基于漏失壓力極限法的壓力衰竭氣藏大位移水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李忠慧 李 中 方滿宗 樓一珊 陳浩東 劉 杰

1.“ 油氣鉆井技術(shù)”國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室·長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院2. 中海石油（中國(guó)）有限公司湛江分公司 3. 中國(guó)石油吐哈油田公司吐魯番采油廠

井身結(jié)構(gòu)不僅關(guān)系到鉆井、完井工程的整體效益，也關(guān)系到生產(chǎn)層的保護(hù)和產(chǎn)能的維持，直接影響到整個(gè)油氣井的質(zhì)量和使用壽命。大位移水平井具有水平位移大，水垂比高，裸眼井段長(zhǎng)的特點(diǎn)，鉆下部地層時(shí)上部裸眼井段容易被壓裂[1,2]；壓力衰竭地層易發(fā)生井漏、井塌等井下復(fù)雜情況，其主要原因是油氣壓力下降后巖石特性參數(shù)以及地應(yīng)力發(fā)生改變，表現(xiàn)在井眼坍塌壓力、破裂壓力的變化。當(dāng)在壓力衰竭地層進(jìn)行大位移水平井鉆進(jìn)時(shí)，由于地層坍塌壓力、破裂壓力的改變，常規(guī)的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法不能滿足工程需要。筆者針對(duì)壓力衰竭地層大位移水平井鉆井特點(diǎn)，建立了適合于壓力衰竭地層大位移水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，并將該方法應(yīng)用于南海北部灣鶯歌海盆地東方1-1氣田，取得了很好的應(yīng)用效果，研究結(jié)果為壓力衰竭地層大位移水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)。

1 衰竭儲(chǔ)層井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化難點(diǎn)和對(duì)策

目前，大位移水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多參照直井和定向井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，未充分考慮水平段動(dòng)態(tài)壓力的影響，導(dǎo)致在水平段鉆井過程中容易發(fā)生漏失，降低了鉆井效率并增大了鉆井成本。覃成錦等[3-10]學(xué)者依據(jù)水平井鉆井過程中水平段的井筒環(huán)空動(dòng)態(tài)壓力特點(diǎn)，提出了一種壓漏校核新方法，該方法將環(huán)空動(dòng)態(tài)壓力計(jì)算納入水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中進(jìn)行考慮，逐段進(jìn)行環(huán)空動(dòng)態(tài)壓力計(jì)算與校核，通過尋找壓漏臨界點(diǎn)來確定套管下入深度，并根據(jù)鉆井實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化水平井井身結(jié)構(gòu)，提高了水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性。竇玉玲運(yùn)用系統(tǒng)分析方法研究大位移井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該方法增加了水力性能、扭矩極限、井眼穩(wěn)定性、套管下入可行性等相關(guān)評(píng)價(jià)，利用實(shí)現(xiàn)井眼清潔對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)壓耗、鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度、鉆進(jìn)或下套管過程中可能產(chǎn)生的最大扭矩、預(yù)計(jì)的最大井徑擴(kuò)大率以及套管下入過程中最小大鉤載荷等參數(shù)作為校核參數(shù)，對(duì)傳統(tǒng)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了完善，并給出了相應(yīng)的約束方程。

總體來說，基本原理是根據(jù)裸眼井段內(nèi)壓力平衡關(guān)系確定每層套管的下深，其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括地層三個(gè)壓力剖面、鉆進(jìn)環(huán)空流體動(dòng)態(tài)的6個(gè)基礎(chǔ)參數(shù)[8]。其基本思路是根據(jù)壓力平衡關(guān)系確定出井身結(jié)構(gòu)方案，即采用坍塌壓力、孔隙壓力的最大值作為下限，破裂壓力的最小值作為上限，針對(duì)常規(guī)地層，此種方法能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)質(zhì)安全鉆井，然而，針對(duì)壓力衰竭地層，由于壓力衰竭導(dǎo)致地層地應(yīng)力發(fā)生變化，沿用常規(guī)大位移水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法易出現(xiàn)卡鉆、坍塌、漏失等復(fù)雜情況。針對(duì)壓力衰竭后坍塌壓力、漏失壓力的變化，筆者將井筒最大液柱壓力與漏失壓力平衡作為初步確定套管下深的約束條件，同時(shí)考慮鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）的影響，對(duì)儲(chǔ)層段壓力衰竭的大位移水平井井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 衰竭儲(chǔ)層井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程方法

針對(duì)壓力衰竭地層，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則是在裸眼段鉆進(jìn)中及井涌壓井時(shí)不發(fā)生井漏，并在鉆進(jìn)和下套管時(shí)不發(fā)生壓差卡鉆事故。

