武毅，侯少紅，劉海涵　(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

尹飛　(石油工程教育部重點實驗室(中國石油大學(xué)(北京))，北京 102249)

Missan油田小井眼鉆井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

武毅，侯少紅，劉海涵(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

尹飛(石油工程教育部重點實驗室(中國石油大學(xué)(北京))，北京 102249)

[摘要]小井眼鉆井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計是小井眼鉆井技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵,目前小井眼鉆井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計尚缺乏科學(xué)指導(dǎo)。采用環(huán)空水力學(xué)模型計算小井眼波動壓力,確立小井眼鉆井合理的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計系數(shù)?；贛issan油田壓力剖面和地質(zhì)情況,闡述了小井眼鉆井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。結(jié)果表明小井眼鉆井波動壓力較大;合理的小井眼井身結(jié)構(gòu)設(shè)計需要綜合考慮壓力剖面、設(shè)計系數(shù)、復(fù)雜地層及油田鉆井工藝;預(yù)測全井節(jié)省鉆時達到15.6%。研究成果提供了小井眼鉆井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,并在Missan油田中得以成功應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]小井眼鉆井;井身結(jié)構(gòu);波動壓力;鹽膏層;Missan油田

根據(jù)目前鉆井技術(shù)，小井眼鉆井是指油氣井最后一開次的井眼尺寸小于6in的鉆井工藝。小井眼鉆井具有高鉆速、低成本的特點，能夠降低鉆井綜合成本，又被稱為“經(jīng)濟鉆井技術(shù)”。根據(jù)國外小規(guī)?，F(xiàn)場試驗，小井眼鉆井費用較常規(guī)尺寸井眼可節(jié)省鉆井費用30%~40%，經(jīng)濟效益十分可觀。國外鉆井承包商、油公司的實踐表明，小井眼鉆井可節(jié)約成本30%左右，在探井、邊遠地區(qū)可達50%~70%[1~4]。另外，小井眼鉆井更加環(huán)保，由于泥漿、巖屑量減少，減少了環(huán)境污染[5]。

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計是鉆井工程設(shè)計的重要內(nèi)容之一。合理的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計既能最大限度地避免漏、噴、塌、卡等工程事故的發(fā)生，使得各項鉆井作業(yè)得以安全順利進行，又能最大幅度地減少鉆井費用，使工程成本達到最低。

小井眼鉆井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計是小井眼鉆井的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，目前小井眼鉆井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計尚缺乏科學(xué)指導(dǎo)。筆者采用環(huán)空水力學(xué)模型計算小井眼波動壓力，確立小井眼鉆井合理的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計系數(shù)；根據(jù)Missan油田壓力剖面和地質(zhì)情況，優(yōu)化設(shè)計了小井眼鉆井的井身結(jié)構(gòu)。

1小井眼鉆井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計系數(shù)

波動壓力是鉆具在充滿泥漿的井眼中上下運動時引起的泥漿壓力。波動壓力會破壞井內(nèi)壓力平衡，增加井噴、井漏、井塌及其他復(fù)雜情況的風(fēng)險。小井眼井身結(jié)構(gòu)設(shè)計系數(shù)不同于常規(guī)井眼，由于環(huán)空間隙小，起下鉆的抽吸壓力、激動壓力可導(dǎo)致地層流體進入井眼及壓裂地層引起井漏。為了精確選取小井眼井身結(jié)構(gòu)設(shè)計系數(shù)中的波動壓力，建立了環(huán)空水力模型[6]，計算了小井眼鉆井時的波動壓力。

環(huán)空間隙對波動壓力有著重要影響。假設(shè)鉆具組合為單一尺寸鉆桿柱，其在不同井眼尺寸中起下鉆，分析環(huán)空間隙對波動壓力的影響規(guī)律。不同井眼和鉆柱尺寸下泥漿黏稠力波動壓力如圖1所示。在相同的鉆具組合情況下，隨著井眼尺寸的縮小，泥漿黏稠力引起的波動壓力增加。井眼尺寸大于7in(177.8mm)，泥漿黏稠力波動壓力對環(huán)空間隙不敏感；井眼尺寸小于7in，泥漿黏稠力波動壓力對環(huán)空間隙十分敏感。

圖1　不同井眼和鉆柱尺寸下泥漿黏稠力波動壓力

泥漿靜切力引起的波動壓力為1.669MPa，下鉆過程中泥漿黏稠力引起的波動壓力為1.909MPa，泥漿慣性力引起的波動壓力為1.174MPa。取上述3個波動壓力的最大值，則波動壓力當(dāng)量密度為0.0608g/cm3。按照Missan油田實際鉆井?dāng)?shù)據(jù)進行波動壓力計算，并參考鉆井手冊，優(yōu)選了Missan油田小井眼鉆井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，如表1所示。

