高壓巨厚鹽膏層大斜度井工程設計優(yōu)化

郭世侯, 趙 渝, 靳東旭

1中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院2國家能源高含硫氣藏開采研發(fā)中心鉆完井工程技術研究所 3中國石油川慶鉆探國際工程公司

0 引言

SHojb-102D 井是土庫曼斯坦南霍賈姆巴茲氣田上一口大斜度定向井，該井地質預告鹽膏層厚度達到1 085 m，在上鹽層中鉆遇高壓鹽間水的機率很大，且地質上渴望用大井斜角增加儲層長度，以提高單井產量和該氣田的最終采收率。針對地質上對該井的一些特殊要求，工程上做了大量分析研究，經過與地質方面的多次探討，最終完成了該井工程設計的優(yōu)化工作。

1 SHojb-102D井地質簡介

1.1 SHojb-102D井地質分層

SHojb-102D井的地質分層情況見表1。

表1 SHojb-102D 井地質分層數據表

1.2 地層情況簡介

(1)基末利階為巨厚鹽膏層，是區(qū)域蓋層[1]，也是高壓層，極易塑性變形，其中的高壓鹽水涌出后易造成鹽析卡鉆，是鉆井施工中最易造成井下復雜的地層段，前蘇聯(lián)時期在該區(qū)用直井鉆探，因遇高壓鹽水浸、鹽膏層縮徑卡鉆、擠毀套管、固井失敗、井噴等多種原因，鉆井成功率只有40%左右，沒有鉆探定向井先例。鄰井SHojb-21 井在上鹽層段鉆遇鹽間高壓水層，鉆井液密度由1.87 g/cm3提高到2.45 g/cm3才恢復正常。鄰井Hojb-7、Hojb-9井都因鉆遇鹽間高壓水層，出現(xiàn)鹽結晶堵塞，導致兩井報廢。該井預計在上鹽層段鉆遇鹽間高壓水層可能性很大，在下石膏段鉆遇鹽間高壓水層的機率比較小，井段2 940～4 035 m按鉆遇鹽間高壓水層設計，設計壓力系數 2.20(可能范圍 1.90～2.30)。

(2)南霍賈姆巴茲氣田卡洛夫-牛津階屬區(qū)域性高壓氣藏，其中XVhp層為灰?guī)r，是主要儲層。SHojb-102D 井儲層孔隙、裂縫均較發(fā)育，屬于裂縫—孔隙型儲層。

(3)SHojb- 102D井處在一個獨立高點，地質風險比較大，根據儲層預測結果，定向方位調整范圍不大，因此對靶區(qū)要求高，要求用雙靶來控制儲層軌跡。

(4)SHojb- 102D井純氣高度90 m左右，可支用產層垂厚69 m；對于儲層垂厚只有69 m，又希望儲層水平段長達472 m，經計算，全井最大井斜達到80°以上，實現(xiàn)大井斜矢量入靶才能確保中雙靶，工程設計上需要考慮到各種異常情況，優(yōu)化井身結構及井眼軌跡，盡量滿足地質要求。

(5)南霍賈姆巴茲氣田之前只完成了2口井，直井SHojb-21 井產層長40 m與40°小角度斜井SHojb-101D井產層長89 m均獲較好產能。因此，預計該井產量大，儲層盡量用?215.9 mm井眼施工，以利于后期生產和儲層改造。

(6)本構造天然氣中含H2S和CO2。H2S含量 0.009 8%(0.150 9 g/m3)，CO2含量 3.506 4%(68.725 g/m3)。

(7)從過 SHojb-102D 井地震偏移剖面來看，井區(qū)淺層白堊系地層產狀為向上傾斜地層，上部井段容易井斜也是工程設計需要考慮的問題之一。

1.3 區(qū)域工程設計通用要求

(1)土庫曼斯坦阿姆河右岸氣田普遍存在基末利階，一般都要求用?311.2 mm井眼鉆至下石膏底部，下?250.8 mm厚壁套管封固易蠕變的鹽膏層，儲層使用?215.9 mm井眼完成。

(2)無鹽間高壓水層的定向井，造斜點一般都選在鹽膏層中[2]，以減少井眼軌跡控制井段長度。

(3)有鹽間高壓水層的定向井，如果鹽膏層只有500～600 m，一般要求在進入高壓層前完成定向施工，在高壓層段使用穩(wěn)定器組合控制井斜，用?250.8 mm技術套管封固高壓水層后，在?215.9 mm井段再次定向施工。主要原因是在?311.2 mm井眼使用的螺桿鉆具在密度2.35 g/cm3左右條件下，泵壓高、排量小、輸出扭矩小、螺桿易制動，螺桿壽命極短，最短的只有幾小時，不能滿足定向施工的要求。

