渤海渤中區域深井井身結構優化

李磊 楊進 劉寶生 趙少偉 張燦 楊宇鵬 張昌超 鄒欣

1. 中國石油大學(北京)；2. 中海石油(中國)有限公司天津分公司

開發中深層油氣資源是目前渤海油田增儲上產的重要手段，但面臨地質條件復雜，作業成本高、風險大，海洋環境保護日益嚴格等難題［1］，給鉆井安全高效作業帶來巨大挑戰。要實現科學、優質、經濟、安全的鉆井作業，取得預期的鉆探目的和經濟效益，最重要的前提之一就是要有合理的井身結構。

合理的井身結構，就是根據所鉆地層的地質條件、設計井深、鄰井參考資料等數據預測地層孔隙壓力、地層破裂壓力、地層坍塌壓力曲線，綜合考慮當前鉆井設備現狀、鉆井工藝技術水平及施工能力等一系列因素，設計出合理的井眼尺寸與套管程序，以滿足地質、鉆井及采油等方面的要求，保證鉆井作業成功鉆達目的層，完成油氣鉆采任務［2］。渤中區域中深層地質條件復雜，存在多壓力系統，安全密度窗口窄，地層易坍塌破裂，中深井異常壓力的形成存在著多源機制成因，地層壓力預測精度低，鉆完井作業安全風險大［3-4］。

筆者依據渤中深層地質資料及海洋鉆井特點，總結深井井身結構設計相關經驗準則，通過高精度預測鉆前地層壓力曲線優化井身結構及套管柱設計，以達到縮短鉆井周期和提高鉆速的目的，其中井身結構優化設計關鍵技術可為今后海上深層鉆井作業提供經驗參考。

1 渤中區域井身結構優化設計難點

1.1 地質特點

渤中區域地層自上而下分別為新近系明化鎮組、館陶組，古近系東營組、沙河街組、孔店組，太古界潛山儲層［5］。其中上部地層明化鎮組發育塑性泥巖，中深部東下段至沙河街組地層發育大套泥巖，東營組部分鉆遇火成巖易垮塌、漏失，沙河街組異常壓力發育。中深地層是以伊蒙混層和伊利石為主的硬脆性泥頁巖地層，硬脆性泥頁巖的層理裂縫較發育，層理面的穩定性小于巖石本體，在鉆井過程中，大量硬脆性泥頁巖往往會坍塌掉塊導致漏失、卡鉆等井下復雜事故。采用X射線衍射技術對硬脆性泥頁巖中各種物質組成進行測定，結果見表1。

由表1可知，中深層硬脆性泥頁巖礦物組分主要包括石英、方解石、斜長石、白云石、菱鐵礦和黏土礦物，其中石英和黏土礦物總含量在70%～80%左右。黏土礦物種類主要以伊蒙混層和伊利石為主，含有少量的高嶺石、綠泥石，伊蒙混層比例較高，在黏土礦物中相對含量達40%以上。

表1 渤中區域硬脆性泥頁巖礦物含量測定結果Table 1 Measurement results of the mineral content of hard and brittle mud shale in the central Bohai area %

1.2 渤中區域前期鉆井存在的問題

以渤中19-6區塊為例，該區塊在井身結構設計中面臨封隔斷層、易坍塌、易蠕變變形地層及不同地層壓力層系等挑戰，鉆探初期采用API推薦六開制井身結構。但因地層巖性、地層壓力預測誤差大，導致井下復雜情況頻繁發生，嚴重制約了鉆探時間［6-7］。如BZ19-6-1井鉆井作業時發生坍塌、卡鉆遇阻、憋泵憋扭矩等復雜情況60余次，其中事故主要發生在明化、館陶、東二段地層(見圖1)。渤中區域東下段至沙河街組地層，因硬脆性泥頁巖的坍塌多次進行劃眼、倒劃眼作業［8］，導致處理復雜情況時間占總鉆井時間的30%以上。

圖1 BZ19-6-1井鉆進過程中復雜情況統計Fig. 1 Statistics of complex situations in the drilling process of Well BZ19-6-1

2 井身結構優化方法

2.1 多源數據融合技術

渤中區域深層地質條件復雜，存在多壓力系統，安全密度窗口窄，地層易坍塌破裂，中深層異常壓力的形成存在著多源機制成因［9］。基于多源數據融合的異常壓力鉆前精準預測技術是將多源數據融合技術與鉆井異常壓力預測技術相結合，利用已知的沉積、構造、成藏等地質資料匯總在一起進行系統分析，對存在異常壓力層位的信息再認識，得出沉積壓實、構造擠壓、油氣運移等地質作用對異常壓力的統一信息，系統認識勘探新區目標地層形成異常壓力的成因，并及時更新地層壓力數據，圖2為多源數據融合技術流程圖。

