延長中生界頁巖氣水平井井身結構設計方法研究

武　騫，張文哲，遲立賓，梁小兵，孫　曉，萬　鑫

（陜西延長石油<集團>有限責任公司研究院，陜西西安710065）

延長中生界頁巖氣水平井井身結構設計方法研究

武騫*，張文哲，遲立賓，梁小兵，孫曉，萬鑫

（陜西延長石油<集團>有限責任公司研究院，陜西西安710065）

本研究基于對陜西延長石油集團頁巖氣國家示范基地中生界頁巖儲層構造特征和地質特點的認識，結合勘探開發具體任務，經過技術攻關和現場試驗，探索形成了適合延長中生界長7頁巖氣開發的井身結構。井身結構由構造特點、地質情況和工程因素共同決定。頁巖氣水平井井身結構的選擇，不僅影響著鉆井施工的順利進行，也影響著完井工藝的選擇以及氣井最終的產氣量。本研究根據頁巖儲層地質特點、氣藏埋深、體積壓裂要求以及生產管柱尺寸約束等條件，確定了“三開”的井身結構，并通過自下而上與自上而下兩種計算方法，并結合具體的地質必封點與工程必封點，確定了各層次套管的下深，并給出了適合延長中生界長7頁巖儲層的水平井井身結構。

中生界頁巖氣；井身結構；必封點；體積壓裂

1　延長頁巖氣區的構造概況及地質特點

國家頁巖氣示范基地位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡中南部，氣田區域背景為一東高西低的單斜構造，區內構造圈閉和斷層不發育，局部發育小型鼻狀隆起［1］。根據鄰井地層揭露情況，該區地層自上而下依次為新生界第四系，中生界白堊系洛河組，侏羅系中統安定組、直羅組，下統延安組、富縣組，三疊系上統延長組，其中延長組長7儲層為中生界主力頁巖氣藏［2］。

2　水平井開發延長中生界頁巖氣的優勢

根據延長中生界頁巖氣的構造概況及地質特點，采用水平井開發具有如下優勢：

（1）鑒于陜北特殊的地理地貌，采用水平井開發能夠有效降低修路、推井場等前期費用，從而有效降低投資，提高投入產出比；

（2）延長中生界頁巖氣屬于陸相頁巖氣儲層，單井產能低，勘探開發成本高，水平井能夠大幅度提高單井控制儲量和氣井產能，使更大面積的井筒與儲層裂縫接觸和溝通，從而獲得更大的儲層泄流面積、天然氣產量和投入產出比；

（3）延長中生界頁巖氣采取“水平井+分段壓裂”的方式進行開發，水平段延伸方位垂直于地層最大主應力方向，能保證裂縫沿著地層最大應力方向進行展布［3］；

（4）采用水平井開發頁巖氣，可以減少井場數量及地面建設的費用，減輕對陜北脆弱的生態環境造成的壓力。

3　影響井身結構設計的因素分析

影響頁巖氣水平井井身優化設計的因素包括：地質因素、地層壓力系統和鉆井施工過程中的各種工程因素。

3.1地質因素

頁巖儲層的埋藏條件和地質特征是與鉆井施工相對應的基本矛盾，是影響井身結構設計的最基本的因素。延長頁巖氣水平井鉆井周期長，鉆井液對長裸眼井段浸泡時間長，上部井段坍塌、漏失和易出水的矛盾比較突出，下部煤層、泥頁巖、鹽巖引起的復雜情況也經常暴露。選擇合適的井身結構，在一定程度上能夠減少鉆井過程中的井下復雜情況，從而有利于優質、快速、高效地鉆井。

3.1.1上部地層

延長中生界頁巖氣上部地層包括第四系、洛河組、安定組、直羅組、延安組、富縣組、延長組等。對于井身結構設計來講，存在的主要風險因素包括：（1）第四系黃土層松軟，地層膠結性差，鉆進中易發生裂縫性漏失從而導致地層垮塌、井架傾斜等各種鉆井事故；（2）根據現場巖屑錄井發現，直羅組、富縣組在鉆井過程中容易發生井壁坍塌，而且井壁在鉆井液中浸泡時間越長坍塌現象也越嚴重；（3）延安組含有多套煤層，鉆井過程中易垮塌形成大肚子；（4）延安組屬于邊底水油藏，底部含水較多，并且承壓能力低，鉆井和固井中易發生井漏，并且經常影響固井質量；（5）延長組上部也同屬于低破裂壓力帶，承壓能力低易發生井漏。

