红153井区井身结构优化设计及应用

2018-12-06朱忠喜李思豪关志刚雷万能陈伟峰

钻采工艺 2018年6期

朱忠喜，李思豪，关志刚，雷万能，陈伟峰

(1油气钻井技术国家工程实验室防漏堵漏技术研究室2长江大学(武汉校区)石油工程学院3新疆油田公司工程技术研究院4塔里木油田油气田产能建设事业部)

井身结构设计是钻井工程设计的重要内容之一。井身结构设计是涉及各种因素的一个系统工程［1］，针对准格尔盆地红153井区地层特点的、试用非常规套管系列井身结构设计推荐方案与实施技术对策［2］，由压力平衡关系(地层孔隙压力、地层破裂压力等)、工程约束条件(垮塌井段、漏失井段和套管挤毁井段等)、事故发生概率等相关因素即可得出合理的井身结构设计方案［3－4］。

一、井身结构设计的影响因素

1．地层岩性特征

红153井区目的层为二叠系夏子街组，侏罗系和二叠系地层薄弱，储层裂缝发育，以斜交缝为主，其次为高角度的直劈缝，承压能力较低，裂缝分布复杂、规律性差，又受到观测、探测手段以及研究方法的限制，钻井过程中特别容易发生漏失［5］。

并且侏罗系中头屯河组为砂岩、夹薄层泥岩、粉质砂岩，二叠系夏子街组中部含有大段砂砾岩、泥岩互层。裂缝型地层承压能力低，含有夹层地层又易发生掉块、卡钻、甚至发生井塌等复杂情况，导致目的层夏子街组地层压力窗口较窄，对钻井液设计选择要求较高［6］。

2．地层压力评价

2．1地层孔隙压力

对已完钻井的测井资料、地破、试油、岩性分析与计算，建立了红153区块地层三压力剖面［7］，如图1。

图1地层压力评价

地层孔隙压力是地应力模型中重要的地质参数。以测井资料为基础，选用欠压实理论，结合等效深度理论并通过GMI软件计算红153井的地层孔隙压力。侏罗系以上地层为正常压力系统，三叠系克拉玛依组为压力过渡带，二叠系乌尔禾至夏子街组为异常高压地层，目的层夏子街组地层孔隙压力当量密度1．18～1．26 g/cm3，钻井液密度小于1．26 g/cm3易塌，密度大于1．30 g/cm3又易漏，安全密度窗口过窄，易发生钻井复杂事故。

2．2地层破裂压力

最小水平主应力无论在钻井还是压裂工程应用方面，都表现得极为重要。钻井工程中，最小水平主应力可以作为破裂压力用来衡量地层发生破裂的能力［8］，特别是对于裂缝性地层极为重要。

通过测井经验公式法［9］计算的最小水平主应力结果侏罗系和三叠系上部存在低承压情况，最小水平主应力当量密度最低约为1．50 g/cm3左右;白垩系和二叠系乌尔禾组地层地层最小水平主应力当量密度相对较高，地层最小水平主应力当量密度1．70～1．90 g/cm3。二叠系夏子街组地层承压能力低，最小水平主应力当量密度1．50～1．60 g/cm3左右。通过GMI软件分析计算，与地破压力试验数基本吻合。如图1所示，三叠系克拉玛依组下部及二叠系乌尔禾组为压力过渡带，乌尔禾组压力开始抬升，至夏子街组压力达到最大。

在现有的技术条件下，探井地质设计不可能准确提供全井的地层孔隙压力和破裂压力梯度曲线，因此在井身结构设计过程中应对地质不确定性预留一定的变化空间，这也是钻井工程设计的主要难点［10］。

3．岩石力学特性剖面

利用测井资料及室内实验回归分析，建立典型井地层岩石力学特性剖面。

图2红153井地层岩石力学特性剖面

如图2，侏罗系齐古组到八道湾组，单轴抗压强度10～60 MPa、内摩擦角度20°～36°、岩石可钻性2～5级。岩石强度较低，为软、中硬岩石。三叠系白碱滩组到下克拉玛依组，单轴抗压强度10～110 MPa、内摩擦角度25°～39°、岩石可钻性2．1～5．4级，为中硬岩石，上乌尔禾组到夏子街组，单轴抗压强度30～200 MPa、内摩擦角度33°～45°、岩石可钻性4～7级，为中硬、硬岩石。

4．勘探阶段钻井的时效统计

红153井区域地层岩性复杂，钻井提速难度大，2015年及以前的针对岩性较为复杂的二叠系、三叠系钻井周期较长，机械钻速较慢，严重制约了该区域的经济高效开发。

二、井身结构现状

1．钻井难点

(1)地层压力系统复杂，侏罗系和三叠系地层承压能力较低，易发生井漏、卡钻等复杂情况;目的层二叠系夏子街组储层裂缝发育，钻井过程中易发生漏失，钻井液选择难度较大。

(2)三叠系克拉玛依组、目的层二叠系夏子街组岩石强度大，机械钻速慢，钻头选型难度大。

(3)钻井提速问题尚未完全解决，该区表现出钻井周期长钻井投资高等问题，制约了该区的经济高效开发。

2．井身结构现状

2016年以前，克拉玛依红嘴山井区主要为三开钻井，主要采用以下井身结构:Ø339．73 mm+Ø244．84 mm+Ø139．7 mm。以上井身结构沿用多年，通过现场实施情况的跟踪分析，该井身结构存在以下问题:①正常压力系统的中深井，三开井比例过高，井身结构过于单一，钻井提速困难;②钻头多为牙轮，不能更好适应地下环境，易发生复杂情况;③钻井液处理不当，易发生漏失垮塌等复杂情况。

