淺部異常壓力層系下井身結構設計與應用*

范志坤 馮 雷 夏忠躍 賈 佳 解健程

(中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司)

0 引 言

淺層氣井區位于臨興區塊紫金山構造帶北部，整體為北西-南東走向的背斜構造。根據已鉆井、試氣及生產效果，該井區鉆探的淺層氣目的層紙坊組及和尚溝組均為常規氣層，埋藏淺，鉆探成本低，投資見效快，具有良好的開發前景，且淺層氣在充分開采泄壓后可以為下部氣層的開發奠定基礎。但是，由于其地層壓力系統較為復雜，鉆井過程中面臨著井控、井壁失穩、黏附卡鉆、鉆井液施工困難以及固井質量難以保證等系列工程風險[1]，采用常規的井身結構設計方法無法滿足上部常規氣層與下部非常規氣層接替開發要求。為此，本文通過對淺層氣井區淺部壓力異常層系井身結構設計與現場施工，形成了淺部異常壓力層系井身結構的設計方法及鉆井工程配套關鍵技術，可為該區塊的后續開發提供作業指導，也可為類似淺部氣層的開發提供借鑒。

1 作業難點分析

1.1 井控風險大

淺層氣井區主要目的層為紙坊組與和尚溝組，壓力系數分別為1.55和1.33。氣層埋藏較淺，鉆遇最淺部氣層垂深僅200 m。當出現溢流或井涌時，報警信號反應時間短，天然氣在幾乎沒有報警的情況下到達地面，繼而發生井噴。表層一般是薄弱地層，若發生井噴，則不能強行關井，否則容易憋裂地層，使之失去控制，造成爆炸起火和燒毀鉆機等惡性事故[2]。

1.2 地質層系多，巖性復雜，井壁失穩風險高

淺層氣井區自上而下發育多套層系，鉆遇地層主要為第四系、三疊系(延長組、紙坊組、和尚溝組、劉家溝組)和二疊系(石千峰組、上石盒子組)。第四系為黃土層及砂、礫石等未固結的松散堆積物，膠結性差，可鉆性好，易漏易垮塌。三疊系地層泥砂巖互層嚴重，膠結性差，可鉆性強。砂巖滲透性好，易形成較厚的砂質泥餅，易縮徑，造成起鉆困難。泥巖易吸水膨脹，剝落掉塊，造成卡鉆事故[3-4]。石千峰組巖性主要為石英粗砂巖，泥巖與砂巖互層，泥巖厚度大，單層厚度在15～25 m間，上部含泥頁巖地層存在井徑擴大嚴重現象。泥頁巖易于水化分散，使井眼內泥質和固相含量增加，吸附于鉆頭表面造成鉆頭泥包。石盒子組巖性主要為泥巖、泥質粉砂巖、細砂巖和中砂巖呈略等厚互層。石盒子地層存在硬脆性泥頁巖，易發生井壁浸泡垮塌事故[5]。

1.3 鉆井液性能要求高

淺層氣地層壓力系數較高，在儲層鉆進過程中使用高密度、高黏切鉆井液，鉆井液易受到有害固相的污染，保持性能穩定性是作業難點[6]；同時由于上部地層膠結性較差，偶然的激動壓力和循環壓耗就可以將地層壓漏，出現噴、漏同時發生的現象。

1.4 固井質量難以保證

由于地層埋深較淺，地層溫度較低，低溫條件下水泥水化速度慢，早期強度發展慢，水泥漿在凝結過程失重大、凝結過渡時間較長，淺層氣發育井段容易竄槽，造成上層套管環空帶壓。由于上部地層膠結性差，井壁不規則，下套管及居中困難，固井質量難以保證。從淺層氣井區前期鉆井來看，固井質量較差，部分井井口竄槽，環空帶壓，給后期作業帶來較高風險[7]。

