某復雜超深井非常規井身結構設計

李同勇(中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452)

0 引言

本井井身結構設計充分借鑒了四川盆地深井、超深井井身結構設計及應用，其深井、超深井應用45 井次，技術成熟可靠，鉆探成功率100%。并且充分考慮到地層的復雜性和層位與井深的預測誤差，為井身結構調整留下空間(包括鉆井深度的調整)，備用一層套管層系。

1 地質層序與壓力系統

根據本區地質特征，結合鄰區施工情況，設計重點對本井地層層序、油氣層、地層溫度、地層壓力、H2S 等方面做了預測，為井身結構設計提供了依據。本井地層自下而上主要發育震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系及第四系，地層古老、巖性復雜。預測本井存在7 個流體異常層和3 個潛在的油氣層，井底預測溫度為188.4 ℃。存在兩層明顯的異常高壓層，分別存在高家邊組和幕府山組，地層坍塌壓力一般在1.40 SG 以內，地層破裂壓力預測一般在2.00 SG 左右。地層三壓力參數特征詳見表1。

預測本井棲霞組存在H2S，本井奧陶系、寒武系、震旦系均發育大套碳酸鹽巖，有生成H2S 氣體的條件，預測震旦系上統至奧陶系上統可能存在H2S。

從鄰井鉆遇情況看，風化殼儲層多有發生井漏，存在鉆探風險。預測本井可能鉆遇4 層風化殼儲層：(1)下三疊統青龍組頂面，即印支構造面風化殼，預計頂界深度850 m；(2)下二疊統孤峰組-棲霞組頂面，即海西構造面風化殼，預計頂界深度2 090 m；(3)上志留統茅山組頂面，預計頂界深度2 902 m；(4)上震旦統燈影組頂面，預計頂界深度6 430 m。

表1 南黃海X井地層三壓力預測參數特征統計表

2 鉆井工程面臨的難點與風險分析

2.1 井漏風險

(1)本井主要為海相碳酸鹽巖和碎屑巖地層，存在3 個碳酸鹽巖風化殼，即下三疊統頂面印支風化殼、下二疊統頂面海西風化殼、上震旦統頂面風化殼。在鄰井鉆井過程中證實了印支構造面和海西構造面風化殼的存在，且發生了鉆井液的漏失。總體上風化殼的存在增加了井漏的風險。

(2)嶗山隆起中、古生界碳酸鹽巖發育，主要發育于中生界三疊系，古生界二疊系、石炭系、奧陶系、寒武系、震旦系，碳酸鹽巖易形成裂縫、溶蝕孔洞，在鉆井過程中易發生井漏。

2.2 地層垮塌和卡鉆

本井主要發育三套厚層泥頁巖層段，主要為二疊系孤峰組至龍潭組-大隆組、上奧陶統五峰組-下志留統高家邊組、下寒武統幕府山組，大套的泥巖段容易在鉆井的過程發生垮塌、卡鉆，此外上二疊統龍潭組煤層也是易垮塌地層。

2.3 井涌、井噴

根據壓力預測，本井在存在兩層異常高壓，分別為下寒武統幕府山組、下志留統高家邊組，壓力系數在1.20～1.33 之間，并且油氣層預測結果顯示異常高壓層段也是重要的油氣層段，因此在鉆井的過程中可能發生井涌和井噴事故，現場要做好相關防控措施。

2.4 H2S 風險

根據鄰井鉆井情況，在棲霞組頂界1 642 m，發現有H2S顯示，在井深1 651.78 m 處H2S氣測值最高達到98.0×10-6，區域上棲霞組標志層為臭灰巖；且預測本井奧陶系、寒武系、震旦系均發育大套碳酸鹽巖，有生成H2S 氣體的條件。

3 南黃海X 井井身結構方案設計

3.1 井身結構必封點分析

依據本井的壓力系統和地層特點，結合四川超深井鉆井成功經驗、鄰井實鉆情況及該井地層三壓力參數的預測結果，確定其井身結構必封點共有4 個，套管層次為6 層。

第一個必封點分析：封隔至鹽城組底界。由于新近系及以上地層疏松，易垮塌，下伏的青龍組頂界為碳酸鹽巖風化殼，存在較大的井漏風險，不揭開青龍組風化殼，封隔上部易垮塌層。

第二個必封點分析：鉆穿棲霞組，下入套管進行封隔，以確保施工安全，及下部油氣層的發現。此段地層較為復雜，上部為青龍組大套灰巖易漏層；中部為大隆組-龍潭組煤層，易垮塌；下部棲霞組臭灰巖可能含H2S。鄰井在相當本組地層已檢測到H2S。

