某复杂超深井非常规井身结构设计

李同勇(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452)

0 引言

本井井身结构设计充分借鉴了四川盆地深井、超深井井身结构设计及应用，其深井、超深井应用45 井次，技术成熟可靠，钻探成功率100%。并且充分考虑到地层的复杂性和层位与井深的预测误差，为井身结构调整留下空间(包括钻井深度的调整)，备用一层套管层系。

1 地质层序与压力系统

根据本区地质特征，结合邻区施工情况，设计重点对本井地层层序、油气层、地层温度、地层压力、H2S 等方面做了预测，为井身结构设计提供了依据。本井地层自下而上主要发育震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系及第四系，地层古老、岩性复杂。预测本井存在7 个流体异常层和3 个潜在的油气层，井底预测温度为188.4 ℃。存在两层明显的异常高压层，分别存在高家边组和幕府山组，地层坍塌压力一般在1.40 SG 以内，地层破裂压力预测一般在2.00 SG 左右。地层三压力参数特征详见表1。

预测本井栖霞组存在H2S，本井奥陶系、寒武系、震旦系均发育大套碳酸盐岩，有生成H2S 气体的条件，预测震旦系上统至奥陶系上统可能存在H2S。

从邻井钻遇情况看，风化壳储层多有发生井漏，存在钻探风险。预测本井可能钻遇4 层风化壳储层：(1)下三叠统青龙组顶面，即印支构造面风化壳，预计顶界深度850 m；(2)下二叠统孤峰组-栖霞组顶面，即海西构造面风化壳，预计顶界深度2 090 m；(3)上志留统茅山组顶面，预计顶界深度2 902 m；(4)上震旦统灯影组顶面，预计顶界深度6 430 m。

表1 南黄海X井地层三压力预测参数特征统计表

2 钻井工程面临的难点与风险分析

2.1 井漏风险

(1)本井主要为海相碳酸盐岩和碎屑岩地层，存在3 个碳酸盐岩风化壳，即下三叠统顶面印支风化壳、下二叠统顶面海西风化壳、上震旦统顶面风化壳。在邻井钻井过程中证实了印支构造面和海西构造面风化壳的存在，且发生了钻井液的漏失。总体上风化壳的存在增加了井漏的风险。

(2)崂山隆起中、古生界碳酸盐岩发育，主要发育于中生界三叠系，古生界二叠系、石炭系、奥陶系、寒武系、震旦系，碳酸盐岩易形成裂缝、溶蚀孔洞，在钻井过程中易发生井漏。

2.2 地层垮塌和卡钻

本井主要发育三套厚层泥页岩层段，主要为二叠系孤峰组至龙潭组-大隆组、上奥陶统五峰组-下志留统高家边组、下寒武统幕府山组，大套的泥岩段容易在钻井的过程发生垮塌、卡钻，此外上二叠统龙潭组煤层也是易垮塌地层。

2.3 井涌、井喷

根据压力预测，本井在存在两层异常高压，分别为下寒武统幕府山组、下志留统高家边组，压力系数在1.20～1.33 之间，并且油气层预测结果显示异常高压层段也是重要的油气层段，因此在钻井的过程中可能发生井涌和井喷事故，现场要做好相关防控措施。

2.4 H2S 风险

根据邻井钻井情况，在栖霞组顶界1 642 m，发现有H2S显示，在井深1 651.78 m 处H2S气测值最高达到98.0×10-6，区域上栖霞组标志层为臭灰岩；且预测本井奥陶系、寒武系、震旦系均发育大套碳酸盐岩，有生成H2S 气体的条件。

3 南黄海X 井井身结构方案设计

3.1 井身结构必封点分析

依据本井的压力系统和地层特点，结合四川超深井钻井成功经验、邻井实钻情况及该井地层三压力参数的预测结果，确定其井身结构必封点共有4 个，套管层次为6 层。

第一个必封点分析：封隔至盐城组底界。由于新近系及以上地层疏松，易垮塌，下伏的青龙组顶界为碳酸盐岩风化壳，存在较大的井漏风险，不揭开青龙组风化壳，封隔上部易垮塌层。

第二个必封点分析：钻穿栖霞组，下入套管进行封隔，以确保施工安全，及下部油气层的发现。此段地层较为复杂，上部为青龙组大套灰岩易漏层；中部为大隆组-龙潭组煤层，易垮塌；下部栖霞组臭灰岩可能含H2S。邻井在相当本组地层已检测到H2S。