1.5 常規與非常規層系同時開發

紙坊組與和尚溝組儲層物性較好，為常規氣層，投產階段套管射孔即可見產。劉家溝組以下目的層氣測滲透率較低，屬非常規致密氣層，儲層需經過壓裂改造才可見產[8-9]。

2 井身結構設計

2.1 井眼開次設計

井身結構設計主要根據地層孔隙壓力和地層破裂壓力剖面，并充分考慮地層復雜情況等因素。將不同的壓力層系和復雜地層分隔在不同的開次，以減少相互干擾[10-11]。本文利用必封點設計方法對淺層氣井區井身結構進行設計，根據淺層氣井區各地層壓力系統、地層巖性及復雜地層分布，設置2個必封點(見表1)，采用三開井身結構設計。

表1 淺層氣井區必封點分析Table 1 Necessary sealing point analysis of shallow gas wellblock

必封點①設置在延長組頂部地層，封隔上部黃土層及砂礫層，為二開鉆井液循環建立循環通道，并安裝井控設備，為淺層氣地層鉆進提供井口控制條件。必封點②設置在劉家溝組頂部地層，封隔上部壓力異常層系，為下一開常壓地層井段鉆進提供條件，避免高密度鉆井液污染下部儲層。原則上二開鉆至劉家溝上部泥巖層段。

2.2 套管尺寸選擇

氣井井身結構設計采取由里向外的原則，為保證氣井高效生產，生產管柱的選擇既要滿足氣井合理產能的釋放，避免井筒管柱過高的摩阻損失，又要考慮后期產水階段排水采氣的需要。由于淺層氣井區主要目的層既有上部的常規氣藏，又有下部的致密非常規氣藏，所以該井區主要采用壓裂生產一體化管柱，完井管柱還要考慮儲層改造的需要。

根據前期單層試氣結果，該區上部淺層氣藏含水較少，生產流體主要為干氣。采用?60.3和?73.0 mm油管均可滿足氣井正常生產需要。下部石盒子組氣層普遍產水，且需產氣量普遍低于20 000 m3/d，采用?60.3 mm甚至更小尺寸的油管才可滿足氣井攜液需要[12]。因此，該區生產管柱首選?60.3 mm油管。為配合?60.3 mm油管，下部石盒子組地層采用?114.3 mm生產套管。

2.3 氣層井段優化設計

根據現場火工材料調研結果，現場具備射穿雙層套管的射孔彈藥。在設計階段，下部氣層套管可采用全井段固井方式，也可考慮采用尾管固井方式。對比兩種固井方式發現，采用尾管固井方式需使用尾管掛，固井期間由鉆桿送入，固井作業流程中增加了尾管懸掛器坐掛、倒扣、坐封尾管頂部封隔器、循環沖洗多余水泥漿和候凝后鉆水泥塞等作業，施工工藝復雜，風險較高；并且尾管懸掛器與上層套管間隙較小，循環壓耗較高，如果井眼不干凈或者水泥漿性能不好，則更容易在懸掛器處形成橋堵，導致固井復雜情況出現。因此，設計三開井段采用全井段固井。

2.4 設計實例

以淺層氣井區5D井為例設計井身結構。5D井為一口深層兼探井，主要目的層為上部淺層氣井段和尚溝組和下部致密氣層段石盒子組，完鉆層位為石盒子組。該井的鉆探目的為評價淺層氣井區紙坊砂巖的含氣性、和尚溝組砂巖含氣范圍及邊界，測試淺層氣井區紙坊組與和尚溝組產能，降低淺層超壓地層的地層壓力，減小后期開發深層致密氣鉆井風險。

一開采用?311.2 mm井眼，鉆入基巖至少20 m中完，下入?244.5 mm套管；二開采用?215.9 mm井眼，鉆入劉家溝組地層頂部不超過5 m中完，下入?177.8 mm套管；三開采用?155.6 mm井眼，鉆穿石盒子組盒2段留足50 m口袋完鉆，下入?114.3 mm套管。根據地質預測數據，設計5D井井身結構如圖1所示。

圖1 井身結構示意圖Fig.1 Schematic diagram for casing program

套管強度設計應保證強度、通徑和耐用性，并滿足鉆完井和油氣井生產過程中各種工況和載荷要求，同時應遵循全井成本最低的原則。因此，對套管壁厚和鋼級進行優選，并對套管強度進行校核，校核過程中抗拉校核工況如下。考慮解卡過提拉力400 kN、下套管速度0.5 m/s、固井碰壓；抗外擠校核工況：全掏空狀態(生產)、循環漏失、固井；抗內壓校核工況：套管試壓、固井碰壓、油管泄漏、壓裂工況(注入壓力40 MPa)，校核結果見表2，三開選用外徑114.3 mm、質量17.26 kg/m、鋼級P110套管可以滿足強度要求。