第三個必封點分析：鉆穿五峰組底界，下入套管進行封隔。根據地質風險預測及相似地層實鉆情況，高家邊組及五峰組存在易垮塌的泥頁巖地層，且為高壓地層，下伏的奧陶系、寒武系主要為縫洞發育的碳酸鹽巖地層，易漏。

第四個必封點分析：鉆穿幕府山組，下入套管進行封隔。幕府山組主要發育泥頁巖，易垮塌，且預測可能存在高壓層；下伏燈影組地層預測主要為縫洞發育的碳酸鹽巖易漏，地層壓力系數低(1.06～1.10)。

3.2 本井井身結構方案設計

按照4 個必封點、6 層套管封隔的分析，同時上層套管下深必須保證下開次使用高密度鉆井液時，套管鞋以下地層不被壓漏，套管強度滿足行業規范，具體各開次設計如下：

(1)一開Φ914.4 mm 井眼：鉆至200 m，下Φ762 mm 隔水導管封固，建立簡易井口，隔水導管入泥92 m。

(2)二開Φ660.4 mm 井眼：鉆至848 m，進入鹽城組底部，不揭開青龍組頂部風化殼，下Φ508 mm 套管，安裝井控裝置，建立井口，為下部青龍組和二疊系安全鉆進創造條件。

(3)三開Φ444.5 mm 井眼：鉆至2243 m，進入船山組頂部3 m，鉆進深度應根據地質層位的實際埋深進行調整，測井后下入Φ365.1 mm 套管封固上部含硫化氫及易漏失地層和易坍塌煤層。

(4)四開Φ333.4 mm 井眼：鉆至4 690 m，鉆穿上奧陶系五峰組，進入湯頭組頂部5 m，見灰巖中完，鉆進深度應根據地質層系的實際埋深進行調整，測井后下入Φ273.1 mm 套管封固上部易垮塌的泥頁巖，隔離下部異常壓力地層及易漏失層。

(5)五開Φ241.3 mm 井眼：鉆至井深6 435 m，鉆穿寒武系幕府山組，進入燈影組5 m，鉆進深度應根據地質層系的實際埋深進行調整，下入Φ193.7 mm 尾管封固，實現下部震旦系儲層專打。

(6)六開Φ165.1 mm 井眼：鉆至完鉆井深7 308 m，下入Φ139.7 mm 尾管封固。

3.3 備用套管層次方案設計

本井存在噴、漏、塌、卡等復雜并存的情況，極大的加大了鉆井作業的難度，存在多下一層套管封隔上部復雜井段的可能性。針對這種情況，則需啟用備用井眼方案，即五開Φ241.3 mm井眼使用Φ219.1 mm 尾管封固；六開Φ190.5 mm 井眼使用Φ168.3 mm 尾管封固；七開Φ139.7 mm 井眼使用Φ114.3 mm 尾管封固。

3.4 套管安全性設計

本井主要目的層為氣層，需使用氣密封扣套管。預測本井三疊系、奧陶系、寒武系、震旦系均發育大套碳酸鹽巖，有生成H2S氣體的條件，在棲霞組有H2S，因此需要選抗硫套管。經Stress Check 軟件校核所選套管的抗內壓強度安全系數、抗外擠強度安全系數、抗拉強度安全系數均滿足行業規范要求。

4 結論與建議

(1)南黃海X 井地層比較老，可鉆性差，鉆井周期長，同時面臨著噴、漏、塌、卡等復雜情況以及地質不確定性等挑戰。該井的井身結構設計要充分借鑒國內深井、超深井在井身結構設計的成功經驗，并依據該井的壓力系統和地層特點，充分考慮地質、工程風險后進行設計。

(2)在深井、超深井井身結構設計中，完全采用現有API 標準鉆頭、套管尺寸系列難以滿足增加套管層次的需求。可突破常規井身結構設計思路的限制，采用部分非標準鉆頭、套管能夠增加套管層次，使井身結構設計更加合理。

(3)通過論證，該井井身結構存在4 個必封點，優化設計了六開井身結構方案，井下出現復雜情況無法繼續鉆進需提前中完時，可轉為七層套管井身結構，能滿足超深井復雜情況下的安全鉆井需求。

(4)超深井鉆井施工中存在諸多施工難點，如高溫高壓井段，鉆井工具、隨鉆測量工具以及鉆井液等受到嚴峻考驗，增加了鉆井的難度；下部井段環空間隙小，存在套管下入摩阻大且固井水泥漿頂替效率低等問題。因此，在實鉆過程中不斷優化施工方案是十分必要的。

(5)非常規井身結構的設計所需要的配套工具少。鉆井過程中，非常規尺寸鉆頭選型困難，部分扶正器、套管以及下套管等系列工具需提前定制。因此要確保鉆探工作快速高效，必須提前做好相應的配套工具準備。