周小君， 劉洪濤， 何世明， 周 波， 趙 力， 湯 明， 黃 韜

1中國石油塔里木油田分公司 2西南石油大學(xué) 3油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

0 前言

塔里木庫車山前構(gòu)造帶埋深4 000～6 800 m間鹽層廣泛發(fā)育，鹽下油氣約占總資源量38%[1]。山前構(gòu)造應(yīng)力加速鹽膏巖蠕變，常引發(fā)縮徑卡鉆及套管損毀等井下復(fù)雜[2- 4]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)近年庫車山前鹽層常用井身結(jié)構(gòu)?241.3 mm井眼共完鉆58井次，其中53井次發(fā)生因地層蠕變縮徑導(dǎo)致的鉆具阻卡和套管擠損等井下復(fù)雜，平均損失鉆時(shí)244.1 h。同時(shí)鹽層地應(yīng)力異常導(dǎo)致鉆井漏失率超60%,固井質(zhì)量合格率小于50%。為解決相關(guān)復(fù)雜情況并保障鉆井時(shí)效，庫車山前鹽層?241.3 mm井眼已成功應(yīng)用Rhino XS擴(kuò)眼工具隨鉆擴(kuò)眼數(shù)30余井次、累計(jì)擴(kuò)眼進(jìn)尺超4 000 m。

隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)能有效增大?241.3 mm井眼環(huán)空間隙，降低卡鉆、套管擠損及溢漏風(fēng)險(xiǎn)，提高鹽層固井質(zhì)量[5- 7]，但?241.3 mm井眼擴(kuò)后井眼尺寸范圍為250～290 mm，擴(kuò)眼尺寸范圍過大給后期固井施工帶來了諸多困難，也降低了經(jīng)濟(jì)效益[8- 9]。因此，開展鹽巖蠕變、固井頂替效率和機(jī)械鉆速等多因素影響下的擴(kuò)眼尺寸優(yōu)化研究，明確庫車山前鹽層?241.3 mm井眼合理擴(kuò)眼尺寸，對(duì)高效開發(fā)庫車山前鹽層油氣資源具有重要意義。

本文以庫車山前鹽層?241.3 mm井眼為研究對(duì)象，通過巖石力學(xué)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)明確庫車山前鹽層力學(xué)參數(shù)及蠕變規(guī)律，建立鹽巖蠕變模型、固井頂替效率模型和隨鉆擴(kuò)眼仿真模型優(yōu)化?241.3 mm井眼擴(kuò)眼尺寸，并通過現(xiàn)場應(yīng)用論證了優(yōu)化后擴(kuò)眼尺寸的合理性。本研究的成果對(duì)庫車山前鹽層隨鉆擴(kuò)眼作業(yè)具有重要指導(dǎo)意義。

1 考慮鹽巖蠕變的擴(kuò)眼尺寸優(yōu)化研究

為確定鹽巖蠕變對(duì)擴(kuò)眼尺寸的影響，需先明確鹽巖的力學(xué)參數(shù)和蠕變規(guī)律。采用庫車山前新近系吉迪克組和古近系庫姆格列木群鹽巖巖心開展巖石力學(xué)參數(shù)和蠕變規(guī)律測試。鹽巖巖石力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果為：密度1.96 g/cm3、單軸抗壓強(qiáng)度26.5 MPa、彈性模量28 GPa、泊松比0.22。

圖1為鹽巖蠕變測試蠕變速率隨時(shí)間變化曲線。如圖1所示：蠕變速率隨圍壓增大而快速增加；隨著時(shí)間增加，蠕變速率逐漸趨于恒定。通過蠕變速率擬合發(fā)現(xiàn)，庫車山前鹽巖蠕變規(guī)律與Heard模型吻合較好，即：

圖1 鹽巖蠕變速率-時(shí)間變化關(guān)系圖

式中：εs—穩(wěn)態(tài)蠕變速率，s-1；R—摩爾氣體常數(shù)(R=1.987 cal/mol/K)；σ—差應(yīng)力，MPa；T—熱力學(xué)溫度，K；t—時(shí)間，s。

以鹽巖蠕變模型為基礎(chǔ)，利用Ansys建立蠕變仿真模型系統(tǒng)分析鹽層蠕變情況。其它基礎(chǔ)參數(shù)：鉆井液密度2.25 g/cm3，溫度168 ℃。圖2給出了仿真模擬結(jié)果，由圖2可知：鹽層穩(wěn)態(tài)蠕變速率為0.078 mm/h，庫車山前鹽層下套管和注水泥漿作業(yè)時(shí)間4～7 d，得到固井期間鹽巖蠕變位移7～13 mm，即考慮鹽巖蠕變的最小擴(kuò)眼尺寸為249～254 mm。

圖2 鹽膏巖蠕變仿真模型計(jì)算結(jié)果

2 考慮頂替效率的擴(kuò)眼尺寸優(yōu)化研究

固井中注水泥漿的頂替效率是保證固井質(zhì)量的關(guān)鍵，套管偏心度是影響頂替效率的重要參數(shù)之一。頂替時(shí)，套管偏心會(huì)使環(huán)空間隙大小不一，導(dǎo)致窄間隙處流動(dòng)阻力大、頂替效率低[10]。擴(kuò)眼后井眼尺寸增大，而套管扶正器尺寸仍為原井眼所對(duì)應(yīng)的扶正器尺寸，導(dǎo)致擴(kuò)眼后套管偏心度增加。雖然擴(kuò)眼能增大環(huán)空間隙，但也會(huì)導(dǎo)致套管偏心度增大，從而影響頂替效率，因此需要建立考慮頂替效率影響的擴(kuò)眼尺寸評(píng)價(jià)方法。綜合考慮擴(kuò)眼尺寸和偏心率影響的頂替效率評(píng)價(jià)模型為[11- 13]：