表2 5D井套管強度校核Table 2 Casing strength check of Well 5D

3 鉆井工藝優化設計與施工

為保障現場鉆井作業施工順利進行，需對各井段鉆具組合、鉆井液性能和固井工藝等方面作業難點進行分析，并針對作業難點制定針對性工藝措施。

3.1 鉆具組合優化設計

淺層氣井區多為叢式定向井開發，為淺層防碰需要，一開井段要求防斜打直。一開采用塔式防斜鉆具組合：?311.2 mm PDC+X/O+?203.2 mm DC×2根+?298.5 mm STB+X/O+?165.1 mm DC×7根+?127.0 mm HWDP×7根+?127.0 mm DP，全井段采用小鉆壓吊打的方式，鉆壓10～50 kN、轉速75 r/min、排量20 L/s、泵壓0.5～1.5 MPa。

二開井段鉆井液密度高，極易發生黏附卡鉆，鉆具防卡為作業重點。采用防卡鉆具組合，使用螺旋鉆鋌和加重鉆桿提供鉆進所需的鉆壓，在滿足鉆井要求的前提下，還可減少鉆鋌數量。為了防止造斜井段滑動鉆進托壓，甩掉螺桿鉆具上部的扶正器，最終二開鉆具組合為：?215.9 mm PDC+?171.5 mm PDM+F/V+定向接頭+?165.1 mm NMDC+?165.1 mm DC×7根+?127.0 mm HWDP×7根+?127.0 mm DP。

三開井段為小井眼作業，根據鄰井情況，小井眼鉆頭易發生泥包，防止鉆頭泥包、提高鉆井速度是工作重點。為防止鉆頭泥包，三開采用4刀翼PDC鉆頭，優化鉆頭水力參數，使用等直徑噴嘴，均勻分布水功率[13]。為了防止井眼軌跡波動大，在螺桿鉆具上部增加一個扶正器，三開鉆具組合為：?155.6 mm PDC+?120.7 mm DM+F/V+?146.1 mm STB+定向接頭+?120.7 mm NMDC+?88.9 mm HWDP×48根+?88.9 mm DP。

3.2 鉆井液性能維護

為保證井控安全，二開鉆井液開鉆密度為1.65 g/cm3。二開井段密度高、黏切高，易受到有害固相污染，保持性能穩定是作業難點。針對高密度鉆井液抗巖屑污染能力差的特性，施工過程中加大高分子聚合物、降失水劑和包被劑用量，有效地控制有害固相產生細分散，并加強固控設備的使用，清除鉆井液中有害固相，保證鉆井液具有良好流動性。

在三開井段，為防止鉆頭泥包，將鉆井液密度設為1.10～1.17 g/cm3、黏度設為38～43 s，初終切力為1～2/2～4 Pa，并增加了抑制劑用量，提高鉆井液抑制性，防止黏土水化分散。

3.3 固井工藝

3.3.1 淺層氣井段防氣竄固井工藝

為提高淺氣層井段固井質量，在固井前應調整好鉆井液性能，在保證井下安全的前提下盡量降黏降切，降低含砂量。循環做到振動篩上無巖屑和泥皮，強化下套管后的井眼清洗，實現先導漿前期驅替，有效隔離減少混漿，提高水泥漿頂替效率。通過優化扶正器加裝位置和數量，提高套管居中度，每3根套管安放1只扶正器，5D井二開套管固井共下入彈性雙弓扶正器18只，剛性扶正器3只。

根據現場實鉆結果，5D井最上部氣層在298.2 m。為了防止水泥漿失重情況下發生竄槽，二開固井采用一次性全返工藝，水泥漿為低失水防氣竄體系，并采用雙凝水泥漿柱結構，通過調整各段水泥漿的雙凝界面來實現壓穩防漏[14]。其中，領漿采用鎖水防氣竄彈塑性水泥漿體系，密度1.88 g/cm3，實驗室稠化時間198 min，設計封固0～200 m，段長200 m；尾漿采用鎖水防氣竄短候凝水泥漿體系，密度1.88 g/cm3，實驗室稠化時間122 min，設計封固200 m至井底。

