北部灣盆地探井井身結構優化設計及應用*

林四元 李 中 郭永賓 黃 熠 陳浩東 張波濤

(1.中海石油(中國)有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057； 2.中海油能源發展股份有限公司工程技術湛江分公司 廣東湛江 524057)

北部灣盆地是南海西北部的一個半封閉海灣盆地，所在海域水深15～45 m，每年7～10月易遭遇臺風極端天氣襲擊。為滿足施工作業要求，前期探井采用四開次井身結構設計方案：一開φ508.00 mm隔水導管入泥50～80 m支撐井口，滿足海域環境載荷需求；二開φ339.73 mm表層套管封固上部近新系松軟地層，為后續井段提供足夠的承壓能力；三開φ244.48 mm技術套管封固古近系易坍塌地層；四開φ215.90 mm井眼鉆探目的層，錄取地質資料(如測試則下φ177.80 mm尾管)。這種常規井身結構設計方案減少了井下復雜情況的發生，但套管層次多、鉆井周期長、成本高[1-2]，難以滿足探井發展需求，因此簡化區域井身結構與優化套管層次是北部灣盆地探井作業亟需解決的重要難題之一。本文在常規四開次井身結構設計基礎上，分析并探索出隔水導管與表層套管“二合一”以及φ311.15 mm技術井段與φ215.90 mm目的層井段“二合一”的優化設計方案。現場應用表明，該設計方案簡化了北部灣盆地探井套管層次，優化了探井井身結構，為該地區探井提速及成本控制奠定了良好基礎。

1 表層“二合一”優化設計

1.1 隔水導管優化設計

北部灣盆地探井數量多(每年22～25口)，平均建井周期短(平均15～22 d)，作業結束后切削回收隔水導管。由于北部灣海域水淺，該地區探井由自升式鉆井平臺承鉆，需要隔水導管從海底延伸至井口小平臺支撐井口。基于上述探井建井周期短、頻率高、不保留井口的特點，從精準隔水導管設計出發，校核非臺風季節下隔水導管設計。校核方法依據中國船級社(CCS)《海上固定平臺入級與建造規范》[3]，分析探井單樁隔水導管受力并借助ANSYS軟件[4-5]繪制出非臺風季節不同尺寸隔水導管井口允許載荷與水深關系曲線(圖1),優選出φ355.60 mm厚壁隔水導管設計。由圖1可知，非臺風季節φ355.60 mm厚壁隔水導管(φ339.73 mm外加厚套管，鋼級N80，壁厚18.64 mm，下同)在水深15～25 m時可滿足井口載荷300 kN的需求，而在水深30～45 m時可通過隔水導管提升裝置承擔井口載荷滿足300kN井口載荷的需求，因此可采用φ355.60 mm厚壁隔水導管設計方案替代常規φ508.00 mm隔水導管設計方案[6]，為精準隔水導管設計奠定了基礎。

圖1 北部灣盆地非臺風季節下不同隔水導管井口允許載荷與水深關系曲線圖Fig.1 Relationship curve of different riser wellhead allowable load and water depth in non-typhoon season in Beibuwan basin

1.2 表層套管優化設計

1.2.1套管連接方式

根據隔水導管海域環境設計要求，設計了2種隔水導管與表層套管 “二合一”設計方案：①φ508.00 mm+φ339.73 mm復合套管設計方案，即上部采用φ508.00 mm套管作為隔水導管，下部采用φ339.73 mm套管，中間采用變徑套管連接；②φ355.60 mm+φ339.73 mm復合套管設計方案，即上部采用φ355.60套管作為隔水導管，下部采用φ339.73 mm套管，中間采用絲扣連接。

1.2.2套管封固設計方案

考慮到實際作業中隔水導管可能需要預留300 kN井口承載力，參考《海上開發井隔水導管設計和作業規范》[7]及鉆入法中隔水導管外層水泥環對土層單層側向力理論[8-9]，對隔水導管極限承載力進行校核，結果見表1。由表1可知，φ355.6、φ508.0 mm隔水導管分別入泥28.5、22.3 m，井口承載力分別為367、327 kN，滿足常規情況下井口載荷300 kN要求。結合實際情況，為確保作業安全、避免施工誤差的影響，設計隔水導管入泥30～35 m。

結合上述分析結果制定表層“二合一”設計方案，結果見表2。由表2可知，φ508.00 mm+φ339.73 mm及φ355.60 mm+φ339.73 mm表層“二合一”設計方案可滿足作業要求，省去了常規φ508.00 mm隔水導管設計，單井可以節省工期約1.0～1.5 d。

表1 北部灣盆地不同隔水導管極限承載力Table 1 Different ultimate bearing capacity of riser in Beibuwan basin

注：以北部灣某代表性土質資料為例；計算結果未考慮隔水導管自重。

表2 北部灣盆地探井表層“二合一”設計方案Table 2 The “two in one” design of exploratory wells in Beibuwan basin

2 目的層“二合一”優化設計

窄安全密度操作窗口(安全密度操作窗口=安全密度窗口-環空循環當量密度，下同)是提高窄窗口地層安全施工的重要保障，直接影響到套管下深及井身結構優化設計，而井眼尺寸優化又是擴展鉆井液安全密度操作窗口的有效手段之一。通過分析窄窗口安全密度操作窗口，兼顧井眼尺寸對鉆井效率的影響優選井眼尺寸，將常規φ311.15 mm及φ215.90 mm井眼尺寸進行“二合一”優化設計。

