劉彪 潘麗娟 易浩 李雙貴

中國石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院

順北含輝綠巖超深井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

劉彪 潘麗娟 易浩 李雙貴

中國石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院

順北井區(qū)采用六級井身結(jié)構(gòu)開發(fā)，存在大尺寸井眼長、套管層次多以及火成巖漏失，導(dǎo)致鉆井效率低、亟需優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)。采用Drillworks軟件模擬了地層三壓力剖面，成像測井與電鏡掃描認(rèn)識了火成巖裂縫分布，通過巖石礦物成分與理化性能分析了深部泥巖坍塌機(jī)理，通過對比非標(biāo)套管與鉆桿的強(qiáng)度與尺寸分析了管柱匹配性。結(jié)果表明全井存在4個不同壓力系統(tǒng)，火成巖裂縫縱向分布縫寬0.5～2 mm、微裂縫縫寬2～3 μm，易塌泥巖伊蒙混層達(dá)70%，蒸餾水作用下線性膨脹率40%～45%，得到了3個必封點(diǎn)與1個風(fēng)險點(diǎn)；通過配套鉀銨基聚磺鉆井液體系與漏失補(bǔ)救措施，保障了長裸眼井壁穩(wěn)定；優(yōu)選了?139.7 mm非標(biāo)套管，完鉆井眼尺寸由114.3 mm擴(kuò)大至120.65 mm滿足使用非標(biāo)88.9 mm鉆桿，將井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化為四級。新結(jié)構(gòu)滿足高效鉆井需求，縮短鉆井周期達(dá)125 d。

超深井；火成巖；長裸眼；井身結(jié)構(gòu)；套管優(yōu)選；承壓堵漏技術(shù)

塔河油田順托果勒低隆北緣部分地區(qū)奧陶系桑塔木組發(fā)育火成巖侵入體，前期對地質(zhì)情況認(rèn)識不清，為確保安全鉆井采用六級井身結(jié)構(gòu)開發(fā)，繼順北1-1H井實(shí)現(xiàn)重大油氣突破之后，該區(qū)塊需進(jìn)行大規(guī)模布井作業(yè)，若仍設(shè)計六級井身結(jié)構(gòu)，鉆井周期長，鉆井費(fèi)用高。從完鉆井情況看，該區(qū)存在二疊系巨厚火成巖易漏與奧陶系桑塔木組輝綠巖侵入體易塌問題，為此，筆者在研究原井身結(jié)構(gòu)存在問題基礎(chǔ)上，分析了地層壓力、火成巖裂縫與深部泥巖特征，配套了長裸眼穿古生界地層防漏堵漏技術(shù)與優(yōu)化了套管層序，從而對井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化和調(diào)整。

1　井身結(jié)構(gòu)存在的問題

Disadvantages of the casing program

1.1大尺寸井眼長

Long large-size borehole

新近系以上砂泥巖互層地層膠結(jié)程度差，承壓能力低，下部二疊系火成巖地層裂縫發(fā)育，根據(jù)塔河油田開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，需進(jìn)行承壓堵漏作業(yè)，以便鉆井階段不發(fā)生漏失。因此，上層?339.7 mm套管下深需加深，以防止承壓堵漏壓漏套管鞋處地層，導(dǎo)致?444.5 mm井眼長達(dá)2 600 m，大幅度地降低了機(jī)械鉆速。

1.2封隔二疊系不能確保無漏失

Potential mud loss even by plugging the permian

二疊系火成巖分布區(qū)域廣，裂縫發(fā)育，但是縫寬、走向以及分布規(guī)律不清，導(dǎo)致不同井位漏失程度不同，見表1。順北1井鉆井液密度1.24 g/cm3穿二疊系無漏失，順北1-1H井鉆井液密度1.25 g/cm3穿二疊系漏失2 876 m3，進(jìn)行了25次橋漿堵漏、1次水泥漿和1次化學(xué)固結(jié)堵漏［1］，堵漏時間長達(dá)40 d。針對二疊系漏失，傳統(tǒng)做法是橋漿堵漏+承壓［2］，確保地層流體密度大于1.65 g/cm3，采用低密度1.60 g/ cm3水泥漿固井時降低漏失風(fēng)險，因此承壓值達(dá)20 MPa，可能壓漏地層。