為確保封固效果，二開固井選用TWF140型封隔器(見圖2)，放置在表層套管與技術套管重疊段。該型封隔器采用膨脹膠筒作為密封元件，頂替膠塞通過封隔器控制閥時打開進液孔，水泥漿頂替到位后，套管內開始憋壓，液體經過進液孔進入開啟閥，憋壓至設定值時，剪斷銷釘，開啟閥打開，液體流經單流閥和限壓閥開始進行脹封作業，密封套管環空[15]。

1—上接頭；2—中心管；3—膠筒；4—閥系接頭；5—下接頭。

3.3.2 三開井段小井眼固井工藝

三開井段為小井眼鉆進作業，固井期間套管與井眼環空間隙較小，為降低固井過程中環空密度當量，需優化固井水泥漿漿柱結構及三開井段井眼尺寸。為此，采用固井設計軟件分別模擬三開固井采用單密度水泥漿、雙密度水泥漿及尾管固井方案，模擬結果如圖3所示。根據模擬結果，尾管固井方案井底當量循環密度最低，但為了節約成本、簡化作業流程，排除此方案。通過對不同井眼尺寸固井模擬發現，在水泥漿柱結構和施工排量等相關參數相同的條件下，采用?155.6 mm井眼比?152.4 mm井眼固井期間井底當量循環密度降低0.03。因此，三開井段采用?155.6 mm井眼。通過對不同漿柱結構模擬發現，雙密度漿柱結構井底當量循環密度比單密度水泥漿柱方案降低0.17，大大降低了固井漏失風險。三開開鉆后，通過對二開套管鞋進行地層承壓試驗，地層承壓當量密度1.99 g/cm3，可滿足雙凝雙密度漿柱結構固井需求。因此，三開套管固井采用雙凝雙密度漿柱結構，領漿采用1.50 g/cm3低密度水泥漿，尾漿采用1.85 g/cm3高密度水泥漿，尾漿封固至二開套管鞋以上200 m。

圖3 固井過程環空ECD計算曲線Fig.3 Calculation curve of annular ECD in cementing process

3.4 綜合應用效果

通過對5D井鉆具組合、鉆井液性能和固井工藝等進行優化，二開、三開井段均用一只鉆頭、一套鉆具組合和一趟鉆完成鉆進作業。根據測斜結果，一開井斜0.30°，二開淺層氣靶點靶心距2.33 m，三開致密氣靶點靶心距5.53 m，均達到了井身質量控制要求。根據固井質量檢測結果，二開水泥返深地面，固井質量優質，三開固井水泥返深地面，固井質量合格率100%，優質率91.12%，這為后續的完井作業提供了良好的井筒條件。

4 結論與建議

(1)通過對淺層氣井區淺部壓力異常層系井身結構的設計與現場施工，淺層井區表層黃土層及砂礫層和淺部壓力異常層系為兩個鉆井必封點，該井區采用三開井身結構可滿足上部淺層氣和下部致密砂巖氣的分層開發需要。

(2)為防止水泥漿失重時發生竄槽，二開固井水泥漿為低失水防氣竄體系，并采用“雙凝水泥漿柱結構”，通過調整各段水泥漿的雙凝界面來實現壓穩防漏。為確保封固效果，二開固井使用套管封隔器，水泥漿頂替到位后開始進行脹封作業。

(3)當鉆頭在石千峰組等含泥頁巖地層鉆進時，可采取如下措施降低鉆頭泥包風險：①采用4刀翼PDC鉆頭，優化鉆頭水力參數，使用等直徑噴嘴，均勻分布水功率；②在鉆井液中加大抑制劑的使用量，提高泥漿抑制性，防止黏土水化分散。

(4)高密度鉆井液具有抗巖屑污染能力差的特性，鉆遇高壓層時建議加大高分子聚合物和降失水劑的用量，有效地控制有害固相產生細分散，使鉆井液具有良好的流動性。