Missan油田小井眼鉆井井身結構優化設計

2015-02-22 12:21:29武毅侯少紅劉海涵中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司天津300452

長江大學學報(自科版) 2015年26期

武毅，侯少紅，劉海涵　(中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452)

尹飛　(石油工程教育部重點實驗室(中國石油大學(北京))，北京 102249)

武毅，侯少紅，劉海涵(中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452)

尹飛(石油工程教育部重點實驗室(中國石油大學(北京))，北京 102249)

[摘要]小井眼鉆井井身結構設計是小井眼鉆井技術的基礎和關鍵,目前小井眼鉆井井身結構設計尚缺乏科學指導。采用環空水力學模型計算小井眼波動壓力,確立小井眼鉆井合理的井身結構設計系數。基于Missan油田壓力剖面和地質情況,闡述了小井眼鉆井的井身結構設計方法。結果表明小井眼鉆井波動壓力較大;合理的小井眼井身結構設計需要綜合考慮壓力剖面、設計系數、復雜地層及油田鉆井工藝;預測全井節省鉆時達到15.6%。研究成果提供了小井眼鉆井井身結構設計方法,并在Missan油田中得以成功應用。

[關鍵詞]小井眼鉆井;井身結構;波動壓力;鹽膏層;Missan油田

根據目前鉆井技術，小井眼鉆井是指油氣井最后一開次的井眼尺寸小于6in的鉆井工藝。小井眼鉆井具有高鉆速、低成本的特點，能夠降低鉆井綜合成本，又被稱為“經濟鉆井技術”。根據國外小規模現場試驗，小井眼鉆井費用較常規尺寸井眼可節省鉆井費用30%~40%，經濟效益十分可觀。國外鉆井承包商、油公司的實踐表明，小井眼鉆井可節約成本30%左右，在探井、邊遠地區可達50%~70%[1~4]。另外，小井眼鉆井更加環保，由于泥漿、巖屑量減少，減少了環境污染[5]。

井身結構設計是鉆井工程設計的重要內容之一。合理的井身結構設計既能最大限度地避免漏、噴、塌、卡等工程事故的發生，使得各項鉆井作業得以安全順利進行，又能最大幅度地減少鉆井費用，使工程成本達到最低。

小井眼鉆井井身結構設計是小井眼鉆井的基礎和關鍵，目前小井眼鉆井井身結構設計尚缺乏科學指導。筆者采用環空水力學模型計算小井眼波動壓力，確立小井眼鉆井合理的井身結構設計系數；根據Missan油田壓力剖面和地質情況，優化設計了小井眼鉆井的井身結構。

1小井眼鉆井井身結構設計系數

波動壓力是鉆具在充滿泥漿的井眼中上下運動時引起的泥漿壓力。波動壓力會破壞井內壓力平衡，增加井噴、井漏、井塌及其他復雜情況的風險。小井眼井身結構設計系數不同于常規井眼，由于環空間隙小，起下鉆的抽吸壓力、激動壓力可導致地層流體進入井眼及壓裂地層引起井漏。為了精確選取小井眼井身結構設計系數中的波動壓力，建立了環空水力模型[6]，計算了小井眼鉆井時的波動壓力。

環空間隙對波動壓力有著重要影響。假設鉆具組合為單一尺寸鉆桿柱，其在不同井眼尺寸中起下鉆，分析環空間隙對波動壓力的影響規律。不同井眼和鉆柱尺寸下泥漿黏稠力波動壓力如圖1所示。在相同的鉆具組合情況下，隨著井眼尺寸的縮小，泥漿黏稠力引起的波動壓力增加。井眼尺寸大于7in(177.8mm)，泥漿黏稠力波動壓力對環空間隙不敏感；井眼尺寸小于7in，泥漿黏稠力波動壓力對環空間隙十分敏感。

圖1　不同井眼和鉆柱尺寸下泥漿黏稠力波動壓力

泥漿靜切力引起的波動壓力為1.669MPa，下鉆過程中泥漿黏稠力引起的波動壓力為1.909MPa，泥漿慣性力引起的波動壓力為1.174MPa。取上述3個波動壓力的最大值，則波動壓力當量密度為0.0608g/cm3。按照Missan油田實際鉆井數據進行波動壓力計算，并參考鉆井手冊，優選了Missan油田小井眼鉆井井身結構設計參數，如表1所示。

表1　小井眼鉆井井身結構設計參數優選

注：表中2~5列單位為當量密度。

2Missan油田地層和壓力剖面

Missan油田小井眼鉆井開發目的層為新近系-古近系的Asmari碳酸鹽巖，它發育在Abu油田和Fauqi油田，埋深2800~3100m。地質數據是井身結構設計的基礎數據，包括巖性剖面、油氣層深度、地層孔隙壓力、地層破裂壓力、地層坍塌壓力等。建立Missan油田地層巖性剖面，如表2所示。