表1　順北井區(qū)二疊系漏失情況Table 1 Mud loss in the permian of Shunbei block

1.3古生界地層承壓能力低

Low pressure bearing capacity of the Paleozoic strata

奧陶系桑塔木組輝綠巖（6 898～6 938 m）坍塌應(yīng)力高，鉆井液密度1.80～1.85 g/cm3維持井壁穩(wěn)定，但石炭系、泥盆系、志留系等上部古生界地層砂泥巖發(fā)育，初始地層承壓能力僅1.38 g/cm3，導(dǎo)致順北1井穿輝綠巖，鉆井液密度1.25 g/cm3增至1.35 g/cm3時上部地層出現(xiàn)不同程度漏失18次，經(jīng)6次堵漏施工，最高提鉆井液密度至1.43 g/cm3，仍不能滿足繼續(xù)鉆井要求，被迫回填，提前下入?193.7 mm套管至輝綠巖頂部，再用一個開次專揭輝綠巖地層。

1.4套管層次復(fù)雜

Complicated casing structures

目的層為縫洞型儲層，易漏，若以抑制輝綠巖井壁穩(wěn)定的鉆井液密度1.85 g/cm3進(jìn)入目的層，漏失風(fēng)險大。按塔河油田開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，考慮降低漏失風(fēng)險與保護(hù)儲層，必須下一層套管至目的層頂部，導(dǎo)致套管層次復(fù)雜，井身結(jié)構(gòu)級數(shù)達(dá)六級。

2　 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

Optimization of casing program

2.1地層壓力分析

Analysis on reservoir pressure

利用Drillworks地層壓力分析軟件［3］對已完鉆井的測井資料、地破、試油、巖性分析與計算，建立了順北區(qū)塊地層三壓力剖面（見圖1）。

圖1　三壓力剖面Fig. 1 Three-pressure profile

（1）地層孔隙壓力1.01～1.23 g/cm3，屬正常壓力系統(tǒng)；石炭系地層壓力最大1.23 g/cm3，鷹山組壓力1.08～1.16 g/cm3。

（2）地層坍塌壓力0.9～1.83 g/cm3，二疊系、志留系壓力1.23～1.25 g/cm3、1.21～1.27 g/cm3，桑塔木組輝綠巖異常1.83 g/cm3。

（3）地層破裂壓力，井深2 000 m以下2.0 g/cm3左右，桑塔木組上泥巖1.91～2.09 g/cm3，桑塔木組下泥巖1.98 ～2.03 g/cm3。

從三壓力剖面分析，桑塔木組輝綠巖異常體不易與上部地層合揭。

2.2復(fù)雜地層特征分析

Analysis on complex formation

火成巖以英安巖與凝灰?guī)r為主，成像測井與巖心電鏡掃描結(jié)果見圖2、3、4。英安巖高導(dǎo)縫發(fā)育傾角15～86°，傾向雜亂，走向雜亂；裂縫縱向分布以溶蝕孔、洞為主，沿裂縫呈星點(diǎn)狀分布。巖心表觀裂縫發(fā)育，縫寬0.5～2 mm，充填砂巖、粉砂巖，非均質(zhì)性強(qiáng)。英安巖與凝灰?guī)r內(nèi)部礦物晶體的晶間微觀裂隙發(fā)育，礦物內(nèi)部解理發(fā)育，微裂縫縫寬2～3 μm。因此，火成巖微觀裂縫發(fā)育程度高，受壓易溝通，增大漏失范圍；縱向以張性裂縫［4］為主，若地層破裂易上、下竄流［5］，導(dǎo)致漏失難以控制。如順北1井，實(shí)鉆漏點(diǎn)不少于8個。

