神府致密氣區塊井身結構優化研究與應用

賈 佳，夏忠躍，馮 雷，李明杰

(中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司,天津 300450)

神府致密氣區塊位于陜西省榆林市神木縣和府谷縣，地跨鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東北段和晉西撓褶帶西北緣，區塊內地表復雜，黃土厚度10～150 m，起伏劇烈，受后期河流侵蝕而支離破碎，形成了樹枝狀沖溝及塬、梁、峁、坡并存的地貌特征[1-3]。自上而下鉆遇地層有劉家溝組、石千峰組、上石盒子組、下石盒子組、山西組、太原組、本溪組、馬家溝組。由于自然產能很低，需要低成本高效的開發方式[4-6]，以實現非常規油氣的快速發展。神府區塊早期鉆井采用的常規井身結構為：Ф311.15 mm井眼×Ф244.5 mm套管+Ф215.9 mm井眼×Ф139.7 mm套管，存在鉆井工期長、鉆速慢、巖屑量大等問題，尤其隨著環保要求的嚴格，廢棄物處理成本劇增，為了提速降本，需對常規井身結構進行優化和改進。

1 井身結構改進

以早期常規井身結構為基礎，進行了逐步的改進，對不同井身結構對懸重、扭矩、泵壓、側向力、固井ECD、成本的影響進行了分析和研究。神府區塊井身結構進行了多次改進研究，分別從井身結構1、井身結構2，調整至井身結構3和井身結構4，如圖1所示。

以神府區塊的定向井1D井為例，對不同井身結構下懸重、扭矩、泵壓、側向力、固井ECD、成本等進行比較分析[7-9]，1D井軌跡情況為：造斜點300.0 m；造斜終點544.7 m；造斜終垂深537.3 m；造斜率3.0(°)/30 m；終點井斜角24.5(°)；終點方位103.9(°)；井底垂深2 270.0 m；井底斜深2 448.3 m；井底位移889.8 m。

1.1 鉆進和下套管中受力分析

鉆進過程中，在同等條件下井身結構1的鉆具受力最大，其中在井口受力68 t(見圖2)，而井身結構3和井身結構4的受力情況相差不大，但兩者都小于井身結構2的受力。所以，當使用常規井身結構即井身結構1鉆井時，使用的鉆機高于其他小井眼井身結構的鉆機級別，當使用ZJ20進行小井眼井身結構的鉆井時，則需要使用ZJ30鉆機進行井身結構1鉆井作業[10-11]。

在同等條件下，下套管過程中，井身結構1二開使用的是17磅的Ф139.7 mm生產套管，比其他井身結構使用的11.6磅的Ф139.7 mm套管重，其受力最大，其中在井口受力達到86 t，而其他三種井身結構的受力相差不大(見圖3)。

1.2 扭矩分析

鉆進過程中，在造斜段前扭矩保持定值，隨著井深加深，扭矩逐漸減小；同等條件下，井身結構1的扭矩值比其他三種井身結構都大；三種小井眼井身結構中，扭矩值相差不大，但井身結構4略大于其他兩種(見圖4)。

1.3 側向力變化

隨著井深逐漸加深，側向力呈現出不變、增大、減小、不變、增大、減小的總趨勢(見圖5)。其中，井身結構1的側向力均明顯大于其他三種小井眼井身結構的側向力，而其他三種井身結構側向力基本相同[12-13]。

1.4 泵壓變化

鉆進過程中，隨著排量增大，泵壓逐漸增大，但實現井眼清潔的最小排量不盡相同[14-15]，井身結構1所需要的最小排量為1.5 m3/min，而其他三種小井眼井身結構所需要的最小排量為0.8 m3/min。同時，在相同排量下，采用小井眼井身結構，泵壓均比常規的井身結構1泵壓高，其中，井身結構2的泵壓最高，當排量在1 m3/min，泵壓可以達到16.3 MPa，其他三種井身結構的泵壓均不超過10 MPa(見圖6)。

1.5 固井井底ECD變化

在固井過程中，隨著井深增加，ECD值逐漸增大[16-18]；不同井身結構，ECD值不同，表現出的規律是：井身結構2的ECD值>井身結構4的ECD值>井身結構3的ECD值>井身結構1的ECD值。其中，井身結構2進行固井時，現場發生過因井底ECD過大壓漏地層的情況(見圖7)。所以，為了避免井底ECD過大，需要控制ECD值在1.88 g/cm3以下。

1.6 成本

1)鉆井液用量。對不同井身結構的鉆井液用量進行計算，小井眼井身結構使用的鉆井液用量比井身結構1的用量少，井身結構1共使用鉆井液113.9 m3(一開16 m3、二開97.9 m3)，井身結構2使用鉆井液57.9 m3(一開7.7 m3、二開50.2 m3)，減少了57.9%；井身結構3使用鉆井液79.8 m3(一開16 m3、二開63.8 m3)，減少了29.94%；井身結構4使用鉆井液67.1 m3(一開9.6 m3、二開57.5 m3)，減少了41.09%。

2)套管用量。井身結構1的套管用量最多，共使用套管68.66 t(一開11.34 t、二開57.32 t)，井身結構2使用45.42 t(一開6.30 t、二開39.12 t)，減少了33.86%；井身結構3使用50.46 t(一開11.34 t、二開39.12 t)，減少了26.52%；井身結構4使用47.4 3t(一開8.32 t、二開39.12 t)，減少了30.92%。

1.7 對比小結

從管柱受力、扭矩、側向力、泵壓、固井井底ECD、成本等幾個因素，對4種井身結構進行綜合對比(見表1)，井身結構4具有比較好的優勢。在滿足降低作業難度和作業風險，提高作業效率的情況下，可以有效地實現降本的目的[19-20]。

表1 不同井身結構綜合對比分析表

注：√號表示該種井身結構更具有優勢。

2 現場應用

2.1 鉆井工期

4種不同井身結構鉆井工期對比如圖8所示。結果表明，使用井身結構1，折算2 000 m平均當量鉆井工期23.92 d；使用井身結構2，平均當量鉆井工期22.21 d；使用井身結構3，平均當量鉆井工期19.49 d；使用井身結構4，平均當量鉆井工期17.46 d；井身結構4相對于井身結構1，工期縮短了27%，說明井身結構4具有比較大的優勢。

2.2 機械鉆速

隨著井身結構的不斷改進，鉆進時的機械鉆速也呈現逐漸加快的趨勢(見圖9)。使用井身結構1，平均機械鉆速7.4 m/h；使用井身結構2，平均機械鉆速8.5 m/h；使用井身結構3，平均機械鉆速9.8 m/h；使用井身結構4，平均機械鉆速10.1 m/h；井身結構4相對于井身結構1，機械鉆速提高26%，說明井身結構4更利于實現增效目的。

2.3 鉆井成本

現場作業表明，使用井身結構4進行鉆進，可以有效減少鉆井液用量，巖屑產生數量減少40%以上；使用的鉆具和套管尺寸小，可以節省30%鋼材；對鉆機的要求降低，鉆井作業費得到了減少；對井場面積要求減少，更利于山區等土地匱乏地區的作業。

3 結論

經過改進的井身結構Ф311.15 mm×Ф244.5 mm+Ф215.9 mm×Ф139.7 mm，更適合目前神府區塊的致密氣鉆井作業。使用改進后的井身結構，可以有效提高機械鉆速26%，縮短工期27%；可以減少40%鉆井液用量，減少30%管材用量，達到實現降本的目的；可以有效解決固井中ECD較高產生的井漏問題。現場應用表明，改進后的井身結構可以在神府致密氣區塊推廣使用。