表1　小井眼鉆井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)優(yōu)選

注：表中2~5列單位為當(dāng)量密度。

2Missan油田地層和壓力剖面

Missan油田小井眼鉆井開發(fā)目的層為新近系-古近系的Asmari碳酸鹽巖，它發(fā)育在Abu油田和Fauqi油田，埋深2800~3100m。地質(zhì)數(shù)據(jù)是井身結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括巖性剖面、油氣層深度、地層孔隙壓力、地層破裂壓力、地層坍塌壓力等。建立Missan油田地層巖性剖面，如表2所示。

表2　Missan油田地層劃分

Missan油田Upper Fars層孔隙壓力正常，壓力系數(shù)當(dāng)量密度在1.0~1.1g/cm3之間。夾持在硬石膏或鹽層之間的泥巖欠壓實是造成Lower Fars層異常高壓的主因，孔隙壓力系數(shù)當(dāng)量密度最高為2.20g/cm3。Lower Fars為異常高壓層，預(yù)測地層壓力系數(shù)當(dāng)量密度為2.04g/cm3。Asmari油藏地層壓力衰竭，預(yù)測地層壓力系數(shù)當(dāng)量密度為1.04g/cm3，防止泥漿相對密度偏高污染油層。通過對FQ-5、FQ-10、FQ-22井地層孔隙壓力、地層破裂壓力進行數(shù)據(jù)處理，獲得了壓力剖面設(shè)計圖，如圖2所示。

圖2　Missan油田井身結(jié)構(gòu)設(shè)計壓力剖面

3Missan油田小井眼鉆井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1　套管層次與下入深度

生產(chǎn)套管的下入深度由儲層位置和完井方式確定，生產(chǎn)套管的下入深度為3198m。下面分析技術(shù)套管和表層套管的層次和下入深度。

3.1.1確定技術(shù)套管下入深度的假定點D21

利用壓力剖面圖中最大地層壓力梯度求上部地層不被壓裂應(yīng)具有的設(shè)計破裂壓力當(dāng)量密度ρf[7,8]。

當(dāng)正常作業(yè)下鉆時：

ρf=ρpmax+Sb+Sg+Sf

(1)

式中：ρf為上一層套管鞋處的地層破裂壓力系數(shù)當(dāng)量密度，g/cm3；ρpmax為裸眼井段鉆遇的最大地層孔隙壓力當(dāng)量密度，g/cm3；Sb為抽汲壓力系數(shù)當(dāng)量密度，g/cm3；Sg為激動壓力系數(shù)當(dāng)量密度，g/cm3；Sf為地層破裂壓力安全增值當(dāng)量密度，g/cm3。

在橫坐標(biāo)上找到設(shè)計破裂壓力當(dāng)量密度ρf，向上引垂線與破裂壓力線相交，交點所在井深即為技術(shù)套管下入深度假定點D21。

經(jīng)過計算可得：設(shè)計破裂壓力當(dāng)量密度計算值為2.36g/cm3，向上引垂線與破裂壓力線相交，交點對應(yīng)的深度為所求，則技術(shù)套管下入深度假定點D21=2186m。

若預(yù)計會發(fā)生井涌而壓井時：

(2)

式中：Dpmax為裸眼井段最大孔隙壓力處井深，m；Sk為井涌允量當(dāng)量密度，g/cm3。

用試算法求D21：試取一個D21代入上式，獲得計算值；查圖獲得D21的實際值。若計算值略小于實際值，則為技術(shù)套管下入深度假定點D21。

經(jīng)計算可得：當(dāng)D21=2188m時，破裂壓力當(dāng)量密度計算值2.376g/cm3，實際值2.377g/cm3，滿足試算結(jié)果要求。則Missan油田預(yù)計會發(fā)生井涌，技術(shù)套管下入深度假定點D21=2188m。

3.1.2驗證技術(shù)套管下入D21是否有被卡風(fēng)險

求出該井段最小地層壓力處的最大壓差：

(3)

式中：Δp為壓差，MPa；ρm為鉆進深度D21時鉆井液密度(ρm=ρpmax+Sb)，g/cm3；Dpmin為該井段最小地層壓力對應(yīng)井深，m；ρpmin為該井段最小地層壓力當(dāng)量密度，g/cm3；0.0981為重力加速度，m/s2。

鉆進深度D21時(進入Mb5層40m)鉆井液密度為1.28g/cm3。經(jīng)過計算，不會發(fā)生壓差卡套管。則技術(shù)套管下入深度假定點即為技術(shù)套管下入深度D2=2188m。

3.1.3計算表層套管下入深度D1

其余井段套管下深的計算采用常規(guī)井眼設(shè)計參數(shù)。

采用試算法計算表層套管下入深度：

(4)

