楊忠彥，任鴻飛，林圣明，朱懷亮，朱 挺

（1.天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計(jì)院，天津 300250；2.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局，河南 鄭州 450016）

0 引言

在鉆井工藝設(shè)計(jì)中，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)［1-3］，也是關(guān)系到鉆井能否安全、優(yōu)質(zhì)、高效和經(jīng)濟(jì)完成鉆探目的的重要因素［4-7］，其主要任務(wù)是根據(jù)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定套管的下入層次、下入深度、固井水泥漿返深等。

地?zé)峋话銢](méi)有異常高壓地層，故不同于油氣井，其井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不以地層壓力為設(shè)計(jì)主線。與此同時(shí)，在地?zé)豳Y源的勘探過(guò)程中，為了高效地利用勘探資金，往往在1眼勘探井中設(shè)立2個(gè)以上的勘探目的層，這就對(duì)鉆井工藝提出了更高的要求?；谏鲜鲈?，為了保證在安全經(jīng)濟(jì)的條件下完成鉆探目的，筆者在長(zhǎng)期實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)一套基于同井雙目的層的地?zé)峥碧骄斫Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，并在河南WR-1地?zé)峥碧骄O(shè)計(jì)工作中進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 河南WR-1地?zé)峋艣r

WR-1地?zé)峋欠?wù)2017年度河南省財(cái)政勘查項(xiàng)目“鄭州航空港經(jīng)濟(jì)綜合試驗(yàn)區(qū)（尉氏段）地?zé)豳Y源調(diào)查”的地?zé)峥碧骄８鶕?jù)區(qū)域地質(zhì)情況、鄰井地層情況及物探解譯結(jié)果，地質(zhì)設(shè)計(jì)給出了該井可能鉆遇的地層情況，如表1所示。

表1 WR-1地?zé)峥碧骄@遇地層預(yù)測(cè)Table 1 Predicted lithology in WR-1 well

1.1 成井方法

WR-1井共設(shè)置2個(gè)勘探目的層，其中館陶組地層采用過(guò)濾器成井，奧陶系地層采用先期裸眼成井。

1.2 主要技術(shù)難點(diǎn)

設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要兼顧鉆探目的與鉆井安全，充分考慮井身結(jié)構(gòu)各要素的關(guān)系，重點(diǎn)解決以下問(wèn)題：

（1）選擇正確合理的套管封隔點(diǎn)，減少2個(gè)目的層的干擾因素，以保證安全施工。

（2）目的層館陶組過(guò)濾器成井，測(cè)試后繼續(xù)鉆進(jìn)，成井管柱兼做技術(shù)套管，需要兼顧成井效果和安全鉆進(jìn)。

（3）館陶組成井管柱固井設(shè)計(jì)問(wèn)題。

2 基于雙目的層地?zé)峥碧骄斫Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)地層情況及施工難點(diǎn)，在本次施工中提出了一種基于雙目的層地?zé)峥碧骄斫Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，相比于傳統(tǒng)井身結(jié)構(gòu)，能夠更好地起到固井防塌、封隔地層的作用。

2.1 套管程序設(shè)計(jì)

2.1.1 套管封隔點(diǎn)確定思路

常壓地層，主要按照地層巖性特征、構(gòu)造特征及鉆成井工藝要求、鉆井成本等方面確定各級(jí)套管的封隔點(diǎn)。而基于雙目的層地?zé)峥碧骄斫Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，則需要考慮獨(dú)立成井及各自目的層位置結(jié)合地層巖性、鉆井安全經(jīng)濟(jì)來(lái)確定封隔點(diǎn)位置［8-10］，因此對(duì)表層套管和技術(shù)套管的設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。

2.1.1.1 表層套管

在此次設(shè)計(jì)中，表層套管的作用是防止淺部水層受到污染和上部松散地層塌孔，與此同時(shí)也需要兼作泵室管。本井第四系地層預(yù)測(cè)厚度200 m，初選表層套管下入深度為200 m，同時(shí)根據(jù)區(qū)域內(nèi)儲(chǔ)層壓力和開發(fā)情況，可以滿足作為泵室的要求［11-13］。

