元壩超深水平井井身結構優化設計

羅朝東，王旭東，龍開雄，龔德章

（1.中國石化西南石油局鉆井工程研究院，四川德陽 618000；2.中國石化西南石油局鉆井處）

元壩超深水平井井身結構優化設計

羅朝東1，王旭東1，龍開雄2，龔德章1

（1.中國石化西南石油局鉆井工程研究院，四川德陽 618000；2.中國石化西南石油局鉆井處）

由于元壩區塊地層壓力系統復雜、儲層高溫高壓、海相地層含H2S，元壩超深水平井井身結構設計時對必封點選擇難度大，且鉆頭尺寸和套管尺寸選擇范圍窄。分析了四種常用井身結構設計方法及存在的主要問題，提出了優化設計方案，避免了因井身結構而導致的壓差卡鉆，為元壩地區實現優快鉆井奠定了基礎。

元壩地區；超深水平井；井身結構；優化設計；壓差卡鉆

元壩區塊位于四川盆地東北部的巴中、南充及廣元地區，構造位置位于九龍山構造帶南翼、通南巴背斜帶西南側，屬于元壩低緩構造帶的主體部分［1］。長興組及飛仙關組是本區的主力儲集層，也是其主要目的層。該區塊勘探、開發潛力巨大，為了高效開發元壩海相儲層，已在該區塊部署了多口水平井［2］。地質條件復雜，地層高陡、傾角較大，高溫高壓高含硫，多套壓力系統共存且壓力跨度大，陸相海相地層共存等成為該地區地質構造的普遍特征［3］。

井身結構設計是鉆井工程設計的重要內容之一，合理的井身結構設計既能最大限度地避免漏、噴、塌、卡等工程事故的發生，使得各項鉆井作業得以安全順利進行，又能最大幅度地減少鉆井費用，使工程成本達到最低［4－6］。

1 工程地質特征

1.1 構造特征

元壩地區北為九龍山背斜構造帶南端，南為川中低緩構造帶，北東與通南巴背斜構造帶相鄰。從地震資料及區域構造特征分析，元壩地區位于三個大型正向構造的銜接部位，受三個構造的遮擋，構造形變弱、斷裂不發育。通過三維地震剖面的解釋，認為元壩低緩構造帶在縱向上同樣可劃分為上變形層和下變形層兩個構造層，以嘉陵江組中上部膏鹽巖滑脫層為界，但該區膏鹽層滑脫構造不明顯，上變形層與下變形層在構造上具一定的協調性。元壩地區整體構造穩定，特別是海相地層，斷層較少發育，只有零星小斷層發育，嘉陵江組四五段以上地層，受后期構造運動影響，發育局部小斷層。

1.2 地層壓力預測

根據元壩地區多口井的實鉆情況統計，元壩地區地層壓力預測見表1。

表1 元壩地區地層壓力預測

2 井身軌跡設計方法

由于目的層深，儲層可能難以精確預測。元壩超深水平井軌跡設計都采用斜導眼，其目的是使揭開儲層的位置距離A靶更近，接近A靶儲層的深度及厚度，利于軌跡調整時能夠準確在砂體中穿行。施工步驟是先揭穿儲層砂體，確定砂體厚度及深度后，鉆50m左右的測井口袋，測井、井壁取心后回填。

軌跡類型采用“直－增－穩－增－平”雙增型剖面，第一增斜段將井斜增至45°左右，然后穩斜鉆斜導眼段。第二造斜點選擇在穩斜井段，繼續增斜至A靶，將井斜增至水平段所需井斜，再穩斜鉆完整個水平段。為了滿足旋轉導向施工要求，造斜率一般選擇在（13°～18°）／100m。

3 完井方式對井身結構的要求

元壩地區目前天然氣產量的主要貢獻來源于Ⅰ類和Ⅱ類氣層、尤其是Ⅰ類氣層。無Ⅰ、Ⅱ類儲層的井測試天然氣無阻流量很低，有Ⅱ類但無Ⅰ類的居中，Ⅰ、Ⅱ類均有的最高。

對于Ⅰ、Ⅱ類較多的儲層，通過自然建產就有望達產，必要時進行解堵酸化改造。從降低成本考慮，完井方式可主要采用裸眼完井。當水平段與地層最大主應力夾角較大、井壁不穩定時，可采用襯管完井，襯管尺寸不小于φ127mm。

對于Ⅰ、Ⅱ類較少的儲層，考慮針對性大規模改造，推薦射孔完井。超深水平井卡槍的風險較高，為保證射孔效率，同時降低后期的工程風險，射孔井段套管尺寸不小于φ139.7mm。

目前元壩超深水平井完井方案主要采用裸眼完井或者襯管完井，以縮短投產周期和節約成本。

4 常用井身結構設計方法

4.1 第一種井身結構設計方法

第一種井身結構設計方法設置三個必封點。

第一必封點：上部地層為白堊系地層，地層不穩定，易漏、易坍塌，設第一必封點封隔上部不穩定易垮層段，為二開鉆進建立井口，安裝防噴器，創造良好的井眼條件，采用低固相鉆井液鉆進。

第二必封點：陸相地層埋深較厚，侏羅系上統地層不穩定，地層壓力相對較低，易漏、承壓能力差。設第二必封點封過侏羅系上統上沙溪廟組底部，大尺寸井眼，利于采用氣體鉆井方式提高機械鉆速，縮短鉆井周期。

“好，克里斯蒂娜，如果我能忍受誠實派那張喋喋不休的嘴，我早就去加入他們的派別了。”他噓聲說道，“從我這里學的第一課就是管好你的嘴巴，明白嗎？”