3.1.2目的層段

本研究以中生界三疊系上統延長組長7層為研究對象。長7層頁巖儲層主要地質特點包括：（1）長7頁巖儲層微裂縫發育，地層承壓能力低，鉆井過程中易發生漏失并對氣藏造成傷害；（2）長7頁巖地層長水平段（1000m以上）鉆井中易發生井塌等問題，從而造成卡鉆、埋鉆具等工程事故；（3）長7頁巖層段容易吸水膨脹，從而導致井眼縮徑，產生卡鉆。

3.2地層壓力

在頁巖氣鉆井中，地層壓力是確定鉆井液密度窗口和設計井身結構的依據，關系到能否安全、優質、快速的進行鉆井作業。因此，準確地確定地層壓力是合理設計井身結構的前提。

按照我國SY/T6168-1995石油行業標準，根據頁巖氣區塊已完鉆井的壓力統計結果（表1）：延長頁巖區大部分氣井屬于低壓氣井，只有少數幾口屬于常壓氣井，沒有高壓和異常高壓氣藏。因此，井身結構重點要考慮的是鉆井液漏失而不是井涌和井噴。

3.3工程因素

鉆井施工過程中的各項工程參數包括：鉆機負荷、井身結構、鉆具強度、鉆井液類型、鉆井液密度、鉆壓、摩阻、扭矩、抽吸壓力和激動壓力系數、地層破裂壓力安全系數、井涌系數、壓差卡鉆的臨界值等。由于上述各項系數隨著井深的變化而變化，因而在鉆井工程中，應采用隨井深變化的數值。

4　井身結構優化設計

4.1井身結構優化設計的要求

對延長中生界長7頁巖氣的水平井井身結構有以下要求：（1）有利于發現和保護氣藏，能有效防止溢流和井噴；（2）能有效的在長裸眼井段內處理井塌、井漏、遇阻、遇卡等井下復雜情況，能為后期套管腐蝕修復留有余地；（3）選擇合適的井身剖面，通過計算使全井段的鉆柱力學參數最大程度優化，摩阻和扭矩最小；（4）表層套管下深不少于300m，并進入基巖至少50m，建立井口，安裝防噴器；（5）造斜點應該選擇在可鉆性較好并且巖性相對穩定的延長組中下部，如果是水平井井組的方式進行開發，那么各個井的造斜點要相互錯開，并做好防碰掃描工作；（6）靶前距、增斜率和井斜角的選擇既要滿足地質要求也要應滿足工程要求，水平段長度應接近最優段長；（7）充分考慮頁巖氣水平井增產方式、體積壓裂要求以及生產工藝對井眼尺寸和井身結構的限制和約束。

表1　頁巖氣區塊已完鉆井的壓力統計

4.2地質必封點與工程必封點的確定

要保證鉆井施工的順利，首先需要確定必封點的位置，然后進行封隔。必封點包括地質必封點和工程必封點，地質必封點包括易坍塌的頁巖層、塑性泥巖層、鹽巖層、巖膏層、裂縫性溶洞、破裂帶地層等。因此，在進行井身結構優化設計時根據具體地層情況，確定地質必封點的位置，再結合傳統的工程設計方法確定表層套管、技術套管、生產套管的尺寸和下深，從而確定具體的井身結構。下面根據延長頁巖氣區的地質狀況確定長7頁巖氣井的地質必封點：

（1）第一必封點：延長頁巖氣區表層往往覆蓋著黃土，黃土層在鉆井施工過程中經常發生跑漿現象，因此表層套管首先必須封固第四系黃土層；（2）第二必封點：洛河組容易發生漏失，洛河組漏失會導致陜北地下水源和飲用水的污染，因此表層套管其次必須封固洛河組；（3）第三必封點：延安組底部存在底水容易發生井漏，且長4+5的底部承壓能力低，易漏失，同時二開鉆進與三開鉆進也存在鉆井液轉換的問題，而三開鉆井液體系通常適合目的層鉆進，因此技術套管應封固長7目的層段以上的地層，并進入頁巖層5～10m；（4）第四必封點：中生界長7頁巖氣水平井一般采用體積壓裂的方式進行投產，生產套管必須下入人工井底，并進行全井段固井。