圖2　火成巖井段裂縫特征Fig. 2 Characteristics of fractures in the igneous rock section

圖3　火成巖巖心Fig. 3 Core of igneous rocks

古生界地層平均井徑擴(kuò)大率僅14.2%，但志留系地層以泥巖為主，井徑擴(kuò)大率達(dá)24.5%；泥巖中黏土含量38%，伊蒙混層含量70%，長石與石英含量53%；蒸餾水環(huán)境下三組泥巖線性膨脹率達(dá)40%～45%，但滾動回收率70%～80%較高［6］，表現(xiàn)出泥巖膨脹性強(qiáng)。

圖4　電鏡掃描圖Fig. 4 SEM graph

綜上所述，若將二疊系與古生界志留系合揭，需要提高上部地層承壓能力，同時兼顧抑制泥巖水化膨脹特性。

2.3必封點(diǎn)確定

Determination of plugging points

三壓力分析表明，井深1 000～1 500 m破裂壓力系數(shù)1.78～1.83，而二疊系地層采用1.60 g/cm3低密度水泥漿固井時井底壓力當(dāng)量密度最大1.8 g/cm3，因此，需套管深下，防止固井時壓漏套管鞋位置，要求套管下深不小于1 500 m。

二疊系巖性特征分析表明，火成巖裂縫發(fā)育，實(shí)鉆密度高于1.25 g/cm3易漏，地層較薄弱；然而，古生界志留系泥巖地層坍塌壓力系數(shù)1.27易井壁失穩(wěn)；同時，古生界地層破裂壓力梯度2.0 MPa/100 m左右，表明提高地層承壓能力空間較大。此外，志留系泥巖理化特征分析表明，通過提高鉆井液抑制膨脹性能，可以有效降低井壁失穩(wěn)。

侵入體頂部地層破裂壓力梯度僅1.91 MPa/100 m，而輝綠巖地層坍塌壓力梯度1.83 MPa/100 m，壓力窗口窄，需下一層套管至輝綠巖地層頂部。

目的層為縫洞型儲層，鉆井液密度過高易漏失，而上部奧陶系恰爾巴克組泥巖發(fā)育，測試階段若井壁失穩(wěn)會“壓死”油層，必須下一層套管至目的層頂部，封隔泥巖地層。

以上分析表明，順北區(qū)塊存在3個必封點(diǎn)與1個風(fēng)險點(diǎn)，（1）第1個必封點(diǎn)封隔淺部地層需套管下深1 500 m；（2）第2個必封點(diǎn)桑塔木組侵入體頂部；（3）第3個必封點(diǎn)目的層頂部；（4）風(fēng)險點(diǎn)為二疊系、石炭系、志留系地層存在合揭可能。

2.4井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

Optimization of casing program

順北地區(qū)前期采用六級井身結(jié)構(gòu)：一開?660.4mm鉆頭×300 m，?508 mm套管×300 m；二開?444.5 mm鉆頭×2600 m，?339.7 mm套管×2 598 m，為三開承壓堵漏創(chuàng)造條件；三開?311.2 mm鉆頭×5 082 m，?273.1mm套管×5 081 m，封隔二疊系及以上地層；四開?241.3 mm鉆頭×6 895 m，下入?193.7 mm技術(shù)尾管，封隔輝綠巖侵入體以上地層；五開?165.1 mm鉆頭×7 271 m，下入?142.88 mm技術(shù)尾管，封隔輝綠巖至目的層頂部地層；六開?114.3 mm鉆頭×7 446 m，鉆揭目的層。該井身結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)在于三開封隔二疊系地層，二開套管深度達(dá)2 600 m，為二疊系承壓堵漏提供了較好條件，缺點(diǎn)在于井身結(jié)構(gòu)級數(shù)較多，導(dǎo)致鉆井周期長，鉆井費(fèi)用高。