2.1.1.2 技術(shù)套管

一般情況，基巖面上下地層可鉆性差異大，上部地層成巖性差，穩(wěn)定性差，因此需要一級(jí)技術(shù)套管封隔［12-14］。由于本井預(yù)測(cè)三疊系頂板（基巖面）深度達(dá)1200 m，同時(shí)館陶組是勘探目的層，需要獨(dú)立成井，因此選定二開技術(shù)套管封隔點(diǎn)1200 m。此時(shí)二開技術(shù)套管也作為館陶組目的層的成井管柱［13-16］。

奧陶系目的層采用先期裸眼成井方法，因此頂板以上需要套管封隔水敏不穩(wěn)定地層。故三開技術(shù)套管深度2850 m。

2.1.2 套管尺寸與井眼直徑的選配

根據(jù)套管封隔點(diǎn)確定后的情況，將WR-1地?zé)峥碧骄O(shè)計(jì)為四開鉆井結(jié)構(gòu)，需要下入三級(jí)套管。

地?zé)峋O(shè)計(jì)套管尺寸和井眼直徑時(shí)一般考慮幾點(diǎn)因素：表層套管兼作泵室管，直徑應(yīng)滿足下入潛水泵要求；套管之間的間隙主要從鉆井工藝要求、鉆井任務(wù)要求和成本方面考慮；套管與井眼間隙應(yīng)考慮地層巖性特性、井斜角、曲率等情況［1］。

實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，無(wú)特殊情況下，通常采用“13/9/7”配合系列。具體內(nèi)容即：套管尺寸（英制）依次為13、9、7 in（1 in=25.4 mm，下同），配合的井眼直徑（英制）為17、12、8in。

按照“13/9/7”套管系列確定本井套管尺寸與井眼直徑的配合系列如下：

一開?444.5 mm，深度200 m，下入表層套管尺寸?339.7 mm，深度200 m。

二開?311mm，深度1200 m，下入?244.5 mm技術(shù)套管（兼做成井套管），下入井段170～1200 m，與表層套管重疊30 m。

三開?215.9 mm，深度2850 m，下入?177.8 mm技術(shù)套管，下入井段1170～2850 m，與二開套管重疊30 m。

四開?152.4 mm，深度3000 m。

2.2 套管設(shè)計(jì)

在雙目的層地?zé)峋O(shè)計(jì)過(guò)程中，由于產(chǎn)層復(fù)雜，在設(shè)計(jì)套管時(shí)需要通過(guò)強(qiáng)度校核選擇符合要求且合理的壁厚和鋼級(jí)［1］。

地?zé)峋话銥槌旱貙?，不存在高壓氣體等，不考慮抗內(nèi)壓，一般工況以抗外擠為主，本井預(yù)測(cè)沒(méi)有高塑性地層、巖鹽地層，因此以常規(guī)工況校核外擠強(qiáng)度，選擇合適的鋼級(jí)和壁厚，然后再進(jìn)行抗拉強(qiáng)度校核。安全系數(shù)可以參考石油鉆井的相關(guān)要求。

2.2.1 表層套管

表層套管兼作泵室管，使用功能對(duì)性能的要求高于鉆井技術(shù)的要求，一般不做校核，綜合考慮泵室的抗腐蝕、使用壽命等因素，選用鋼級(jí)J55、壁厚9.65 mm的石油套管。

2.2.2 二開技術(shù)套管

2.2.2.1 通過(guò)抗外擠壓力選擇鋼級(jí)和壁厚

一般按下套管時(shí)井內(nèi)最大鉆井液靜液柱壓力作為套管的最大外擠載荷，套管外擠力計(jì)算公式如下［1］：

式中：Pj——外擠壓力，MPa；ρm——鉆井液密度，g/cm3；Hj——井深，m。

地?zé)峋畼O端外擠工況為空壓機(jī)洗井掏空，一般按掏空700 m來(lái)計(jì)算，ρm取1.15 g/cm3，則計(jì)算出外擠壓力Pj=7.9 MPa。取安全系數(shù)1.125，故套管的抗 外 擠壓 力 必 須大 于Pj×1.125=8.89 MPa［2］。幾種常用的?244.5 mm地?zé)峋坠艿南嚓P(guān)性能見(jiàn)表2。