第三个必封点分析：钻穿五峰组底界，下入套管进行封隔。根据地质风险预测及相似地层实钻情况，高家边组及五峰组存在易垮塌的泥页岩地层，且为高压地层，下伏的奥陶系、寒武系主要为缝洞发育的碳酸盐岩地层，易漏。

第四个必封点分析：钻穿幕府山组，下入套管进行封隔。幕府山组主要发育泥页岩，易垮塌，且预测可能存在高压层；下伏灯影组地层预测主要为缝洞发育的碳酸盐岩易漏，地层压力系数低(1.06～1.10)。

3.2 本井井身结构方案设计

按照4 个必封点、6 层套管封隔的分析，同时上层套管下深必须保证下开次使用高密度钻井液时，套管鞋以下地层不被压漏，套管强度满足行业规范，具体各开次设计如下：

(1)一开Φ914.4 mm 井眼：钻至200 m，下Φ762 mm 隔水导管封固，建立简易井口，隔水导管入泥92 m。

(2)二开Φ660.4 mm 井眼：钻至848 m，进入盐城组底部，不揭开青龙组顶部风化壳，下Φ508 mm 套管，安装井控装置，建立井口，为下部青龙组和二叠系安全钻进创造条件。

(3)三开Φ444.5 mm 井眼：钻至2243 m，进入船山组顶部3 m，钻进深度应根据地质层位的实际埋深进行调整，测井后下入Φ365.1 mm 套管封固上部含硫化氢及易漏失地层和易坍塌煤层。

(4)四开Φ333.4 mm 井眼：钻至4 690 m，钻穿上奥陶系五峰组，进入汤头组顶部5 m，见灰岩中完，钻进深度应根据地质层系的实际埋深进行调整，测井后下入Φ273.1 mm 套管封固上部易垮塌的泥页岩，隔离下部异常压力地层及易漏失层。

(5)五开Φ241.3 mm 井眼：钻至井深6 435 m，钻穿寒武系幕府山组，进入灯影组5 m，钻进深度应根据地质层系的实际埋深进行调整，下入Φ193.7 mm 尾管封固，实现下部震旦系储层专打。

(6)六开Φ165.1 mm 井眼：钻至完钻井深7 308 m，下入Φ139.7 mm 尾管封固。

3.3 备用套管层次方案设计

本井存在喷、漏、塌、卡等复杂并存的情况，极大的加大了钻井作业的难度，存在多下一层套管封隔上部复杂井段的可能性。针对这种情况，则需启用备用井眼方案，即五开Φ241.3 mm井眼使用Φ219.1 mm 尾管封固；六开Φ190.5 mm 井眼使用Φ168.3 mm 尾管封固；七开Φ139.7 mm 井眼使用Φ114.3 mm 尾管封固。

3.4 套管安全性设计

本井主要目的层为气层，需使用气密封扣套管。预测本井三叠系、奥陶系、寒武系、震旦系均发育大套碳酸盐岩，有生成H2S气体的条件，在栖霞组有H2S，因此需要选抗硫套管。经Stress Check 软件校核所选套管的抗内压强度安全系数、抗外挤强度安全系数、抗拉强度安全系数均满足行业规范要求。

4 结论与建议

(1)南黄海X 井地层比较老，可钻性差，钻井周期长，同时面临着喷、漏、塌、卡等复杂情况以及地质不确定性等挑战。该井的井身结构设计要充分借鉴国内深井、超深井在井身结构设计的成功经验，并依据该井的压力系统和地层特点，充分考虑地质、工程风险后进行设计。

(2)在深井、超深井井身结构设计中，完全采用现有API 标准钻头、套管尺寸系列难以满足增加套管层次的需求。可突破常规井身结构设计思路的限制，采用部分非标准钻头、套管能够增加套管层次，使井身结构设计更加合理。

(3)通过论证，该井井身结构存在4 个必封点，优化设计了六开井身结构方案，井下出现复杂情况无法继续钻进需提前中完时，可转为七层套管井身结构，能满足超深井复杂情况下的安全钻井需求。

(4)超深井钻井施工中存在诸多施工难点，如高温高压井段，钻井工具、随钻测量工具以及钻井液等受到严峻考验，增加了钻井的难度；下部井段环空间隙小，存在套管下入摩阻大且固井水泥浆顶替效率低等问题。因此，在实钻过程中不断优化施工方案是十分必要的。

(5)非常规井身结构的设计所需要的配套工具少。钻井过程中，非常规尺寸钻头选型困难，部分扶正器、套管以及下套管等系列工具需提前定制。因此要确保钻探工作快速高效，必须提前做好相应的配套工具准备。