根據(jù)三壓力剖面、巖性特征、實(shí)鉆情況以及必封點(diǎn)的優(yōu)選，結(jié)合工區(qū)物資裝備條件，優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)為四級：一開?346.1 mm鉆頭×1 500 m，?273.1 mm套管×1 499 m，封隔淺部疏松砂泥巖地層；二開?250.88 mm鉆頭×6 895 m，?193.7 mm套管×6 893 m，封隔輝綠巖侵入體之上地層；三開?165.1 mm鉆頭×7 271 m，?139.7 mm技術(shù)尾管×（6 792～ 7 268 m），封隔輝綠巖至目的層頂部；四開?120.65 mm鉆頭×7 446 m，鉆揭目的層。

四級井身結(jié)構(gòu)相比六級井身結(jié)構(gòu)有4個優(yōu)點(diǎn)：（1）削減了井身結(jié)構(gòu)級數(shù)，大尺寸井眼?660.4 mm與?444.5 mm縮小至?346.1 mm，有利于提高機(jī)械鉆速，且節(jié)約2個開次縮短中完鉆井周期24 d；（2）二疊系-志留系地層同開次揭示，采用?250.88 mm鉆頭確保了有利于提速的層位位于相同開次，便于組織提速工具，縮短鉆井周期；（3）套管使用總量減少165 t，節(jié)省材料費(fèi)用149萬元；（4）放大完井井眼尺寸至?120.65 mm，滿足?88.9 mm非標(biāo)鉆桿［3］通過，該鉆桿相比?73 mm鉆桿，抗拉強(qiáng)度提高457 kN，每1 000 m降低循環(huán)壓耗1.65 MPa，降低了斷鉆桿風(fēng)險和釋放了水力能量。

2.5套管優(yōu)選

Selection of casing

?139.7 mm套管小接箍套管與?142.88 mm無接箍套管性能參數(shù)對比見表2，?139.7 mm套管按BEB套管校核法［7］計算，最大地層孔隙壓力系數(shù)1.3，抗拉、抗擠、抗內(nèi)壓系數(shù)18.64、1.28、7.8，滿足套管強(qiáng)度要求；同時，抗拉強(qiáng)度增加692 kN，線重降低13.59 kg/m，套管下深更大；小接箍套管可安裝彈性扶正器，有利于提高套管居中度，確保固井質(zhì)量；?139.7 mm套管通徑121.1 mm，增大了完鉆井眼尺寸，保障了鉆具安全。

表2　兩種套管性能參數(shù)對比Table 2 Property parameter comparison between two types of casings

3　井壁穩(wěn)定技術(shù)配套

Supporting techniques for borehole stabilization

四級井身結(jié)構(gòu)成敗關(guān)鍵在于長裸眼穿二疊系與深部泥巖時，不出現(xiàn)大的漏失與井壁失穩(wěn)問題。地層特征分析表明，二疊系微裂縫與張性裂縫發(fā)育，不易承受較大壓力，需強(qiáng)化鉆井液隨鉆封堵能力；而古生界深部泥巖尤其是志留系地層水化膨脹性強(qiáng)，應(yīng)強(qiáng)化鉆井液抑制性。

3.1防漏防塌鉆井液技術(shù)

Leak-resistance anti-collapse drilling fluid system

針對二疊系火成巖地層漏失，由前期通過承壓堵漏［8］提高地層承壓能力，轉(zhuǎn)變?yōu)樘崆胺舛挛⒘芽p，強(qiáng)化鉆井液隨鉆堵漏能力；控制鉆井液密度1.24～1.25 g/cm3，采用塔河油田成熟的鉀銨基聚磺鉆井液體系，優(yōu)選剛性封堵劑超細(xì)碳酸鈣與柔性封堵劑乳化瀝青、乳化石蠟，通過縫板封堵性實(shí)驗(yàn)［8-9］，得到了3%超細(xì)碳酸鈣+2%乳化瀝青形成的濾餅滲透率最低，最致密，封堵效果最好，見圖5。