表2中前2種套管雖然也能滿足抗擠要求且成本低，但不常用，采購(gòu)困難，故選用第3種套管，其壁厚8.94 mm，J55鋼級(jí)，抗擠13.9 MPa。

表2 幾種?244.5 mm套管相關(guān)性能Table 2 Specifications of different types of 244.5mm casing

2.2.2.2 抗拉強(qiáng)度校核

套管柱軸向拉力是由套管柱自重產(chǎn)生，套管柱自下而上軸向拉力變大，最頂端套管所承受的軸向拉力最大，計(jì)算套管最大軸向拉力［1］。

式中：Tz——套管自重產(chǎn)生的軸向拉力，kN；qi——第i段套管單位長(zhǎng)度質(zhì)量，kg/m；li——第i段套管長(zhǎng)度，m。

q1為53.57 kg/m，段長(zhǎng)l1為1030 m，計(jì)算出套管軸向拉力為Tz1=541.3 kN，以接箍連接強(qiáng)度進(jìn)行抗拉校核，據(jù)規(guī)范查得接頭連接強(qiáng)度為1753 kN，安全系數(shù)取2.0，有Tz1×2.0=1082.6 kN＜1753 kN，抗拉強(qiáng)度滿足要求。

2.2.3 三開技術(shù)套管

三開技術(shù)套管在本井鉆井及利用過(guò)程中少有抗擠工況，只需校核抗拉強(qiáng)度。地?zé)峋┕ぶ?177.8 mm石油套管常用以下幾種類型［2］，其相關(guān)性能見(jiàn)表3所示。

表3 幾種?177.8 mm套管相關(guān)性能Table 3 Specifications of different types of 177.8mm casing

表3中第1種套管成本最低，對(duì)其進(jìn)行抗拉強(qiáng)度校核。設(shè)計(jì)段長(zhǎng)1680 m，套管單位質(zhì)量34.23 kg/m，安全系數(shù)取1.7。計(jì)算得Tz2=564 kN，接頭連接強(qiáng)度為1383 kN，安全系數(shù)取2.0，有Tz2×2.0=1128 kN＜1383 kN，滿足抗拉要求。

三開?177.8 mm套管選擇的壁厚為8.05 mm，鋼級(jí)為J55。

2.2.4過(guò)濾器設(shè)計(jì)

館陶組目的層過(guò)濾器成井，?311 mm井眼下入?244.5 mm過(guò)濾器，常規(guī)過(guò)濾器無(wú)法滿足要求，因此需要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

根據(jù)儲(chǔ)層性質(zhì)確定過(guò)濾器類型為纏絲籠式過(guò)濾器，為了提高擋砂效果設(shè)計(jì)內(nèi)包網(wǎng)結(jié)構(gòu)；骨架管尺寸需與技術(shù)套管一致；過(guò)濾器最大外徑應(yīng)與井眼直徑相匹配，以能夠安全下入為前提，原則上過(guò)濾器最大外徑≯骨架管接箍外徑，參數(shù)見(jiàn)表4。設(shè)計(jì)過(guò)濾器最大外徑268 mm（骨架管接箍外徑269.9 mm）。

表4 過(guò)濾器設(shè)計(jì)參數(shù)Table 4 Design technical parameters of the filter

2.3 固井設(shè)計(jì)

2.3.1 表層套管固井

采用內(nèi)管固井方法，套管內(nèi)下入內(nèi)管，封井口，頂替水泥漿進(jìn)行固井作業(yè)，如圖1所示。該方法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，頂替液漿量小，容易準(zhǔn)確計(jì)量。表層固井多采用R32.5普通硅酸鹽水泥，水泥漿密度≮1.70 g/cm3，水泥塞高度≮10 m。

圖1 表層套管固井Fig.1 Surface casing cementing

2.3.2 二開技術(shù)套管固井

2.3.2.1 過(guò)濾器底部“穿鞋”固井

二開館陶組目的層過(guò)濾器成井，技術(shù)套管兼做成井管柱，底部“穿鞋”固井目的是穩(wěn)固套管，保證三開鉆井安全。采用內(nèi)插管固井方法，下管時(shí)將內(nèi)插底座連接在過(guò)濾器底部預(yù)定位置，下井到位后，下入內(nèi)插接頭與底座密封連接，這樣就可以在過(guò)濾器下部進(jìn)行注水泥固井作業(yè)［17］。過(guò)濾器底部固井如圖2所示。

