(zhǎng)度。
(7)對(duì)探井和地質(zhì)條件復(fù)雜的開(kāi)發(fā)井,套管程序設(shè)計(jì)要留有余地,必要時(shí)可再增加一層套管。
井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系數(shù)包括:抽吸壓力系數(shù)Sb、激動(dòng)壓力系數(shù)Sg、地層破裂壓力安全系數(shù)Sf、井涌條件Sk、壓差允值ΔPn 和ΔPa 等。井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系數(shù)是隨井深而變化的。隨著井深的增加,抽吸壓力和激動(dòng)壓力系數(shù)增大,井涌系數(shù)減小,破裂壓力安全系數(shù)減小,壓差卡鉆系數(shù)因地層壓力的不同而不同。在以往的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,沒(méi)有考慮井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系數(shù)隨井深的變化,全井采用某一定值,因此存在一定偏差。為提高井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性,應(yīng)采用隨井深變化的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系數(shù)值。
傳統(tǒng)的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取由下而上的設(shè)計(jì)方法,即套管設(shè)計(jì)從目的層生產(chǎn)套管開(kāi)始,自下而上,逐層確定每層套管的下入深度和尺寸。設(shè)計(jì)步驟一般是從目的層開(kāi)始,根據(jù)裸眼井段需滿足的約束條件確定生產(chǎn)套管的尺寸。生產(chǎn)套管的外徑留有足夠的環(huán)隙,根據(jù)環(huán)隙的大小再選擇相應(yīng)的鉆頭尺寸,然后本著上一層套管內(nèi)徑必須保證下部井段所用的套管和鉆頭能順利通過(guò)為原則,確定上一層套管柱的最小尺寸,依此類推,由深至淺地選擇各層套管和鉆頭尺寸。
傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法具有以下特點(diǎn)。
(1)每層套管下入深度淺,套管成本低,適合于已探明地區(qū)開(kāi)發(fā)井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
(2)上部套管下入深度的合理性取決于對(duì)下部地層特性了解的準(zhǔn)確性和可靠程度。
(3)對(duì)于深探井,由于存在地層的不確定性和對(duì)下部地層了解的不充分性,難以應(yīng)用傳統(tǒng)方法自下而上確定每層套管的下深。因此,需對(duì)傳統(tǒng)的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法加以改進(jìn)。
井身結(jié)構(gòu)改進(jìn)的設(shè)計(jì)方法:
由于在深井和探井中存在地層壓力的不確定性、地層狀態(tài)和巖性的不確定性、地層分層深度和完井深度的不確定性,其井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不應(yīng)以套管下入深度最淺、套管費(fèi)用最低為主要目標(biāo),而應(yīng)以確保鉆井成功率、順利鉆達(dá)目的層為首選目標(biāo)。為了提高鉆探的成功率,必須有足夠的套管層次儲(chǔ)備,以便一旦鉆遇未預(yù)料到的復(fù)雜層位時(shí)能夠及時(shí)封隔,同時(shí)希望上部大尺寸套管盡量下深,為下部地層鉆進(jìn)留有一定的套管層次儲(chǔ)備,不至于采用小尺寸井眼完井。針對(duì)上述情況,經(jīng)分析研究,改用自上而下的設(shè)計(jì)方法,即在確定了表層套管下深的基礎(chǔ)上,根據(jù)裸眼井段需滿足的約束條件,從表層套管鞋處開(kāi)始向下逐層設(shè)計(jì)技術(shù)套管的下入深度,直至目的層的生產(chǎn)套管。
該設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)如下:
(1)套管下深是根據(jù)上部已鉆地層的資料來(lái)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)。
(2)每層套管下入深度最深,有利于保證實(shí)現(xiàn)鉆探目的,順利鉆達(dá)目的層位。
(3)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法結(jié)合應(yīng)用,可以確定套管的合理下深區(qū)間。
采用這種設(shè)計(jì)方法應(yīng)特別注意2個(gè)問(wèn)題:
(1)裸眼井段必須滿足的壓力平衡約束條件;(2)井眼坍塌壓力的影響和必封點(diǎn)問(wèn)題。
對(duì)于復(fù)雜深井、超深井傳統(tǒng)的井身結(jié)構(gòu)上部井眼開(kāi)孔尺寸大, 大井眼所占井段長(zhǎng), 而下部又被迫采用小井眼鉆進(jìn), 存在速度慢、成本高等問(wèn)題, 優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)是優(yōu)化技術(shù)套管的層次、直徑和下入深度。隨著勘探開(kāi)發(fā)向深部和海洋發(fā)展,要滿足地質(zhì)勘探及采油工藝的要求,只有增加套管柱層次。
增加套管柱層次的途徑有:①增大上部井眼和套管的尺寸;②鉆小尺寸井眼來(lái)增加套管柱層數(shù);③采用無(wú)接箍套管,縮小相鄰套管柱及套管與井眼之間的間隙;④利用隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)增大井眼與套管之間的間隙;⑤優(yōu)化套管/ 井眼尺寸組合,設(shè)計(jì)新的套管及鉆頭系列等。
通過(guò)對(duì)套管與井眼間隙進(jìn)行研究分析,在充分考慮間隙大小對(duì)鉆井、固井、波動(dòng)壓力及其他因素影響的前提下,提出了改進(jìn)和新增的井身結(jié)構(gòu)方案。
方案如下:
(1)準(zhǔn)確的地質(zhì)參數(shù)、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系數(shù)及優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法是合理設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)的前提。
(2)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系數(shù)是隨井深而變化的,在設(shè)計(jì)中應(yīng)采用隨井深變化的設(shè)計(jì)系數(shù)值。
(3)對(duì)于深探井應(yīng)盡量加大開(kāi)眼尺寸和下大尺寸套管,為順利鉆達(dá)目的層或加深留有余地。
(4)自上而下的設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法結(jié)合應(yīng)用,可給出套管的合理下深區(qū)間。同時(shí),改進(jìn)和新增的井身結(jié)構(gòu)系列應(yīng)加強(qiáng)實(shí)踐及應(yīng)用。
積極探索、不斷地優(yōu)化井身結(jié)構(gòu),提高鉆井速度鉆井工藝技術(shù)日新月異。除了努力不斷學(xué)習(xí)豐富自己的鉆井經(jīng)驗(yàn)外,更應(yīng)該積極探索新的鉆井方法。在鉆井施工中,堅(jiān)持實(shí)施好油氣層保護(hù)技術(shù)和井身質(zhì)量控制技術(shù),把“發(fā)現(xiàn)油氣層、保護(hù)油氣層”放在首位,廣泛使用有利于保護(hù)油氣層的新型泥漿體系,堅(jiān)持科學(xué)管理,淺探井專人負(fù)責(zé)技術(shù)交底,加強(qiáng)中間監(jiān)控,堅(jiān)持使用好凈化裝備,充分保證處理劑的投入和良好性能的鉆井液,嚴(yán)格執(zhí)行參數(shù)優(yōu)化措施,最大限度地滿足了發(fā)現(xiàn)和保護(hù)油氣層的需要。