下面，我們將應用自下而上和自上而下的方法并結合已經確定的各個必封點對套管下深進行確定。

4.3套管下深的確定

根據壓裂工藝的選擇以及投產管柱尺寸的約束可以確定井眼尺寸和套管層次。傳統的井身結構設計主要有自下而上、自上而下2種方法來逐層確定每層套管的下入深度。

自下而上的井身結構設計方法是自下而上逐層確定每層套管的下入深度，保證套管下入深度最淺、費用最低，套管下深的合理性取決于對下部地層壓力大小的判斷和特性的了解；而在自上而下的井身結構設計方法中，套管下深根據上部已鉆地層資料確定，不受下部地層影響，有利于遵循地層特點實現井身結構的動態設計。每層套管下入深度最深，從而為后續鉆進留有足夠的套管強度余量，有利于保證順利鉆達目的層。

4.3.1自下而上的井身結構設計方法

自下而上井身結構設計方法遵循的基本原則是：在有效保護氣層的前提下最大限度地保證裸眼井段的安全鉆進，避免鉆進過程中發生漏、噴、塌、卡等事故，確保安全、順利鉆達目的層。設計的基本依據是了解所鉆地區的地層特性剖面、地層孔隙壓力剖面、地層破裂壓力剖面、井身結構設計系數以及鉆井資料等。設計的步驟是由內向外，自下而上，逐層進行，從而使各層套管功效最大化。具體方法和步驟如下：

（1）利用壓力剖面圖上最大地層壓力梯度求中間套管下入深度假設點D21（預計要發生井涌時采用）：

上式中的D21可用試算法求得，試取D21的值代入上式中，若計算值ρf與實際值相差不大或略小于實際值，則D21即為中間套管下入深度的假定點，否則另取D21值進行計算，直到滿足要求為止。

（2）驗證中間套管下入深度是否有卡鉆危險［4］：

其中：

若Δp≤Δpn，則假設中間套管下入深度即為實際中間套管下入深度；

Δp≥Δpn則中間套管下入假設點有卡鉆危險；

（4）校核鉆井尾管下到假定深度D31處是否會產生壓差卡套管，具體校核方法與步驟（2）相同。

（5）計算表層套管下入深度D1：根據中間套管鞋處（D2）的地層壓力梯度，給定井涌條件Sk，用試算法計算表層套管下入深度。每次給定D1，并代入下式計算。

在壓力剖面圖上找出ρpper值，該值對應的深度即為中間套管的下入深度D2；

（3）計算鉆井尾管的下入深度的假定點：若出現壓差卡鉆，按上式重新計算中間套管下深后，還需要解決D21到D2間的鉆井安全問題。往往需要多下一層套管或尾管，并需要確定尾管的下入深度。

試算結果中，若ρfE接近或小于D2處的破裂壓力梯度時即符合設計要求，該深度即為表層套管的下入深度。

4.3.2自上而下的井身結構設計方法

該方法自上而下逐層確定每層套管的下入深度。其步驟是：

（1）首先根據當地地層資料并參考傳統設計方法的結果，確定出表層套管的下入深度Hb。從表層套管下深Hb開始，根據裸眼井段須滿足的約束條件，向下確定出安全裸眼井段的長度La1，從而確定出第一層技術套管應下入的深度Hj1=Hb+La1。

（2）然后，再從第一層技術套管應下入的深度Hj1開始，按照同樣的方法確定出Hj1下部的安全裸眼井段的長度La2，從而確定出第二層技術套管的應下入深度Hj2=Hj1+La2。

（3）依此類推，一直到目的層位，逐層確定出每層套管的下入深度。

自上而下設計方法的基本依據除了所鉆地區的地層特性剖面、地層孔隙壓力剖面、地層破裂壓力剖面、地區井身結構設計系數以及已鉆井的資料外，還考慮了井壁坍塌壓力對井身結構設計的影響。

