大興場構造復雜深井井身結構設計

萬夫磊, 劉素君, 劉寶軍

(中石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院)

近期的勘探成果表明，大興場構造峨眉山玄武巖、茅口組、棲霞組具備良好的油氣成藏條件，是天然氣勘探重要的領域和方向[1-2]。大興場構造的寒武系、燈影組氣藏勘探面臨著嚴重挑戰。本構造已有4口井鉆至茅口-棲霞組，尚未鉆進燈影組。實鉆顯示：本區復雜斷層多，上部地層低壓易漏，下部存在高壓鹽水，沙灣組和峨眉山玄武巖組垮塌嚴重。4口已鉆井的井身結構各不相同，暫未形成成熟的井身結構方案，導致事故復雜多。例如：DS001-X1井在雷口坡組鉆遇高壓鹽水侵，并四次側鉆，DS001-X3井鉆遇2次側鉆。因此，急需研究適合于本構造的井身結構，滿足寒武系、燈影組深層油氣藏的開發需求。本研究按照“低壓漏失層與高壓層盡量分隔、復雜層段不下延、燈影組儲層專打、套管層次留有余地”的原則，依據壓力系統和復雜地層特點，優化設計出2套可行的DT1井非常規井身結構。

1 鄰井井身結構分析

本構造有4口已鉆井，分別為DS1、DS001-X1、DS001-X3、DS001-X4，除DS1井完鉆地層為寒武系九老洞組頂部外，其余井完鉆地層均為棲霞組尚未鉆進寒武系及以下地層。4口井均采用5開井身結構。其中，DS1、DS001-X1為常規井身結構，一開?660.4 mm鉆頭鉆至60 m左右，下?508 mm表層套管，二開?444.5 mm鉆頭鉆至須家河組頂部，下?339.7 mm套管，封隔上部易漏層和低壓層，三開?311.2 mm鉆頭鉆至嘉陵江組或雷口坡組，下?244.5 mm套管，四開?215.9/212.72 mm鉆頭鉆至茅口組頂，懸掛?177.8 mm套管，五開?152.4 mm鉆頭鉆至完鉆，懸掛?127 mm套管。DS1井實鉆中在嘉陵江組鉆遇高壓鹽水，需用密度1.8 g/cm3的鉆井液平衡，DS001-X1井在雷口坡鉆遇鹽水，提密度至2.08 g/cm3，發生卡鉆、井漏復雜，被迫進行兩次側鉆，在沙灣組和玄武巖組鉆遇嚴重垮塌，發生3次卡鉆，被迫進行兩次側鉆。因DS001-X1井事故復雜多且井身結構無備用方案。

經前期研究優化，DS001-X3、DS001-X4井為非常規井身結構：

一開?660.4 mm鉆頭鉆至150～200 m左右，下?508 mm表層套管，封固表層漏層、垮塌層；二開?444.5 mm鉆頭鉆至沙溪廟組中部，下?365.1 mm套管，封隔上部低壓、易漏層；三開?333.4 mm鉆頭鉆至雷口坡組頂部，下?273.05 mm套管，確保下步雷口坡組和嘉陵江組高壓鹽水層安全鉆進；四開2口井有所不同，DS001-X3井?241.3 mm鉆頭鉆至玄武巖組底部，DS001-X4井?241.3 mm鉆頭鉆至沙灣組底部，2口井均懸掛?219.08 mm套管；五開?190.5 mm鉆頭鉆至完鉆，懸掛?168.3 mm套管，再回接?193.68 mm套管；兩口井均備用了六開，若四開五開鉆遇復雜無法處理，可提前固井，備用六開?139.7 mm鉆頭鉆至完鉆井深，下?114.3 mm尾管完井。

DS001-X3井實鉆中未發生鹽水侵，?241.3 mm鉆頭鉆至玄武巖組底部，因沙灣組井漏，玄武巖組發生嚴重垮塌，導致玄武巖組發生卡鉆，解卡無效爆炸松扣被迫側鉆。DS001-X4井?241.3 mm鉆頭鉆至沙灣組底部，本井雖然在雷四段發生鹽水侵，但因將沙灣組和玄武巖組封隔開，在玄武巖組和后續地層鉆進中較為順利。

2 工程地質難點分析

DT1井是部署在川西南部大興場構造一口風險探井，主探燈影組，兼探下二疊統、峨眉山玄武巖，設計井深6 646 m(垂深6 520 m)，鉆探目的是探索川西南部樂山-龍女寺古隆起核部西緣大興場構造震旦系、二疊系棲霞組、火山巖含油氣性，拓展川西震旦系、二疊系勘探領域。DT1井距DS001-X1井0.94 km，因此，參考實鉆資料及本井地質資料分析鉆井工程地質難點如下:

1)雷口坡組以上為長段低壓地層，遂寧和沙溪廟組可能存在嚴重井漏。DS001-X1井：在遂寧組650～652 m(進入遂寧組170 m)鉆進時，漏失1.08 g/cm3密度鉆井液1 27.5 m3，最大漏速180 m3/h；在須家河組3 313～3 315 m漏失1.57～1.60 g/cm3密度鉆井液1 275.9 m3。DS1井：在沙溪廟組914.7～922 m(進入沙溪廟組130 m)和1 127.61～1 131 m，漏失1.17～1.33 g/cm3密度鉆井液580 m3，最大漏速失返。

2)雷口坡-嘉陵江組存在高壓鹽水侵。本構造4口井中有3口井鉆遇鹽水侵，鉆遇高壓鹽水侵概率大。DS001-X1井在雷四段密度1.52 g/cm3鉆井液鉆遇鹽水侵，提密度至2.08 g/cm3正常。DS001-X4井在雷四段用密度1.65 g/cm3鉆井液鉆遇鹽水侵，提密度至2.20～2.27 g/cm3井漏。

3)沙灣組、峨眉山玄武巖組漏、垮同存，易卡鉆。沙灣組泥巖水化膨脹，長時間浸泡易井壁失穩；峨眉山玄武巖組存在大量裂縫、孔洞，杏仁體，導致應力垮塌，大量裂縫、氣孔易導致井漏，漏、垮同存。DS001-X1、DS001-X3、DS001-X4井多次在本層段卡鉆、側鉆。

4)茅口～棲霞裂縫發育，漏、噴、垮、卡風險并存。茅口組頂部存在一套薄層的玄武巖，整體強度不高，易發生井壁失穩。茅口組、棲霞組裂縫發育，易出現漏、噴、垮、卡風險。DS001-X1井使用密度1.29 g/cm3及1.77 g/cm3的鉆井液在茅口組見氣測異常，使用密度1.80～1.81 g/cm3的鉆井液發生多次井漏。使用密度1.81～1.82 g/cm3在棲霞組見氣測異常及井漏顯示。

5)本構造尚未鉆探震旦系，存在未知風險。本構造尚未鉆探震旦系，存在未知風險，預防井漏、井噴。相鄰漢王場構造HS1井位于本井西南方向25.2 km，在燈四鉆井液密度1.42 g/cm3垮塌卡鉆，同時存在井漏。

6)鉆遇斷層。地質預測DT1井將在自流井組(1 990 m)鉆遇華17號斷層；在雷四段(3 590 m)鉆遇熊坡斷層；在嘉四段(4 740 m)鉆遇順②號斷層，可能引起噴、漏、卡、垮等復雜。

7)高溫、含硫，井控風險高。高溫：DT1井井底溫度約165℃左右，對井下儀器、工具、鉆井液和水泥漿的抗高溫性能要求高。含硫：DS1井茅口組H2S含量為0.63 g/m3，DS001-X1井茅口組-棲霞組H2S含量為0.58 g/m3，作業過程中必須做好防硫工作。

上述工程地質難點給井身結構設計帶來了很大的挑戰。

3 DT1井井身結構方案設計

3.1 井身結構必封點分析

依據鄰井實鉆資料、DT1井的壓力系統和地層特點，確定DT1井必封點如下：

1)夾關組。因為本井井場水泥樁深度為20.4 m，因此需下加深導管，以保障鉆機底座安全。

2)蓬萊鎮組650 m左右。因鄰井表層存在疏松、易漏層，需下表層套管將其封隔，安裝井口裝置，為下步鉆進創造條件。

3)雷口坡(下盤)頂部。因本構造4口井中有3口井在雷口坡-嘉陵江組鉆遇鹽水侵，鉆遇高壓鹽水侵概率大，因此，需將上部須家河相對低壓漏失層、垮塌層和熊坡斷層封隔，為下部高壓鹽水層安全鉆進創造條件。

4)沙灣組底部。因沙灣組和峨眉山玄武巖組漏、垮同存，易卡鉆，分析鄰井實鉆資料發現，沙灣組垮塌主要因為泥巖水化膨脹，長時間浸泡導致的井壁失穩；峨眉山玄武巖組因存在大量裂縫、孔洞，杏仁體，導致應力垮塌，大量裂縫、氣孔易導致井漏，漏、垮同存。鄰井DS001-X1、DS001-X3井將沙灣組和玄武巖組放在同一裸眼段鉆進，造成井漏垮塌同存，在玄武巖組被迫多次側鉆，但DS001-X4井因將沙灣組和玄武巖組封隔開，可避免2種不同垮塌機理的地層復雜疊加，減少了處理玄武巖井漏和垮塌復雜時對沙灣組造成的影響，玄武巖組和后續地層鉆進中較為順利。