表2　Missan油田地層劃分

Missan油田Upper Fars層孔隙壓力正常，壓力系數當量密度在1.0~1.1g/cm3之間。夾持在硬石膏或鹽層之間的泥巖欠壓實是造成Lower Fars層異常高壓的主因，孔隙壓力系數當量密度最高為2.20g/cm3。Lower Fars為異常高壓層，預測地層壓力系數當量密度為2.04g/cm3。Asmari油藏地層壓力衰竭，預測地層壓力系數當量密度為1.04g/cm3，防止泥漿相對密度偏高污染油層。通過對FQ-5、FQ-10、FQ-22井地層孔隙壓力、地層破裂壓力進行數據處理，獲得了壓力剖面設計圖，如圖2所示。

圖2　Missan油田井身結構設計壓力剖面

3Missan油田小井眼鉆井井身結構設計

3.1　套管層次與下入深度

生產套管的下入深度由儲層位置和完井方式確定，生產套管的下入深度為3198m。下面分析技術套管和表層套管的層次和下入深度。

3.1.1確定技術套管下入深度的假定點D21

利用壓力剖面圖中最大地層壓力梯度求上部地層不被壓裂應具有的設計破裂壓力當量密度ρf[7,8]。

當正常作業下鉆時：

ρf=ρpmax+Sb+Sg+Sf

(1)

式中：ρf為上一層套管鞋處的地層破裂壓力系數當量密度，g/cm3；ρpmax為裸眼井段鉆遇的最大地層孔隙壓力當量密度，g/cm3；Sb為抽汲壓力系數當量密度，g/cm3；Sg為激動壓力系數當量密度，g/cm3；Sf為地層破裂壓力安全增值當量密度，g/cm3。

在橫坐標上找到設計破裂壓力當量密度ρf，向上引垂線與破裂壓力線相交，交點所在井深即為技術套管下入深度假定點D21。

經過計算可得：設計破裂壓力當量密度計算值為2.36g/cm3，向上引垂線與破裂壓力線相交，交點對應的深度為所求，則技術套管下入深度假定點D21=2186m。

若預計會發生井涌而壓井時：

(2)

式中：Dpmax為裸眼井段最大孔隙壓力處井深，m；Sk為井涌允量當量密度，g/cm3。

用試算法求D21：試取一個D21代入上式，獲得計算值；查圖獲得D21的實際值。若計算值略小于實際值，則為技術套管下入深度假定點D21。

經計算可得：當D21=2188m時，破裂壓力當量密度計算值2.376g/cm3，實際值2.377g/cm3，滿足試算結果要求。則Missan油田預計會發生井涌，技術套管下入深度假定點D21=2188m。

3.1.2驗證技術套管下入D21是否有被卡風險

求出該井段最小地層壓力處的最大壓差：

(3)

式中：Δp為壓差，MPa；ρm為鉆進深度D21時鉆井液密度(ρm=ρpmax+Sb)，g/cm3；Dpmin為該井段最小地層壓力對應井深，m；ρpmin為該井段最小地層壓力當量密度，g/cm3；0.0981為重力加速度，m/s2。

鉆進深度D21時(進入Mb5層40m)鉆井液密度為1.28g/cm3。經過計算，不會發生壓差卡套管。則技術套管下入深度假定點即為技術套管下入深度D2=2188m。

3.1.3計算表層套管下入深度D1

其余井段套管下深的計算采用常規井眼設計參數。

采用試算法計算表層套管下入深度：

(4)

式中：ρfE為井涌壓井時表層套管鞋處承受的壓力當量密度，g/cm3；D2為技術套管下入深度，m；D1為表層套管下入深度，m；ρp2為技術套管D2處的地層壓力當量密度，g/cm3。

當試算值接近于該處破裂壓力實際值時，該深度即為表層套管下入深度。經過計算可得：當D1=140m時，破裂壓力當量密度計算值為2.29g/cm3，實際值為2.30g/cm3，滿足試算結果要求。則表層套管下入深度D1=140m。

3.1.4調整套管層次和下入深度

以上套管層次和下入深度的確定依據壓力系統平衡而設計的，但是有些復雜情況反映不到壓力剖面上。例如易垮塌泥頁巖、蠕變的鹽膏層、膠結不良的砂巖等復雜地層，將影響鉆井速度和安全。因此，要根據鉆井工藝技術水平和鉆井液技術現狀，確定是否用套管封住該類地層，以便安全鉆進下部地層。

由巖性剖面可知，Missan油田Lower Fars地層為鹽膏層，長度約800m。鹽膏層易垮塌、縮徑，屬于復雜地層；且與下部儲層屬于不同壓力體系，應該及時進行封隔。地質必封點為Mb1層位，由于該層易發生井漏，推薦進入Mb1層1m左右下入技術套管，下入深度可取2934m。根據現場經驗，建議進入鹽膏層Lower Fars地層Mb5層位一定深度(約80m)下入技術套管，則上層技術套管的下入深度由2188m調整到2226m。再次驗證不會發生壓差卡套管。調整后套管層次與下入深度結果如表3所示。