（1）裸眼井段鉆井液密度必須滿足的約束條件：

防噴、防漏∶ρmax=max｛｝（ρmax+Sb+ΔP），ρcmax

防卡∶（ρmax-ρpi）×Hi×0.0098≤ΔP

防漏∶ρmax+sf+sk+Hpmax/Hi≤ρfi

關井時防漏∶ρmax+sg+sf≤ρfi

（2）井內液柱壓力體系：

靜止狀態：井底壓力=環空靜液柱壓力；

正常循環：井底壓力=環空靜液柱壓力+環空循環壓耗；

用旋轉防噴器循環：井底壓力=環空靜液柱壓力+環空循環壓耗+旋轉防噴器的回壓；

循環出氣涌：井底壓力=環空靜液柱壓力+環空循環壓耗+阻流器（套管壓力）［6］。

（3）最大鉆井液密度：最大鉆井液密度和鉆進井段中的最大地層壓力有關，應能保證在起鉆時不致產生井涌：

（4）井內最大壓力梯度ρb：正常作業情況應考慮激動壓力：

發生井涌壓井應考慮井涌允值：

（5）各層套管下入深度：

①據正常鉆進時避免套管鞋漏失，求出套管預選下深H1；

②據井涌壓井不壓漏地層，求出套管預選下深H2（主要對淺層套管）；

③據避免壓差卡套管求出套管預選下深H3；

④必封點深度H4。

各層套管下深由上面4項數值最小者決定，具體計算參照下面算法進行［5］。

根據井身結構設計方法并結合具體必封點可以確定各層次套管的下深。下面結合現場壓裂方式以及生產管柱尺寸約束確定套管的層次及尺寸。

4.4井身結構的選擇

頁巖氣井要獲得可觀的產能必須采用大型的體積壓裂［7］，為了滿足大排量施工的順利以及生產管柱的下入，要求三開套管必須在?139.7mm以上，這也就決定了二開應采用?311.2mm的鉆頭并下入244.5mm的套管、一開采用?444.5mm的鉆頭并下入?339.7mm的套管。最終決定了長7頁巖氣水平井三開的井身結構為：

三開采用?215.9mm的鉆頭×?139.7mm的套管，套管封閉全部井段，固井水泥漿返至地面；

二開采用?311.2mm的鉆頭×?244.5mm的中間

圖1　例井井身結構示意圖　

套管，中間套管下入到入窗位置，封閉頁巖層段以上的地層，固井水泥漿返至地面；

一開采用?444.5mm的鉆頭×?339.7mm的套管，套管封閉黃土層和洛河組，固井水泥漿返至地面。

5　現場應用情況

延頁平2井為延長石油集團國家頁巖氣示范基地的一口陸相頁巖氣水平井。根據上述設計方法，給出延頁平2井的井身結構示意圖（圖1）。

由于進行了井身結構優化設計研究，在相同的地質條件和工藝條件下，延頁平2井機械鉆速平均提高2%以上，井下復雜事故率降低3%以上，鉆井周期縮短3%以上，固井質量合格率達到100%。并且壓裂施工順利，沒有出現異常情況。

6　結論與認識

（1）頁巖氣直井的井身結構設計方法不完全適合于水平井。頁巖氣水平井井身結構主要由地質條件、完井方法、壓力規模（中生界頁巖氣水平井一般大于103m/min）以及產量任務共同決定。

（2）根據體積壓裂方式以及生產管柱尺寸約束并結合地層特點，本研究推薦中生界頁巖氣水平井采用“?444.5mm鉆頭×?339.7mm套管+?311.2mm鉆頭× ?244.5mm套管+?215.9mm鉆頭×?139.7mm套管”三開形式的井身結構。

（3）地質與工程因素共同決定著井身結構的設計。本研究通過自下而上和自上而下2種計算方法，并結合具體的地質必封點和工程必封點確定了不同類型的延長中生界頁巖氣水平井三層套管分別的下入深度。

［1］姜呈馥，王香增，張麗霞，萬永平，雷裕紅，孫建博，郭超.鄂爾多斯盆地東南部延長組長7段陸相頁巖氣地質特征及勘探潛力評價［J］.中國地質，2013,40（6）：30-32.

［2］許小強，姜呈馥，高棟臣，張金川，仝敏波.鄂爾多斯盆地東南部延長組長7頁巖氣儲層裂縫特征及其控制因素［J］.延安大學學報：自然科學版，2013,32（4）：30-32.

［3］孫海成，湯達禎，等.頁巖氣儲層壓裂改造技術［J］.油氣地質與采收率，2011,18（4）：90-93.

［4］陳庭根，管志川.鉆井工程理論與技術［M］.北京：石油大學出版社，2000.

［5］韓志勇.定向井設計與計算［M］.東營：中國石油大學出版社，2007.

［6］彭馬特查，等.水平井優化設計與產能評價［M］.北京：石油工業出版社，2008.

［7］陳作，薛承瑾，蔣延學，秦鈺銘.頁巖氣井體積壓裂技術在我國的應用建議［J］.天燃氣工業，2010（10）：30-32.

TE243

A

1004-5716（2016）01-0041-05

2015-01-13

十二五國家863重點項目《頁巖氣勘探開發新技術》課題一“頁巖氣鉆完井及儲層評價與產能預測技術研究”（編號2013AA064501）以及陜西省科技統籌項目《陸相頁巖氣資源地質研究與勘探開發關鍵技術攻關》課題二“陸相頁巖氣水平井鉆完井工藝技術攻關”的部分研究內容。

武騫（1978-），男（漢族），陜西咸陽人，工程師，現從事完井工藝技術工作。