圖5　鉆井液封堵性評價Fig. 5 Evaluation on plugging performance

針對古生界深部泥巖地層易塌，采用“抑制水化-物化封堵-應(yīng)力支撐”三元協(xié)同對策［10-12］，優(yōu)選聚胺、有機(jī)硅醇等處理劑，并評價了氯化鉀和有機(jī)硅醇的協(xié)同作用，形成了適用于古生界地層防漏防塌鉆井液體系。

理化性能分析表明，志留系泥巖五組巖樣滾動回收率（150 ℃）達(dá)80%～85%，線性膨脹率低于2%，實(shí)鉆鉆井液密度低于1.27 g/cm3，確保了安全鉆井。配方：3%膨潤土+0.1%NaCO3+ 0.2%NaOH+0.2%KPAM+0.3%PFL-LV+0.5%AMPS +6.0%SMP-3+3.0%SPNH+0.5%抗鹽抗高溫降濾失劑+4.0%HTLM+5.0%KCl+0.5%聚胺+2.0%有機(jī)硅醇+0.3%SP-80+2.0%超細(xì)碳酸鈣。

3.2漏失補(bǔ)救措施

Remedial measures for mud loss

二疊系火成巖巖性特征較復(fù)雜，隨鉆堵漏鉆井技術(shù)并不能確保不發(fā)生漏失，一旦井漏需按二疊系不同漏速，采取相應(yīng)的處理方式。

若縱向裂縫性漏失，當(dāng)漏速小于5 m3/h，可采用堵漏漿鉆進(jìn)［13］，以中粗-細(xì)核桃殼與單封、云母等堵漏材料復(fù)配，濃度12%～15%堵漏漿。配方：井漿+1%核桃殼（中粗）+2%核桃殼（細(xì)）+2%SQD-98+2%PB-1+1%云母（中粗）+2%云母（細(xì)）+2%QS-2。

若漏速大于5 m3/h或井口失返，需承壓堵漏，但是為確保承壓不溝通微裂縫，承壓能力應(yīng)不大于1.35 g/cm3，滿足鉆井液密度1.27 g/cm3鉆穿志留系地層時上部地層不漏失即可。

4　實(shí)例應(yīng)用

Case study

四級井身結(jié)構(gòu)已應(yīng)用5口井，均實(shí)現(xiàn)了安全鉆井目的，未出現(xiàn)因地層因素影響導(dǎo)致的鉆井復(fù)雜，平均鉆井周期節(jié)省125 d。二開井段機(jī)械鉆速相比鄰井提高33%～42%，鉆井周期縮短35～42.5 d，志留系地層井徑擴(kuò)大率僅9.65%～12.5%，固井質(zhì)量除二疊系地層合格外，其他井段良好；三開井段以鉆井液密度1.81 g/cm3揭示輝綠巖地層未出現(xiàn)明顯掉塊，平均井徑擴(kuò)大率11.5%，輝綠巖井段井徑擴(kuò)大率16.7%，鉆井周期較鄰井縮短12.1～15.2 d，?139.7 mm套管下入時間較?142.88 mm套管節(jié)省2～3 d，固井質(zhì)量合格率提高45%。其中，順北1-2H井?193.7 mm套管直下深度7 058 m創(chuàng)中石化最深記錄，二疊系巨厚火成巖與下部地層合揭的防漏堵漏工藝，突破了塔河油田傳統(tǒng)設(shè)計觀念，為類似區(qū)塊井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化與提速提效工作開展，提供了借鑒。