2.1 壓力衰竭后地層漏失壓力計(jì)算模型的建立

儲(chǔ)層在壓力衰竭過程中有體積收縮的趨勢(shì)，但在圍巖的影響下，產(chǎn)層的橫向變形受到限制，體積收縮的趨勢(shì)轉(zhuǎn)化為應(yīng)力減小，最終結(jié)果是導(dǎo)致水平向地應(yīng)力發(fā)生改變，儲(chǔ)層壓力衰減后，假設(shè)流體壓力的改變只引起地層垂向變形，在水平面內(nèi)的變形為零，且認(rèn)為壓力衰減過程中上覆主應(yīng)力保持恒定，根據(jù)廣義胡克定律，可求得地層壓力降低Δp后的地應(yīng)力計(jì)算模型如式（1）所示[13-14]：

式中σH、σh、σv表示原始最大、最小水平、垂直地應(yīng)力，MPa；如果儲(chǔ)層流體壓力降低，為負(fù)號(hào)，表示地應(yīng)力減小，如果儲(chǔ)層流體壓力升高，為正號(hào)，表示地應(yīng)力增加；μ表示泊松比，無量綱；α表示有效應(yīng)力貢獻(xiàn)系數(shù)，無量綱；Δpp表示地層壓力變化量，MPa；ω1，ω2為構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)。

鉆井中發(fā)生井漏的原因除地層被壓裂之外，還有由于壓差較大在高滲透率儲(chǔ)層、斷層及不整合面等情況，或者由于鄰近斷層附近的地層自身存在裂縫、裂縫重張和延伸造成井漏，此時(shí)認(rèn)為漏失壓力等于水平最小主地應(yīng)力，其數(shù)值的大小可通過建立地應(yīng)力計(jì)算模型獲得[15]。在壓力衰竭地層中鉆進(jìn)時(shí)，很容易出現(xiàn)漏失等復(fù)雜情況[16-17]，因此本研究取漏失壓力作為井內(nèi)壓力平衡的上限，其值等于水平最小主地應(yīng)力。

2.2 當(dāng)量循環(huán)密度的確定

鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度為鉆井液的當(dāng)量靜態(tài)密度與鉆井液流動(dòng)造成的環(huán)空壓力損失之和[11]。

式中ECD表示當(dāng)量循環(huán)鉆井液密度，g/cm3；ESD表示當(dāng)量靜態(tài)密度，g/cm3；papl表示井深H處環(huán)空壓耗，MPa；H表示垂深，m。

根據(jù)式（2），在確定了ESD之后，還需建立鉆井循環(huán)期間環(huán)空壓力損耗的計(jì)算模型。水平井的環(huán)空動(dòng)態(tài)壓耗大小受鉆井液密度、黏度、排量、井眼尺寸與鉆柱尺寸等影響。論文采用冪律模式，在工程精度允許的范圍內(nèi)對(duì)循環(huán)系統(tǒng)的流動(dòng)問題進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。

當(dāng)流態(tài)為層流時(shí)，環(huán)空井段的壓耗為：

當(dāng)流態(tài)為紊流時(shí)，環(huán)空井段的壓耗為：

2.3 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程

2.3.1 水平段鉆進(jìn)發(fā)生壓漏的計(jì)算判斷

井底不被壓漏的最大允許壓力增量為：（5）

把式（5）計(jì)算結(jié)果與式（3）或式（4）計(jì)算的井底環(huán)空壓耗進(jìn)行比較，即可判斷是否會(huì)發(fā)生壓漏。

2.3.2 壓漏情況下是否采用套管封隔的判斷

如果水平段鉆進(jìn)經(jīng)初步校核papl大于等于Δpz，水平井眼會(huì)被壓漏，是否采取套管封隔方案，主要從以下兩個(gè)方面做出綜合評(píng)估判斷：①考慮目前的鉆井技術(shù)水平及處理壓漏復(fù)雜情況的技術(shù)措施等。②對(duì)鉆井液密度與性能進(jìn)行調(diào)整，以減小環(huán)空壓耗來避免或減輕壓漏。

經(jīng)上述評(píng)估后仍然不能避免壓漏情況，那么只能增加一層套管，計(jì)算步驟如下：

1）井底不發(fā)生井涌的最大允許壓力降低值計(jì)算為：

式中Δpm表示保證井底不發(fā)生井涌的最大允許壓力降低值，MPa；ρm、ρp、Δρm分別表示鉆井液密度、地層孔隙壓力當(dāng)量密度、鉆井液密度附加值，g/cm3。

2）計(jì)算井底的環(huán)空壓耗（Δpb2）

根據(jù)調(diào)整后的鉆井液密度與性能參數(shù)，按不同的流態(tài)選擇式（3）或式（4）計(jì)算井底的環(huán)空壓耗Δpb2，再與式（6）計(jì)算的井涌最大允許壓力降低值結(jié)果進(jìn)行比較，如果Δpm大于等于Δpb2，表明由調(diào)整鉆井液的技術(shù)措施減小的井底壓力可以抵消鉆井液循環(huán)引起的環(huán)空壓耗，能夠滿足安全鉆到井底的要求；如果計(jì)算結(jié)果仍不能滿足，則采用套管封隔技術(shù)方案。