圖2 過(guò)濾器底部固井Fig.2 Cementing of the filter bottom

水泥返高不得超過(guò)過(guò)濾器底界，避免水泥封固水層。采用G級(jí)油井水泥，水泥漿密度≮1.80 g/cm3，水泥漿上返至過(guò)濾器下部50 m。

2.3.2.2 重疊段擠水泥固井

底部固井完成后，與表層套管重疊部分采用擠水泥固井，起到止水和固定套管的目的。操作步驟為下入鉆桿，封井口，通過(guò)固井泵壓裂地層擠入水泥漿封固重疊部分，重疊段擠水泥固井如圖3所示。采用G級(jí)油井水泥，干水泥用量≮5 t，水泥漿密度≮1.80 g/cm3，技術(shù)套管頂部水泥塞高度≮10 m。

圖3 重疊段擠水泥固井Fig.3 Squeezing of cement along the overlayingcasing interval

2.3.3 三開技術(shù)套管固井

2.3.3.1 底部“穿鞋”固井

鉆具連入管柱送至井內(nèi)，到位后頂替循環(huán)進(jìn)行“穿鞋”固井，如圖4所示。G級(jí)油井水泥，水泥漿密度≮1.80 g/cm3，水泥漿上返高度≮400 m，套管內(nèi)水泥塞高度≮20 m。

圖4 底部“穿鞋”固井Fig.4 Cementing of the casing bottom

2.3.3.2 重疊部分?jǐn)D水泥固井

重疊部分?jǐn)D水泥固井原理及參數(shù)同2.3.2.2。

2.4 設(shè)計(jì)的井身結(jié)構(gòu)

通過(guò)上述設(shè)計(jì)過(guò)程，確定了該勘探井井身結(jié)構(gòu)的全部要素，設(shè)計(jì)的井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

3 鉆井實(shí)踐

河南WR-1地?zé)峋畤?yán)格按照表5井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了施工，實(shí)際井身結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5，圓滿完成了各項(xiàng)勘探任務(wù)，井身結(jié)構(gòu)的合理性和可行性得到了驗(yàn)證。

表5 河南WR-1井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)Table 5 Casing program of WR-1 well

圖5 河南WR-1井井身結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of WR-1 well

3.1 施工驗(yàn)證過(guò)程簡(jiǎn)介

3.1.1 一開鉆井施工

一開?444.5 mm鉆頭鉆至井深200.75 m完鉆，按設(shè)計(jì)下入?339.7 mm、壁厚9.65 mm、鋼級(jí)J55的表層套管200.75 m，對(duì)應(yīng)井深0～200.75 m。內(nèi)管法固井，R32.5礦渣硅酸鹽水泥，干水泥用量16 t，水泥漿密度為1.75 g/cm3，水泥漿返至地面。

3.1.2 二開鉆井施工

二開?311.2 mm鉆頭鉆進(jìn)至1150 m鉆穿館陶組，為了保證固井質(zhì)量，繼續(xù)加深至1295.06 m二開完鉆。下入?244.5mm、壁厚8.94 mm、鋼級(jí)J55的成井管柱，長(zhǎng)度1124.64 m，對(duì)應(yīng)井深170.42～1295.06 m，其中過(guò)濾器長(zhǎng)度80.71 m。

過(guò)濾器底部采用內(nèi)插管固井，內(nèi)插接頭安裝位置1280.68 m，過(guò)濾器底界1129.29 m，預(yù)計(jì)水泥返深1180 m，G級(jí)油井水泥5 t，水泥漿密度1.81 g/cm3，套管內(nèi)水泥塞20 m。上部重疊段擠水泥固井，G級(jí)油井水泥7.5 t，水泥漿密度1.81 g/cm3。?339.7 mm套管內(nèi)水泥塞20 m，候凝時(shí)間36 h。

館陶組熱儲(chǔ)層測(cè)試結(jié)果，靜水位50.4 m，動(dòng)水位114.95 m，出水量為100.39 m3/h，出水穩(wěn)定流溫為55℃。