(4)?215.9 mm井眼使用的螺桿鉆具在密度2.35 g/cm3左右條件下能夠正常工作，使用壽命一般可達100 h左右，基本能夠達到定向施工的要求。

(5)石膏層易蠕動縮徑，應減少滑動鉆進，增加復合鉆進，同時，要勤劃眼、勤活動，這就要求在石膏層中不能設計太高的造斜率[3]。

(6)既有鹽間高壓水層，又存在巨厚鹽膏層的井，一般在鹽層段不設計井斜大于60°的定向井。

(7)石膏層段特別是下石膏層可鉆性差，鉆井周期很長。

2 SHojb-102D 井難點分析

(1)該井鹽膏層厚，儲層埋藏深，用大斜度井開發(fā)，造成總井深較大,在有限的定向井段很難達到定向井矢量入靶的要求。

(2)該井上鹽層段為高壓層，下鹽層段為可能高壓層，如果定向井段選在進入高壓層前完成，必然造成用大斜度穿越厚達420 m的下石膏層段，使得下石膏層井段很長，大尺寸井眼、大井斜角條件下，不帶螺桿的鉆具組合施工很困難，易出現(xiàn)卡鉆、斷鉆具等事故。

(3)儲層易井漏，高濃度堵漏劑的使用限制了隨鉆定向儀器的使用，也限制了把儲層段作為定向增斜的設計井段。

(4)如果在下石膏頂部下入技術套管，封固高壓層，造斜點選在下石膏，由于石膏層段中造斜率低，井段長度難保證該井段增斜到60°以上，如果直井段沒鉆直，還需兩次扭方位作業(yè)才能保證中雙靶，大井斜條件下扭方位作業(yè)更是困難重重。

(5)如果在中石膏層段中部下入技術套管，封固高壓層，造斜點選在下鹽中，一方面不能完全保證技術套管能封住高壓層，且高密度固井本身很困難；另一方面也不能完全排除下鹽層段中無鹽間高壓水層。

(6)在中石膏層段提前下入技術套管后，在下鹽層段和下石膏層段鉆進期間，如果鉆井液密度不能降低到與產層鉆井液密度相一致，則需要鉆至下石膏層段底再下一層技術套管，儲層被迫用?149.2 mm井眼鉆進。

(7)本區(qū)域儲層用?149.2 mm井眼鉆進屬于極少情況，儲層易漏，平時沒有儲備該井眼的定向工具，如要采購，采購周期也很長。

3 設計方案對比分析

針對以上難點及地質需求，對比分析了3種設計方案。

3.1 進入高壓層前完成定向施工的可行性

根據地質上開始提出的要求：入靶點A點垂深4 045 m，出靶點B點垂深4 114 m，AB水平段長472 m。剖面設計思路：

(1)進入高壓層前，即在提塘階底部2 940 m以前完成第一次定向造斜。

(2)鹽膏層段用單穩(wěn)定器造斜，設計增斜率不高于該區(qū)已用單穩(wěn)定器增斜平均增斜率1°/30 m。

(3)第一次定向結束時實現(xiàn)一定的井斜角，既要避免井斜大導致的高壓層段的斜井段過長，又要避免井斜過小造成方位漂移太快。

(4)造斜段選用平均造斜率4.5°/30 m，為可能的扭方位留有斜地，同時避免后續(xù)井段長，起下鉆多，造成高井眼曲率井段鉆具事故和產生鍵槽。

(5)A點的井斜角也不能設計太大，否則，可鉆性差的下石膏層段井眼太長。

(6)在下石膏底部固?250.8 mm技術套管，然后在?215.9 mm井眼設計第二定向井段，第二定向井段的主要目的是：把井斜增到需要值，以便盡可能多的穿越儲層；調整長段單穩(wěn)定器組合鉆出井眼的方位漂移量，達到矢量入靶。設計軌跡見表2。

表2 在進高壓層前完成定向施工井眼軌跡設計剖面節(jié)點數據表

該設計方案優(yōu)點：

(1)能夠實現(xiàn)大井斜入靶，有利于鉆出較長的儲層段。

(2)技術套管下得深，能實現(xiàn)儲層專打，有利于應對儲層復雜。

該設計方案缺點：

(1)高壓層段為斜井段，且長達1 500 m以上，軌跡控制起來非常困難。

(2)斜井段為大尺寸井眼，泵壓高，排量受限，后期鉆具扭矩大，能蹩停頂驅，鉆進速度很慢，鉆井周期長，易出鉆井事故。

(3)鹽膏層易蠕動變形，易出卡鉆事故。

(4)儲層遇井漏，第二定向段存在不能全部實現(xiàn)的風險。

3.2 鉆過高壓層后立即下技術套管的可行性

該方案就是鉆完上鹽層，在中石膏中部下入技術套管,然后開始定向施工。具體剖面設計思路：①鉆完上鹽層段，進入中石膏層段中部即3 450 m左右下入?250.8 mm技術套管;②造斜點選在3 550 m，預留100 m垂直井段，以應對直井段未鉆直，產生了過大的閉合距需扭方位施工;③在下鹽層中定向，設計造斜率4.8°/30 m，防造斜率太高在下鹽層中產生鍵槽;④在下石膏層中設計小造斜率，以復合鉆進為主，有利于擴大井眼，減少黏附、縮徑卡鉆風險。