▽·S=-f,σ>0

(1)

(2)

由圖3可知：套管偏心度隨擴(kuò)眼尺寸的增大而增加，頂替效率隨偏心度的增大而降低。以頂替效率85%為判斷依據(jù)，得到?241.3 mm井眼中考慮固井頂替效率影響的擴(kuò)眼后井眼尺寸不大于270 mm。

圖3 頂替效率和擴(kuò)眼尺寸與套管偏心度的變化規(guī)律

3 考慮機(jī)械鉆速的擴(kuò)眼尺寸優(yōu)化研究

為進(jìn)一步探究?241.3 mm井眼不同擴(kuò)眼尺寸對(duì)隨鉆擴(kuò)眼機(jī)械鉆速的影響，本文研究在考慮蠕變和頂替效率的基礎(chǔ)上，采用Abaqus動(dòng)力學(xué)仿真軟件建立隨鉆擴(kuò)眼仿真模型模擬?241.3 mm井眼鹽層段隨鉆擴(kuò)眼作業(yè)過程。

根據(jù)山前鹽層地質(zhì)特征和?241.3 mm井眼完鉆擴(kuò)眼井實(shí)鉆情況，隨鉆擴(kuò)眼仿真模型參數(shù)設(shè)置為井溫168 ℃、鉆井液密度2.25 g/cm3、鉆壓95 KN、轉(zhuǎn)速100 r/min及機(jī)械鉆速5～15 m/h。

隨鉆擴(kuò)眼仿真模型模擬結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：地層應(yīng)力隨機(jī)械鉆速和擴(kuò)眼尺寸的增大而增加，當(dāng)擴(kuò)眼尺寸大于270 mm后，地層應(yīng)力變化趨于平緩，因此，建議擴(kuò)眼尺寸不超過270 mm。

圖4 隨鉆擴(kuò)眼仿真模型模擬結(jié)果

綜合考慮鹽巖蠕變、固井頂替效率和機(jī)械鉆速影響下的?241.3 mm井眼擴(kuò)眼尺寸推薦為254～270 mm，建議擴(kuò)眼尺寸采用推薦擴(kuò)眼尺寸的上限值。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

A井為庫車山前的一口定向井，?241.3 mm井眼鉆遇新近系和古近系鹽層，采用Rhino XS 9250型擴(kuò)眼工具擴(kuò)眼至266.7 mm，采用密度為2.07～2.27 g/cm3的欠飽和聚磺鉆井液，實(shí)鉆黏滑指數(shù)0～0.2，機(jī)械鉆速5～12 m/h，轉(zhuǎn)速77～95 r/min，鉆壓39～89 kN。擴(kuò)后井眼尺寸262～293 mm，絕大部分井段井眼尺寸大于266.7 mm，表明該方法能有效擴(kuò)大井眼尺寸；局部區(qū)域擴(kuò)徑相對(duì)較大為欠飽和聚磺鉆井液溶解鹽巖所致見圖5。

圖5 A井隨鉆擴(kuò)眼井段實(shí)鉆數(shù)據(jù)

圖6為擴(kuò)眼井A與未擴(kuò)眼鄰井B井實(shí)鉆參數(shù)對(duì)比，?241.3 mm井眼擴(kuò)眼至266.7 mm時(shí)的黏滑指數(shù)和機(jī)械鉆速與鄰井差異小，庫車山前鹽層段?241.3 mm井眼實(shí)際擴(kuò)眼尺寸266.7 mm與理論預(yù)測擴(kuò)眼尺寸吻合，表明庫車山前鹽層段將井眼尺寸隨鉆擴(kuò)至266.7 mm是科學(xué)合理的。

圖6 A井與未擴(kuò)眼鄰井B井實(shí)鉆情況對(duì)比

表1為A井隨鉆擴(kuò)眼后同返速下固井ECD變化情況。固井同返速條件下，擴(kuò)眼后環(huán)空ECD最大降低0.052 g/cm3，更有利于預(yù)防固井井漏[14- 15]。

表1 A井隨鉆擴(kuò)眼后固井ECD變化情況

圖7為A井?241.3 mm井眼隨鉆擴(kuò)眼后尾管固井質(zhì)量與鄰井情況對(duì)比圖。隨鉆擴(kuò)眼后，A井尾管固井質(zhì)量合格率為88%、優(yōu)質(zhì)率為55%，較同區(qū)塊鄰井平均固井質(zhì)量合格率和平均固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率分別提高49%和39%。隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)有效保障鹽層段固井質(zhì)量，為后續(xù)采油氣施工創(chuàng)造了前提條件。

圖7 隨鉆擴(kuò)眼后A井尾管固井質(zhì)量與鄰井對(duì)比情況

5 結(jié)論

(1)?241.3 mm井眼考慮鹽巖蠕變影響的最小擴(kuò)眼尺寸為254 mm，考慮固井頂替效率和機(jī)械鉆速影響的最大擴(kuò)眼尺寸為270 mm；綜合以上因素影響的庫車山前鹽層?241.3 mm井眼推薦擴(kuò)眼尺寸為254～270 mm。

(2)庫車山前構(gòu)造A井鹽層段?241.3 mm井眼擴(kuò)眼至266.7 mm，與推薦擴(kuò)眼尺寸吻合；擴(kuò)眼后同返速下固井ECD最高下降0.052 g/cm3，固井質(zhì)量合格率及優(yōu)質(zhì)率較同區(qū)塊鄰井分別提高49%和39%，表明庫車山前鹽層段將井眼尺寸隨鉆擴(kuò)至266.7 mm是科學(xué)合理的。