5　結(jié)論

Conclusions

（1）通過地層壓力與復(fù)雜地層特征分析，確定1500 m以淺地層、侵入體之上以及目的層之上為必封點(diǎn)，通過井壁穩(wěn)定技術(shù)配套，成功合揭了二疊系易漏與志留系易塌地層，優(yōu)選?139.7 mm非標(biāo)套管替代?142.88 mm直連扣套管，將井身結(jié)構(gòu)由六級優(yōu)化為四級。

（2）根據(jù)二疊系易漏與深部泥巖易塌特征，采用以防漏為主，承壓堵漏與高濃度堵漏漿鉆井為輔的技術(shù)思路，制定“抑制水化-物化封堵-應(yīng)力支撐”三元協(xié)同對策，實(shí)現(xiàn)了二開井段安全鉆井。

（3）優(yōu)選了?139.7 mm非標(biāo)套管相比?142.88 mm直連扣套管，省去安裝扶正短節(jié)工序，采用彈性扶正器提高了套管居中度，并將下開次井眼尺寸由?114.3 mm擴(kuò)大至?120.65 mm，從而滿足了?88.9 mm非標(biāo)鉆桿使用，確保了安全鉆井。

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（修改稿收到日期 2016-03-28）

〔編輯 薛改珍〕

Casing program optimization of ultra-deep well with diabase reservoir in Shunbei block

LIU Biao， PAN Lijuan， YI Hao， LI Shuanggui
Research Institute of Petroleum Engineering， Northwest Oilfield Company， SINOPEC， Urumqi， Xinjiang 830011， China

The six-section casing program is adopted in the Shunbei block， but it is disadvantageous with long large-size borehole，excessive casing sections and mud loss in igneous rocks， which lead to low-efficient drilling. Therefore， it is necessary to optimize the casing program. In this paper， three reservoir pressures were simulated by using the Drillworks Software. The distribution of fractures in igneous rocks was identified by using the image logging and SEM （scanning electron microscope）. The collapse mechanisms of deep shale were investigated on the basis of its mineral composition and physical and chemical properties. The matching between nonstandard casings and drilling pipes was analyzed in terms of their strength and size. It is shown that there are four pressure systems in hole. The fractures distributed vertically in igneous rocks are 0.5～2 mm wide and the microfractures are 2～3 μm wide. The illite/smectite formation accounts for 70% of caving mudstones and its linear expansion ratio in distilled water is 40%～45%. Three plugging points and one risk point were defined. The long open-hole section was stabilized by taking mud loss remedial measures with potassium ammonium polysufide drilling fluid system. The ?139.7 mm non-standard casing was selected and the completion hole diameter was enlarged to 120.65 mm from 114.3 mm， so that the ?88.9 mm non-standard drilling pipe could be used and the casing program was optimized into four-section mode. By virtue of the new casing program， the drilling was performed efficiently， with the drilling cycle shortened by 125 d.

ultra-deep well； igneous rock； long open-hole； casing program； casing selection； mud loss control under pressure

劉彪（1983-），2010年畢業(yè)于長江大學(xué)油氣井工程專業(yè)，主要從事鉆井工藝優(yōu)化與設(shè)計工作。通訊地址：（830011）新疆烏魯木齊市新市區(qū)長春南路466號西北油田分公司工程技術(shù)研究院B509室。電話：0991-3161141。E-mail： lieren2222@126.com

TE21

A

1000 - 7393（ 2016 ） 03 - 0296- 06

10.13639/j.odpt.2016.03.004

LIU Biao， PAN Lijuan， YI Hao， LI Shuanggui. Casing program optimization of ultra-deep well with diabase reservoir in Shunbei block［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（3）: 296-301.

國家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”之課題“碳酸鹽巖縫洞型油藏鉆井技術(shù)完善與推廣”（編號：2011ZX05049-02-02） 。

引用格式：劉彪，潘麗娟，易浩，李雙貴.順北含輝綠巖超深井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計［J］. 石油鉆采工藝，2016，38（3）：296-301.