井眼軌跡設計剖面見表3。

表3 中石膏中部下技術套管設計剖面節(jié)點數據表

該設計方案優(yōu)點：

(1)定向井段采用?215.9 mm井眼施工，即使高壓層未封住，也能完成定向施工作業(yè)。

(2)下石膏層小造斜率設計，容易實現(xiàn)，能減少黏附、縮徑卡鉆風險。

(3)定向組合至少能使用到下石膏底，A點井斜角、方位角都能保證。

(4)儲層軌跡控制不受井漏、定向工具等因素的影響，能夠保證儲層段長度。

(5)下石膏層用小井眼施工，機械鉆速高，鉆井周期短。

該設計方案缺點：

(1)套鞋離高壓層井段短，對?250.8 mm套管固井施工要求高，不能封住高壓層的風險較大。

(2)在基末利階下鹽層段和下石膏層段鉆進期間，需在確保井下安全的條件下，驗證鉆井液密度能否降到與產層鉆井液密度大致一致。上鹽層段中的鹽間高壓水層未封住或下鹽層段中有鹽間高壓水層都會迫使在下石膏底再下一層技術套管，儲層只能用?149.2 mm井眼鉆進。

3.3 進入下石膏層后下技術套管的可行性

該方案進入下石膏層30 m即3 730 m固井，封固高壓層，然后在3 750 m開始定向施工，該設計剖面設計思路是：

(1)進入下石膏層30 m即3 730 m下入?250.8 mm技術套管并固井，封固高壓層。

(2)固井后鉆出20 m防磁干擾井段后，開始定向施工。

(3)在下石膏層中盡力增斜，鉆達A點時，井斜可達59°左右。

(4)儲層段考慮井漏，用單穩(wěn)定器強增組合增斜。

井眼軌跡剖面見表4。

表4 下石膏中下入技術套管設計剖面節(jié)點數據表

該設計方案優(yōu)點：

(1)高壓層被封住，可以實現(xiàn)定向造斜段與儲層段使用相同鉆井液密度，基本能保證儲層使用?215.9 mm井眼鉆進。

(2)鉆井液密度低，排量能達到螺桿使用要求，螺桿輸出扭矩大，壽命長，鉆井速度快。

(3)儲層軌跡控制不受井漏、定向工具等因素的影響，能夠保證設計儲層段長度。

該設計方案缺點：

(1)受石膏層易蠕動和儲層易漏的限制，造斜率已設計到最大，但仍然不能滿足AB段水平段長472 m的要求，只能達到141 m左右。

(2)這個設計方案還要求直井段要鉆直，盡量減少直井段產生的閉合距偏移，否則就沒有井段來扭方位施工，不能實現(xiàn)矢量入靶，這對于中雙靶有很大難度。

4 最終優(yōu)化設計方案

由于該井處在構造高點，儲層范圍較小，地質要求：①必須用雙靶點控制；②AB段水平段長至少200 m，在沒有井漏、溢流的情況下，盡量達到400 m；③儲層段盡量用?215.9 mm井眼鉆進，如遇井下復雜情況，可以增加一層套管，改為?149.2 mm井眼鉆進。

經與建設方多次商討，最終形成了風險較小、工程上容易實現(xiàn)的優(yōu)化工程設計。其井眼軌跡剖面見表5所示。

表5 SHojb-102D 井設計剖面節(jié)點數據表

該設計與上述第二方案基本相同。即在鉆完上鹽層段，在中石膏段中部下入技術套管。預留100 m扭方位井段后開始定向施工。鉆達A點井斜達到71°，即使在儲層不用定向組合只用穩(wěn)定器穩(wěn)斜組合，也能保證AB段水平段長超過200 m，用穩(wěn)定器增斜組合能夠保證AB段水平段長至少200 m的要求。

5 實鉆情況

該井用鉆井液密度2.35 g/cm3順利鉆過上鹽層段，并在中石膏層段成功固井，固井后逐漸降密度至1.98～2.03 g/cm3，并用?215.9 mm井眼順利定向增斜至GAP層，后換單穩(wěn)定器增斜鉆進，全井最大井斜78.5°，實現(xiàn)了AB水平段長276.1 m，該井達到了設計要求并獲得日產天然氣80×104m3高產。

6 結論和建議

(1)SHojb-102D 井是一口高壓巨厚鹽膏層大斜度定向井，軌跡控制與安全鉆井方面相互制約，存在很大困難。

(2)該井設計打破了技術套管下至下石膏層底、進入高壓層前完成定向等傳統(tǒng)做法，取得了較好效果。

(3)該井設計綜合考慮到了可能遇到的高壓、直井段不直、鍵槽、縮徑、井漏、鉆具事故等多種鉆井風險，兼顧了地質需求和鉆井安全的要求，整個施工過程順利，未出現(xiàn)任何事故，驗證了該工程設計的可行性。