第三必封點：封隔須家河組高壓地層，須家河組地層壓力高，地層壓力系數達到1.8，而下部海相地層壓力系數相對較低，防止鉆海相地層采用的高密度鉆井液壓漏地層，利于采用液體欠平衡鉆井方式，提高陸相地層的機械鉆速。

井身結構具體設計數據見表2。四開鉆至造斜點開始造斜，鉆完斜導眼填井側鉆至水平段完鉆。

4.2 第二種井身結構設計方法

第二種井身結構設計方法設置四個必封點。前三個必封點和第一種設置方法相同。

表2 井身結構設計方法一

第四必封點：油層套管下至A靶點，減少下開裸眼段長度，利于水平段安全鉆進，確保順利完井。

井身結構具體設計數據見表3。四開鉆至造斜點開始造斜，鉆完斜導眼填井側鉆至A靶點，下入φ193.7／φ203.1mm復合套管。五開用φ165.1mm鉆頭鉆至完鉆井深。

表3 井身結構設計方法二

4.3 第三種井身結構設計方法

第四必封點：封隔嘉陵江組高壓水層，同時減少下開裸眼段長度，利于水平段安全鉆進和儲層保護，設第四必封點于飛仙關頂部。

井身結構具體設計數據見表4。四開鉆至造斜點開始造斜，鉆完斜導眼填井側鉆至飛仙關頂，下入φ244.5mm技術套管。五開用φ215.9mm鉆頭鉆至完鉆井深。

表4 井身結構設計方法三

4.4 第四種井身結構設計方法

第四種井身結構設計方法設置三個必封點。前兩個必封點和第一種設置方法相同。

考慮到簡化井身結構，降低鉆井成本，設置第三必封點于飛仙關組頂部，封隔嘉陵江組及其以上復雜地層，采取四開制井身結構。

井身結構具體設計數據見表5。三開鉆至造斜點開始造斜，鉆完斜導眼填井側鉆至飛仙關頂，下入φ244.5mm技術套管。四開用φ215.9mm鉆頭鉆至完鉆井深。

表5 井身結構設計方法四

5 存在的問題

元壩超深水平井遇地層由上至下分別為白堊系劍門關組，侏羅系蓬萊鎮組、遂寧組、沙溪廟組、千佛崖組和自流井組，上三疊統須家河組，中三疊統雷口坡組，下三疊統嘉陵江組、飛仙關組，上二疊統長興組，地層壓力梯度變化較大。前面幾種井身結構存在的主要問題是長興組與雷口坡組、嘉陵江組、飛仙關組三個地層中某些地層處于同一裸眼井段，而雷口坡組、嘉陵江組含有高壓水層，飛仙關組地層含有高壓氣、水層，為了平衡地層壓力，鉆井液密度要達到1.6g／cm3以上，而長興組的壓力系數為1.0～1.2，這樣就存在較大壓差，容易導致壓差卡鉆。統計元壩地區發生的幾次壓差卡鉆情況見表6。從中可看出，壓差卡鉆都發生在長興組，且解卡成功率不高，容易導致填井側鉆，造成重大經濟損失。

表6 元壩地區壓差卡鉆情況

6 井身結構優化設計方案

根據前面的分析，為了防止在長興組水平段發生壓差卡鉆，有必要將長興組單獨揭開。因此推薦元壩超深水平井井身結構采用五開制：表套封劍門關組，二開技套封上沙溪廟組，三開技套封雷口坡四段，四開技套封隔飛二高壓氣、水層，五開繼續完成斜導眼段施工后，填井側鉆直至水平段完鉆。具體井身結構設計數據見表7。

表7 井身結構優化設計方案

該井身結構優化設計方案已經在2口元壩超深水平井上得到了現場應用，成功避免了因井身結構設計問題而導致的壓差卡鉆。

［1］ 陳明，竇玉玲，李文飛，等.川東北元壩區塊井身結構優化設計［J］.天然氣技術，2010，4（3）：44－47.

［2］ 劉匡曉，王磊，李文清.元壩超深水平井提高隨鉆測量傳輸信號信噪比技術分析［J］.鉆采工藝，2011，34（3）：6－8.

［3］ 吳建忠.川東北深井井身結構優化探討［J］.石油地質與工程，2009，23（2）：88－93.

［4］ 陳明，于承朋，王光磊，等.川東北地區優化井身結構的探索與實踐［J］.天然氣勘探與開發，2009，33（3）：55－58.

［5］ 樊洪梅，劉鵬，紀榮藝，等.新型鉆井數據設計［J］.斷塊油氣田，2010，17（3）：382－384.

［6］ 黃松偉，丁向京.汪深1－平1井軌跡控制技術［J］.斷塊油氣田，2010，17（4）：480－482.

Because of the Yuanba block formation pressure system is complex，with high temperature and high pressure，marine strata containing H2S，difficulty in selecting casing program existed in Guangyuan ultra deep horizontal well with narrow range of selection on the drill bit sizes and casing sizes.In the paper，Analysis of four kinds of well structure design method and the existing main problem are made，the optimized design plan is put forward，which avoided the differential pressure sticking caused by the casing program and laid the foundation for optimal and fast drilling.

98Optimization design of Yuanba ultra deep horizontal well casing program

Luo Chaodong et al（Southwest Petroleum Bureau Drilling Engineering Institute， Sinopec， Deyang， Sichuan 618000）

Yuanba region；ultra deep horizontal；casing program；optimization design；differential pressure sticking

TE22

A

1673－8217（2012）04－0098－03

2012－03－12

羅朝東，高級工程師，1970年生，1991年畢業于中國石油大學鉆井工程專業，2004年獲得中國石油大學油氣田開發工程碩士，從事定向井、水平井技術管理與科研工作。

中國石油化工集團公司重點先導性試驗項目“元壩地區超深水平井鉆井技術跟蹤分析先導性試驗”（SG10069）部分研究內容。

李金華