圖2 多源數據融合技術流程圖Fig. 2 Flow chart of multi-source data fusion technology

2.2 鉆前壓力預測流程

針對異常壓力地層特點，提出基于地質、測井、地震等多元信息的地層孔隙壓力鉆前預測方法，將隨鉆數據與地震數據預測值對比，利用已鉆井段數據建立層速度與聲波時差校正模型，根據校正結果修正模型系數，最終對目標井進行地層壓力再預測，可通過再預測值得知是否存在異常壓力地層，為鉆井作業提供指導，同時利用鉆后數據對比分析，逐漸完善預測模型，為下口井的鉆前預測做準備。圖3為多源數據融合技術預測的精確地層壓力剖面。

圖3 BZ19-6-7井地層壓力剖面Fig. 3 Formation pressure profile of Well BZ19-6-7

3 渤中井身結構優化實例及效果

井身結構的設計關系到深井鉆井安全、鉆井成本、鉆井速度、油氣層保護等，尤其是技術套管的選取，必須滿足封隔復雜井段、固井工藝和井控安全的要求，因此要根據鄰井地質資料與多源數據融合技術預測得到三壓力剖面，結合井控、固井當量、提速等因素調整各層套管下深，封固復雜地層，降低作業難度，合理地設計深井井身結構［10］，在保證完井要求的前提下，盡可能地減小開眼尺寸，以提高上部大尺寸井眼的鉆進速度，提高作業時效。

圖4為渤中區塊井身結構優化結果：(1)充分分析隔水導管入泥及支撐能力等因素，考慮由渤中六開井身結構優化為五開井身結構，使用?762 mm井眼+?609.6 mm隔水導管代替?762 mm隔水導管+?508 mm表層套管組合，減少了一層套管，既節省了成本又減少了作業時間；(2)為減少上部地層事故復雜率，封固復雜地層，降低下開次作業難度，將第1層?339.7 mm技術套管下至館陶組上部；考慮到大尺寸井眼中完深度增加，為了提高鉆井效率，將?444.5 mm井眼優化為?406.4 mm，減少了鉆頭單位進尺的破巖能量；(3)為減少下部地層事故復雜，通過精確的地層壓力剖面預測，將第2層技術套管(?244.5 mm套管)下深增加，封隔易垮塌、漏失地層，進入東營組起壓前中完；(4) ?177.8 mm尾管封隔沙河街和孔店組，實現太古界潛山目的層專打。

圖4 渤中19-6區塊井身結構優化Fig. 4 Optimization of casing program in BZ19-6 Block

以渤中19-6-7井為例，該井設計完鉆井深5 508 m，目的層位為太古界。根據三壓力剖面設計優化井身結構，計劃一開?762 mm井眼+ ?609.6 mm隔水導管鉆進至250 m左右中完，該區塊淺部地層無斷層及氣層，隔水套管下深需封固上部薄弱層，提高承壓能力；綜合考慮套管頭承壓能力、地質資料、機械鉆速、下部井眼長度等因素，二開?406.4 mm井眼+?339.7 mm套管鉆進至1 618 m左右，鉆穿明化鎮易垮塌地層后中完；三開?311.1 mm井眼+?244.5 mm套管鉆進至3 676 m左右，進入東二下段起壓前中完；四開?215.9 mm井眼+ ?177.8 mm尾管鉆進至4 530 m左右中完，?215.9 mm井段控制在850 m左右；五開?152.4 mm井眼鉆進至5 508 m，裸眼完鉆。該井身結構減少了鉆井復雜事故次數，可節省10～30 d的作業時間，有效提高了鉆井時效。

4 結論

(1)利用多源數據融合技術，基于地質、測井、地震等多元信息的地層孔隙壓力鉆前預測技術，得到了較為精確的地層三壓力剖面，成功將原六開井身結構優化為五開。

(2)通過隨鉆測井信息，實時更新鉆前壓力預測模型，并與地震數據預測值進行對比，利用已鉆井段數據建立層速度與測井聲波時差校正模型，根據校正結果修正模型系數，并對未鉆層段進行孔隙壓力再預測。

(3)形成的一套適合該區域的井身結構，在保證鉆井安全的前提下，有效地規避在作業時可能出現的復雜事故，達到縮短鉆井周期和提高機械鉆速的目的，為后續海上深層鉆井作業井身結構設計提供參考。