3.1.3 三開鉆井施工

三開?215.9 mm鉆頭鉆進(jìn)至井深2954.08 m完鉆。下入?177.8 mm、壁厚8.05 mm、鋼級(jí)J55的石油套管1694.82 m，對(duì)應(yīng)井深1259.26～2954.08 m，與上一級(jí)套管重疊35.8 m。底部固井使用G級(jí)油井水泥11 t，水泥漿密度1.81 g/cm3。重疊段擠水泥固井，G級(jí)油井水泥5 t，水泥漿密度1.80 g/cm3，候凝48 h。

3.1.4 四開鉆井施工

四開采用?152.4 mm鉆進(jìn)奧陶系目的層，至井深3302 m完鉆終孔。奧陶系裸眼成井，后進(jìn)行一系列洗井及產(chǎn)能測(cè)試，結(jié)果該儲(chǔ)層在本井發(fā)育不理想，不具備開發(fā)價(jià)值。

3.2 實(shí)踐效果分析

從上述施工驗(yàn)證過(guò)程來(lái)看，本文提出的設(shè)計(jì)方案能夠滿足指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)的要求，但在實(shí)施過(guò)程中也出現(xiàn)了一些與理論不相符合的情況，針對(duì)這些情況對(duì)本設(shè)計(jì)方案也進(jìn)行了一定的調(diào)整修改。

（1）井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)館陶組儲(chǔ)層測(cè)試后如何封閉有2種方案，一是注水泥封堵，二是鉆進(jìn)中鉆井液封堵。實(shí)鉆中水泥封堵難度大，采用了第二種方案。三開鉆進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)鉆井液密度＞1.16 g/cm3時(shí)，館陶組儲(chǔ)層發(fā)生了鉆井液漏失，為了鉆井安全，鉆井液密度嚴(yán)格控制在1.15 g/cm3以下。但當(dāng)鉆進(jìn)至2440 m左右時(shí)二疊系泥巖地層壓力高，有坍塌掉塊現(xiàn)象，需要加重鉆井液平衡地層壓力，以保持井壁穩(wěn)定。處理過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)上漏下塌的復(fù)雜情況，最終采用先堵漏再逐漸加重的方案解決了問(wèn)題。

（2）實(shí)鉆館陶目的層粒度很細(xì)，屬于粉砂層，原設(shè)計(jì)的過(guò)濾器內(nèi)包40目銅網(wǎng)無(wú)法有效擋砂，常規(guī)情況下，這種地層最有效的工藝為填礫成井，由于井身結(jié)構(gòu)限制而無(wú)法實(shí)現(xiàn)。施工中采用再外包一層60目尼龍網(wǎng)工藝，實(shí)現(xiàn)了有效擋砂［18］。

（3）二開館陶組過(guò)濾器成井，為了提高洗井效果，實(shí)踐中將化學(xué)洗井加到固井工藝中，即底部固井注水泥前，注入0.8%焦磷酸鈉溶液20 m3，使其與井壁泥皮充分反應(yīng)，更好地發(fā)揮了化學(xué)洗井的作用。水泥候凝約72 h后，進(jìn)行了空壓機(jī)洗井，只用了10 h就疏通了儲(chǔ)層，達(dá)到了預(yù)期目的。

4 結(jié)論

（1）本井通過(guò)合理的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，達(dá)到了安全勘探2個(gè)目的層并兼顧獨(dú)立成井測(cè)試的目的，為同井多目的層勘探提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

（2）二開中為了兼顧成井與繼續(xù)鉆進(jìn)，重新設(shè)計(jì)了過(guò)濾器，實(shí)踐證明完全可以達(dá)到常規(guī)過(guò)濾器的性能效果。

（3）二開底部固井是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，既要保證固井過(guò)程中第一目的層不被封堵，又要使套管穩(wěn)固，保證繼續(xù)施工的安全。實(shí)踐中采用內(nèi)插法固井達(dá)到了目的，豐富了地?zé)峋叹椒?，可為其它類似?xiàng)目提供借鑒。

（4）同井多目的層一般用于勘探井，從節(jié)約科研資金和對(duì)比分析的角度，通過(guò)一眼勘探井對(duì)不同儲(chǔ)層進(jìn)行科學(xué)研究，是目前一些項(xiàng)目比較流行的做法，合理的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)這一目的的關(guān)鍵。