式中：ρfE為井涌壓井時表層套管鞋處承受的壓力當(dāng)量密度，g/cm3；D2為技術(shù)套管下入深度，m；D1為表層套管下入深度，m；ρp2為技術(shù)套管D2處的地層壓力當(dāng)量密度，g/cm3。

當(dāng)試算值接近于該處破裂壓力實際值時，該深度即為表層套管下入深度。經(jīng)過計算可得：當(dāng)D1=140m時，破裂壓力當(dāng)量密度計算值為2.29g/cm3，實際值為2.30g/cm3，滿足試算結(jié)果要求。則表層套管下入深度D1=140m。

3.1.4調(diào)整套管層次和下入深度

以上套管層次和下入深度的確定依據(jù)壓力系統(tǒng)平衡而設(shè)計的，但是有些復(fù)雜情況反映不到壓力剖面上。例如易垮塌泥頁巖、蠕變的鹽膏層、膠結(jié)不良的砂巖等復(fù)雜地層，將影響鉆井速度和安全。因此，要根據(jù)鉆井工藝技術(shù)水平和鉆井液技術(shù)現(xiàn)狀，確定是否用套管封住該類地層，以便安全鉆進下部地層。

由巖性剖面可知，Missan油田L(fēng)ower Fars地層為鹽膏層，長度約800m。鹽膏層易垮塌、縮徑，屬于復(fù)雜地層；且與下部儲層屬于不同壓力體系，應(yīng)該及時進行封隔。地質(zhì)必封點為Mb1層位，由于該層易發(fā)生井漏，推薦進入Mb1層1m左右下入技術(shù)套管，下入深度可取2934m。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，建議進入鹽膏層Lower Fars地層Mb5層位一定深度(約80m)下入技術(shù)套管，則上層技術(shù)套管的下入深度由2188m調(diào)整到2226m。再次驗證不會發(fā)生壓差卡套管。調(diào)整后套管層次與下入深度結(jié)果如表3所示。

表3　調(diào)整前后的套管層次與下入深度

3.2　井眼與套管尺寸配合

綜合考慮Missan油田現(xiàn)用井身結(jié)構(gòu)和小井眼鉆井應(yīng)用現(xiàn)狀，優(yōu)化設(shè)計了套管和井眼的尺寸配合，如表4所示。

表4　小井眼井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

圖3　Missan油田小井眼鉆井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果

對比小井眼機械鉆速與實鉆鉆速，小井眼二開鉆速相對原井眼能提高49.7%，二開鉆速能提高44.8%，三開鉆速能提高49.5%，四開小井眼井段鉆速降低了29.9%。采用小井眼鉆井，預(yù)測全井累計鉆時能節(jié)省2.7d(全井段實鉆鉆時為17.3d)，節(jié)省15.6%。

綜合考慮壓力剖面、小井眼井身結(jié)構(gòu)設(shè)計系數(shù)、地質(zhì)必封點和油田鉆井工藝等因素，為Missan油田小井眼鉆井設(shè)計了合理的井身結(jié)構(gòu)。這種井身結(jié)構(gòu)的優(yōu)點包括：①在現(xiàn)有井身結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上縮小一級，井身結(jié)構(gòu)修改少；②盡量采用常規(guī)的鉆頭和套管，物資充足；③提高鉆速且降低成本。

4結(jié)論與認識

1)隨著井眼尺寸縮小，泥漿黏稠力引起的波動壓力增加；當(dāng)井眼尺寸小于7in時，泥漿黏稠力波動壓力對環(huán)空間隙十分敏感。

2)小井眼井身結(jié)構(gòu)設(shè)計系數(shù)不同于常規(guī)井眼，小井眼鉆井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計需要優(yōu)選設(shè)計系數(shù)。

3)Missan油田L(fēng)ower Fars是鹽膏層，存在異常高壓，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計需要封固該層。

4)合理的小井眼鉆井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計需要綜合考慮壓力剖面、小井眼井身結(jié)構(gòu)設(shè)計系數(shù)、復(fù)雜地層和油田鉆井工藝等因素。

5)小井眼鉆井一開、二開和三開的鉆速相對常規(guī)井眼能夠得以顯著提高，小井眼井段鉆速有所降低。

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[編輯]帥群

[引著格式]武毅，侯少紅，劉海涵，等.Missan油田小井眼鉆井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版) ,2015,12(26):37~41.

[中圖分類號]TE246

[文獻標(biāo)志碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)26-0037-05

[作者簡介]武毅(1984-)，男，工程師，現(xiàn)主要從事油氣田鉆井技術(shù)工作，wuyi@cnooc.com.cn。

[基金項目]國家科技重大專項(2011ZX05009-005)。

[收稿日期]2015-01-07