2.3.3 計(jì)算壓漏臨界點(diǎn)深度

隨著水平段的延伸，其水平段中必然存在某一點(diǎn)處的環(huán)空壓耗（Δpb2）增大至由調(diào)整鉆井液的技術(shù)措施而降低的靜液壓力（Δpm），該點(diǎn)即為壓漏臨界點(diǎn)深度[18]，即套管下入深度。由于計(jì)算復(fù)雜，該點(diǎn)深度需進(jìn)行計(jì)算機(jī)迭代計(jì)算。

2.3.4 增加套管層次的壓漏校核

經(jīng)計(jì)算壓漏臨界點(diǎn)深度不能鉆達(dá)設(shè)計(jì)深度，需要增加套管層次，則需要按照上述步驟對(duì)新設(shè)計(jì)的環(huán)空進(jìn)行壓漏校核，直至壓耗計(jì)算結(jié)果滿足要求為止。

3 實(shí)例分析

東方1-1氣田位于南海北部鶯歌海海域，區(qū)域構(gòu)造位置為鶯歌海盆地中央泥底辟構(gòu)造帶北部。隨著油氣田持續(xù)采出地層流體（油、氣、水等），地層壓力出現(xiàn)大幅度衰竭，根據(jù)氣田生產(chǎn)中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，至2014年，Ⅲ上氣組部署井段地層壓力系數(shù)已由原始的1.03下降至0.95，Ⅱ下氣組部署井段地層壓力系數(shù)下降至0.46，Ⅰ氣組部署井段壓力系數(shù)下降至0.80。

3.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系數(shù)確定

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理與否，其中一個(gè)重要的決定因素是設(shè)計(jì)中所用到的抽汲壓力系數(shù)、激動(dòng)壓力系數(shù)、破裂壓力安全系數(shù)、井涌允量和壓差卡鉆允值這些基礎(chǔ)系數(shù)是否合理。通過分析處理東方1-1氣田已鉆井（9口井）的錄井、井史、地質(zhì)等資料，根據(jù)計(jì)算模型，確定了壓力衰竭后的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系數(shù)如表1、2所示。

3.2 壓力衰竭后地層坍塌壓力、漏失壓力、破裂壓力分布規(guī)律

根據(jù)定向井井壁穩(wěn)定分析計(jì)算模型，考慮壓力衰竭對(duì)地應(yīng)力，破裂壓力，坍塌壓力的影響，應(yīng)用東方1-1氣田實(shí)際鉆井資料及測(cè)井資料，得到大位移井壓力衰竭后的井眼地層4個(gè)壓力剖面，如圖1所示。

表1 東方1-1氣田已鉆井抽吸壓力系數(shù)、激動(dòng)壓力系數(shù)取值表

表2 東方1-1氣田已鉆井破裂壓力安全系數(shù)、井涌允量和壓差卡鉆允值取值范圍表

圖1 大位移井壓力衰竭后井眼地層4個(gè)壓力剖面圖

3.3 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果

根據(jù)對(duì)東方1-1氣田已完鉆井使用井身結(jié)構(gòu)適用性分析，相對(duì)現(xiàn)今存在壓力衰竭多套壓力系統(tǒng)的地層，傳統(tǒng)的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在一定的缺陷，尤其在壓力衰竭地層中容易出現(xiàn)卡鉆、漏失等復(fù)雜情況。這些復(fù)雜地層必須及時(shí)地進(jìn)行封隔，即必須確定必封點(diǎn)的位置，尋求一種更為有效地井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。結(jié)合井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，利用傳統(tǒng)的自下而上井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的計(jì)算結(jié)果，融入自上而下井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)思想，對(duì)東方1-1氣田擬鉆井套管層次以及下深進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 東方1-1氣田擬鉆井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案表

從表3中可以看出，根據(jù)力學(xué)平衡原理優(yōu)化設(shè)計(jì)的井身結(jié)構(gòu)能夠滿足壓力衰竭地層大位移井的安全鉆井，但?339.7 mm套管下深較大，在實(shí)際工程過程中要考慮下套管的摩阻問題。

卡鉆、漏失校核結(jié)果如表4所示，從中可以看出，采用優(yōu)化的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，不會(huì)發(fā)生卡鉆、漏失等問題。

表4 擬鉆井井身結(jié)構(gòu)條件下卡鉆、漏失校核結(jié)果表

4 結(jié)論與建議

1）壓力衰竭地層鉆井復(fù)雜事故以井漏為主，在進(jìn)行井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)以漏失壓力作為主要考慮因素，因此提高地層壓力預(yù)測(cè)精度顯得尤為重要。

2）在大位移水平井地層進(jìn)行井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，考慮到裸眼井段長(zhǎng)，水垂比大的特點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)計(jì)算鉆井液循環(huán)當(dāng)量密度。

3）對(duì)該地區(qū)地層情況進(jìn)行綜合研究，得出了壓力衰竭地層合理的井身結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了套管程序，降低了鉆井成本，并減少了鉆井過程中漏、噴、塌、卡等復(fù)雜情況的發(fā)生，研究結(jié)果為壓力衰竭地層大位移水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了科學(xué)的理論依據(jù)。