5)燈影組頂部。茅口組和棲霞組地層壓力系數雖然設計為1.0，但鄰井實鉆中，茅口組和棲霞組的實鉆鉆井液密度為1.24～1.85 g/cm3，密度較高。因燈影組產層裂縫發育，低壓且易漏、易噴，為避免高密度鉆井液對燈影組產層造成的影響，將燈影組低壓易漏層與上部地層隔開，實現燈影組專打。

6)備選封隔點一：沙溪廟組中部。鄰井實鉆中在遂寧組、沙溪廟組發生了多次井漏。如DS001-X1井在遂寧組用密度1.08 g/cm3的鉆井液鉆進發生漏失，最大漏速180 m3/h。DS1井在沙溪廟組用密度1.17～1.33 g/cm3的鉆井液鉆進發生漏失，最大漏速失返。

7)備選封隔點二：茅口組頂。茅口～棲霞組裂縫發育，漏、噴、垮、卡風險并存,若玄武巖垮塌嚴重，提高密度后鉆茅口、棲霞組可能造成嚴重井漏，可備封茅口組頂部。同時應注意，茅口組頂部存在一套薄層的玄武巖，整體強度不高，易發生井壁失穩。因此應將茅口組頂部的玄武巖層完全鉆穿后再下入套管封隔。

3.2 井身結構方案設計

按照必封點和套管封隔的分析，優化設計出DT1井井身結構方案2套：

方案一：一開?914.4 mm鉆頭鉆至35 m左右，下?720 mm加深導管，保障鉆機底座安全。二開：?660.4 mm鉆頭鉆至150 m左右，下?508 mm表層套管，封固地表水層、漏層、垮塌層，安裝井口。三開：?444.5 mm鉆頭鉆至須家河組頂部，下?365.1 mm套管，封隔上部相對低壓層、易漏地層和華17斷層。四開：?333.4 mm鉆頭鉆至雷口坡(下盤)頂，設計下?273.05 mm套管，為下部高壓鹽水層安全鉆進創造條件。五開：?241.3 mm鉆頭鉆至沙灣組底，懸掛?219.08 mm套管，封固上部高壓鹽水層、沙灣易垮層。六開：?190.5 mm鉆頭鉆至燈影組頂部，懸掛?168.3 mm套管，再回接?177.8 mm套管。七開：用?139.7 mm鉆頭鉆至完鉆，下?114.3 mm尾管固井。

圖1 DT1井井身結構方案

方案二：一開?914.4 mm鉆頭鉆至35 m左右，下?720 mm加深導管。二開：?660.4 mm鉆頭鉆至650 m左右，下?508 mm表層套管，封固上部水層、漏層、垮塌層，安裝井口。三開：?444.5 mm鉆頭鉆至雷口坡(下盤)頂，下?365.1 mm+?374.65 mm套管，封隔上部相對低壓層、易漏地層和華17和熊坡斷層，為下部高壓鹽水層安全鉆進創造條件。四開：?333.4 mm鉆頭鉆至沙灣組底，設計先懸掛?282.58 mm套管，再回接?273.05 mm套管，封固上部高壓鹽水層、沙灣易垮層。五開：?241.3 mm鉆頭鉆至燈影組頂部，懸掛?219.08 mm套管，封隔玄武巖、茅口棲霞易漏、易垮層，為燈影組安全鉆進創造條件。六開：?190.5 mm鉆頭鉆至完鉆，懸掛?168.3 mm套管，再回接?177.8 mm套管。備用七開：若五開鉆遇垮、漏復雜處理困難，可提前固井，六開鉆至燈影組頂部，懸掛?168.3 mm套管，再回接?177.8 mm套管后，最后采用?139.7 mm鉆頭鉆至井底，下?114.3 mm尾管固井。

鄰井實鉆中，在蓬萊鎮、遂寧組、沙溪廟組發生了多次井漏，甚至發生井漏失返，方案一將須家河組頂部作為一個封固點，套管層次已經用盡，深層鉆進無備用方案。而方案二為了保障深層的安全鉆進，并預留一開備用套管，未將沙溪廟中部或須家河組作為必封點，實鉆中若鉆遇井漏復雜，可采用注水泥堵漏等措施處理。綜合對比認為，方案二更加合理。因此推薦方案二作為DT1井的井身結構方案。方案如圖1所示。

4 結論

本研究按照“低壓漏失層與高壓層盡量分隔、復雜層段不下延、燈影組儲層專打、套管層次留有余地”的原則，在分析鉆井工程面臨的難點和風險的基礎上，結合鄰井實鉆情況、DT1井的壓力系統特點、高壓鹽水層、易垮易漏層特性，確定井身結構必封點和套管層次，優化設計2套可行的非常規井身結構，為川西南部大興場構造后續燈影組深層天然氣藏開發提供了有效方案。