优化方案应保证含有浅油气层区块的井身结构最优，既满足安全钻井的需要，同时又使井身结构达到最优。

三、优化设计方案

1．复杂预防技术对策

153井区复杂事故原因主要是在侏罗系、三叠系有大段泥岩地层，易导致井壁失稳扩径外，泥岩吸水膨胀缩径或脱落，容易造成阻卡等情况。二叠系夏子街组的大段砂砾岩，裂缝发育，以斜交缝为主，其次为高角度的直劈缝，裂缝易发生置换性漏失。

在钻至这些井段前应做好预防和处理井漏时的物资准备，备有足够的钻井液、水、堵漏、配浆材料、处理剂，及相应配、供浆设施［11］。并且提前准备好堵漏材料。处理好钻井液性能，尽可能提前加足随钻堵漏材料和封堵类沥青材料，使钻井液在井壁一次性形成优质封堵滤饼，减小漏失的可能性。在操作方式上应控制下钻速度，每下一柱不能少于30 s，防止下钻速度快产生激动压力过大压漏地层。

若已发生井漏，提钻至安全井段，根据漏失速度情况选用适当的堵漏材料配制堵漏钻井液，同时可考虑适当降低钻井液密度，增加一定量的封堵材料，增强钻井液的封堵能力。堵漏浆泵入漏层后是否加回压，应根据井上具体情况确定。若漏点无法确定，采用全循环周堵漏。采用带堵漏材料防漏浆施工应间断筛除部分已膨胀的堵漏材料，补充新的堵漏材料［12］。

其中针对红153井区已钻井施工中存在的井漏复杂及提高地层承压能力困难的技术难题，有针对性的研究实施了旨在提高堵漏成功率及地层承压能力的新型堵漏剂KZ系列堵漏剂现场堵漏运用配方。现场堵漏作业采用10%～12%(KZ－2+KZ－4+KZ－5+核桃壳)方式堵漏，引入刚性离子堵漏剂、大小颗粒复配堵漏，成功率高［13］。

2．钻头优选

建立典型井地层岩石力学特性剖面，分析了下部地层的抗钻特性，运用钻头选型通用方法［14－15］，为该区钻头优选提供理论依据。

在白碱滩组(T3b)之上，岩石力学特性较为平稳，而PDC钻头的优势特性，可以充分发挥“一趟钻”完成一种尺寸的井眼钻进工作，提高钻井效率。

岩石力学性质自上克拉玛依组之后有较大的变化，应选择破岩效率较高的PDC钻头，钻时较牙轮钻头少，减少上部井壁钻井液浸泡时间，减少复杂情况发生。

关于钻头选型，需要考虑岩性特征。目的层上部岩石强度一般，但是岩性较为复杂，如侏罗系头屯河组为砂岩、夹薄层泥岩、泥质粉砂岩，则钻头就需要选择穿夹层能力及抗冲击能力较好的PDC钻头。由图2可见，夏子街组岩石强度较大。所以应选择5到7刀翼钻头，但是刀翼越多钻速越慢，增加井壁漏失、垮塌的风险，这也是需要考虑的问题。夏子街组岩性多以砾石，砂砾为主，岩石强度较大，选用胎体钻头较好，而且层位中部岩性为砂砾岩和泥岩交互，所以对钻头抗压强度要求较大，钻头冠部形状选择中抛物线形较好。

二开上部钻进推荐钻头为MS1952SS、MS1652，可快速通过夹层，下部为M1653SS和GS1605TZ，其特点是五刀翼，切削齿尺寸为16 mm，冠部形状为中抛物线型，抗研磨性强。

四、井身结构优化

根据红153井区已钻井的井身结构特点，侏罗系及以上地层大段泥岩层，塑性大，易缩径、阻卡频繁，采用二开复合井眼井身结构。设计井身结构见表1。

表1井身结构优化设计结果

表1中一开表层套管下深至300 m，水泥浆返至地面，封隔上部松散易塌地层，并为井口控制和后续安全钻井创造条件。二开钻头优化为Ø241．3 mm PDC钻头，钻至2 000 m，之后更换Ø215．9 mm PDC钻头钻达设计井深。上克拉玛依组至地表岩石性质较为平稳，选用穿夹层能力以及抗冲击能力较好的PDC钻头，大大提高了机械钻速，减小复杂情况发生的可能性。并且钻至2 000 m后，更换Ø215．9 mm 5刀翼PDC钻头，提高破岩效率，大大缩短钻井周期，充分避免上部井段缩径造成的风险。

一开采用塔式钻具组合，二开以单钟摆防斜钻具组合为主，严格控制钻井参数，保证井身质量。

五、现场应用

在保证安全钻井的前提下，优化后的井身结构设计方案将3层的井身结构优化到2层(见图3)，在2016年红153井区完钻井14口，其中13口采用该系列，通过井身结构优化实现钻井提速技术攻关。通过项目研究，平均钻井周期由前期的57 d缩短为目前的26．63 d，缩短53．3%;全井段平均机械钻速由前期的6．5 m/h提高到10．6 m/h，提高63．07%;夏子街组地层平均机械钻速由前期的2．01 m/h提高到4．27 m/h，提高112.43%，取得了显著的经济效益，见表2。