2.1 基于安全密度操作窗口井眼尺寸設計

1) 環空循環摩阻當量密度理論分析。

選取φ311.15、φ269.88、φ250.83、φ215.90 mm等4種不同井眼尺寸，利用賓漢模型并根據環空流動壓耗理論[10-13]，借助Virtual Hydraulics軟件，分析不同井眼尺寸井底環空循環摩阻當量密度，并將計算結果繪制成曲線圖(圖2)。由圖2可知，在φ215.90 mm井眼中正常鉆進時，井底循環摩阻當量密度0.10～0.11 g/cm3；在φ250.83～φ311.15 mm井眼中正常鉆進時，井底循環摩阻當量密度0.03～0.05 g/cm3。由此證實，正常排量鉆進下φ215.90 mm小井眼環空循環摩阻當量較φ250.83～φ311.15 mm井眼明顯增加，增加量約0.05～0.07 g/cm3。

圖2 北部灣盆地鉆井過程中井底環空循環摩阻當量密度與環空返速曲線圖Fig.2 Relationship curve of equivalent circulating density in bottom hole and velocity in annular during drilling in Beibuwan basin

2) 安全密度操作窗口理論分析。

根據莫爾-庫倫破壞準則、巖樣強度尺寸關系經驗公式[14-17]計算北部灣盆地古近系地層尺寸效應巖石強度，考慮環空循環摩阻對操作窗口的影響，建立巖石尺寸效應下的安全密度操作窗口，如圖3所示。從圖3可知，井眼尺寸大于φ250.83 mm后，尺寸效應對安全密度窗口及安全操作密度窗口影響很小；從φ250.83 mm到φ215.90 mm 井眼，安全密度窗口增大、安全密度操作窗口減小，并且增長趨勢越來越快。由此證實,井眼尺寸φ250.83 mm是該地區擴展安全密度操作窗口附近的臨界井眼尺寸。

圖3 北部灣盆地鉆井過程中巖石尺寸效應下的安全密度操作窗口Fig.3 Safety density operation window under rock size effect during drilling in Beibuwan basin

2.2 最佳機械鉆速井眼尺寸優化設計

關于機械鉆速與井眼尺寸的關系，所涉及的影響參數多且十分復雜，一直以來沒有得到一致的定論。但經驗鉆速方程[18]及實際應用經驗表明在部分定性方面趨于一致意見，認為在合適范圍內的井眼尺寸具有最優的機械鉆速。圖4是東南亞泰國灣盆地機械鉆速與不同井眼尺寸鉆頭統計曲線圖[19]，可以看出利于提高機械鉆速的最優井眼尺寸為φ155.58～φ311.15 mm。

北部灣盆地1 500～2 800 m井段的30口井不同井眼尺寸機械鉆速統計分析表明，φ311.15 mm井眼平均機械鉆速29.2～30.5 m/h，φ250.83 mm井眼平均機械鉆速34.8～36.5 m/h。與φ311.15 mm井眼相比，φ250.83 mm井眼機械鉆速提高10%～20%，并且能減少返出回收鉆屑量約40%，可以節省探井油基鉆屑回收及處理成本。

圖4 東南亞泰國灣盆地機械鉆速與不同井眼尺寸鉆頭統計曲線圖[19]Fig.4 Relationship curve of ROP and different borehole sizes in the Thailand Gulf [19]

2.3 設計方案

結合安全密度操作窗口理論分析及最佳井眼尺寸優化設計，優選出φ250.83 mm井眼尺寸替代常規φ311.15 mm及φ215.90 mm井眼尺寸的設計方案。該尺寸井眼在擴展安全密度操作窗口的同時，可提高鉆井效率,節省油基鉆屑回收及處理成本。同時，為保障井下安全，使用高性能的強封堵鉆井液體系，有效防止井壁失穩引起的井下復雜情況，為目的層“二合一”方案的推廣起到重要的支持作用，平均單井節省鉆井工期約6 d。

3 井身結構優化設計及應用

3.1 優化設計方案

依據北部灣盆地表層“二合一”及目的層“二合一”設計方案，優化出二開次井身結構設計，結果見表3。由表3可知，優化后的二開次井身結構設計基本上能滿足北部灣盆地常規勘探井在不同季節下的作業需求。此外，針對少量特殊井，備用了1套三開次設計方案，以應對壓力系數高而導致常規φ339.73 mm套管抗內壓不足或目的層“二合一”設計方案中“三壓力曲線”無安全密度操作窗口的特殊井。

3.2 應用分析

北部灣盆地Y區塊新近系常壓，地層穩定；古近系潿二段、流二段地層坍塌壓力1.30～1.40 g/cm3(地層壓力系數低于坍塌壓力)。該區塊探井使用表層“二合一”及目的層“二合一”設計方案，其井身結構如圖5所示，不同井身結構設計工期費用對比見表4。由表4可知，在相似的鉆井條件下，優化后的二開次井身結構設計較常規四開次平均單井減少鉆井周期7～8 d、鉆井成本降低31%～37%。

表3 北部灣盆地二開次井身結構優化方案Table 3 Two sections’ well optimization in Beibuwan basin

圖5 北部灣盆地Y區塊井身結構優化設計示意圖Fig.5 The Y Block well structure optimization design in Beibuwan basin

表4 北部灣盆地Y區塊不同井身結構設計工期費用對比Table 4 Time limit and cost comparison of different well structure designs in Y Block,Beibuwan basin

注：F為Y1井建井周期，B為Y1井建井費用。

4 結論

1) 針對北部灣盆地探井特點，通過隔水導管穩定性及強度理論分析提出了表層、目的層段“二合一”井身結構優化設計，簡化了1層套管程序，擴展了安全密度操作窗口，有利于節省鉆井工期、提高機械鉆速、減少油基鉆屑回收量。

2) 應用表明，優化后的二開次井身結構設計(備用1套三開次方案)可根據季節優選合適的井身結構，應用靈活、適用性強，能顯著降低鉆井成本，具有較好的推廣應用價值。