庫車山前鹽層隨鉆擴眼尺寸優化研究

周小君， 劉洪濤， 何世明， 周 波， 趙 力， 湯 明， 黃 韜

1中國石油塔里木油田分公司 2西南石油大學 3油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室

0 前言

塔里木庫車山前構造帶埋深4 000～6 800 m間鹽層廣泛發育，鹽下油氣約占總資源量38%[1]。山前構造應力加速鹽膏巖蠕變，常引發縮徑卡鉆及套管損毀等井下復雜[2- 4]。據不完全統計近年庫車山前鹽層常用井身結構?241.3 mm井眼共完鉆58井次，其中53井次發生因地層蠕變縮徑導致的鉆具阻卡和套管擠損等井下復雜，平均損失鉆時244.1 h。同時鹽層地應力異常導致鉆井漏失率超60%,固井質量合格率小于50%。為解決相關復雜情況并保障鉆井時效，庫車山前鹽層?241.3 mm井眼已成功應用Rhino XS擴眼工具隨鉆擴眼數30余井次、累計擴眼進尺超4 000 m。

隨鉆擴眼技術能有效增大?241.3 mm井眼環空間隙，降低卡鉆、套管擠損及溢漏風險，提高鹽層固井質量[5- 7]，但?241.3 mm井眼擴后井眼尺寸范圍為250～290 mm，擴眼尺寸范圍過大給后期固井施工帶來了諸多困難，也降低了經濟效益[8- 9]。因此，開展鹽巖蠕變、固井頂替效率和機械鉆速等多因素影響下的擴眼尺寸優化研究，明確庫車山前鹽層?241.3 mm井眼合理擴眼尺寸，對高效開發庫車山前鹽層油氣資源具有重要意義。

本文以庫車山前鹽層?241.3 mm井眼為研究對象，通過巖石力學室內實驗明確庫車山前鹽層力學參數及蠕變規律，建立鹽巖蠕變模型、固井頂替效率模型和隨鉆擴眼仿真模型優化?241.3 mm井眼擴眼尺寸，并通過現場應用論證了優化后擴眼尺寸的合理性。本研究的成果對庫車山前鹽層隨鉆擴眼作業具有重要指導意義。

1 考慮鹽巖蠕變的擴眼尺寸優化研究

為確定鹽巖蠕變對擴眼尺寸的影響，需先明確鹽巖的力學參數和蠕變規律。采用庫車山前新近系吉迪克組和古近系庫姆格列木群鹽巖巖心開展巖石力學參數和蠕變規律測試。鹽巖巖石力學參數測試結果為：密度1.96 g/cm3、單軸抗壓強度26.5 MPa、彈性模量28 GPa、泊松比0.22。

圖1為鹽巖蠕變測試蠕變速率隨時間變化曲線。如圖1所示：蠕變速率隨圍壓增大而快速增加；隨著時間增加，蠕變速率逐漸趨于恒定。通過蠕變速率擬合發現，庫車山前鹽巖蠕變規律與Heard模型吻合較好，即：

圖1 鹽巖蠕變速率-時間變化關系圖

式中：εs—穩態蠕變速率，s-1；R—摩爾氣體常數(R=1.987 cal/mol/K)；σ—差應力，MPa；T—熱力學溫度，K；t—時間，s。

以鹽巖蠕變模型為基礎，利用Ansys建立蠕變仿真模型系統分析鹽層蠕變情況。其它基礎參數：鉆井液密度2.25 g/cm3，溫度168 ℃。圖2給出了仿真模擬結果，由圖2可知：鹽層穩態蠕變速率為0.078 mm/h，庫車山前鹽層下套管和注水泥漿作業時間4～7 d，得到固井期間鹽巖蠕變位移7～13 mm，即考慮鹽巖蠕變的最小擴眼尺寸為249～254 mm。

圖2 鹽膏巖蠕變仿真模型計算結果

2 考慮頂替效率的擴眼尺寸優化研究

固井中注水泥漿的頂替效率是保證固井質量的關鍵，套管偏心度是影響頂替效率的重要參數之一。頂替時，套管偏心會使環空間隙大小不一，導致窄間隙處流動阻力大、頂替效率低[10]。擴眼后井眼尺寸增大，而套管扶正器尺寸仍為原井眼所對應的扶正器尺寸，導致擴眼后套管偏心度增加。雖然擴眼能增大環空間隙，但也會導致套管偏心度增大，從而影響頂替效率，因此需要建立考慮頂替效率影響的擴眼尺寸評價方法。綜合考慮擴眼尺寸和偏心率影響的頂替效率評價模型為[11- 13]：

▽·S=-f,σ>0

(1)

(2)

由圖3可知：套管偏心度隨擴眼尺寸的增大而增加，頂替效率隨偏心度的增大而降低。以頂替效率85%為判斷依據，得到?241.3 mm井眼中考慮固井頂替效率影響的擴眼后井眼尺寸不大于270 mm。

圖3 頂替效率和擴眼尺寸與套管偏心度的變化規律

3 考慮機械鉆速的擴眼尺寸優化研究

為進一步探究?241.3 mm井眼不同擴眼尺寸對隨鉆擴眼機械鉆速的影響，本文研究在考慮蠕變和頂替效率的基礎上，采用Abaqus動力學仿真軟件建立隨鉆擴眼仿真模型模擬?241.3 mm井眼鹽層段隨鉆擴眼作業過程。

根據山前鹽層地質特征和?241.3 mm井眼完鉆擴眼井實鉆情況，隨鉆擴眼仿真模型參數設置為井溫168 ℃、鉆井液密度2.25 g/cm3、鉆壓95 KN、轉速100 r/min及機械鉆速5～15 m/h。

隨鉆擴眼仿真模型模擬結果如圖4所示。由圖4可知：地層應力隨機械鉆速和擴眼尺寸的增大而增加，當擴眼尺寸大于270 mm后，地層應力變化趨于平緩，因此，建議擴眼尺寸不超過270 mm。

圖4 隨鉆擴眼仿真模型模擬結果

綜合考慮鹽巖蠕變、固井頂替效率和機械鉆速影響下的?241.3 mm井眼擴眼尺寸推薦為254～270 mm，建議擴眼尺寸采用推薦擴眼尺寸的上限值。

4 現場應用

A井為庫車山前的一口定向井，?241.3 mm井眼鉆遇新近系和古近系鹽層，采用Rhino XS 9250型擴眼工具擴眼至266.7 mm，采用密度為2.07～2.27 g/cm3的欠飽和聚磺鉆井液，實鉆黏滑指數0～0.2，機械鉆速5～12 m/h，轉速77～95 r/min，鉆壓39～89 kN。擴后井眼尺寸262～293 mm，絕大部分井段井眼尺寸大于266.7 mm，表明該方法能有效擴大井眼尺寸；局部區域擴徑相對較大為欠飽和聚磺鉆井液溶解鹽巖所致見圖5。

圖5 A井隨鉆擴眼井段實鉆數據

圖6為擴眼井A與未擴眼鄰井B井實鉆參數對比，?241.3 mm井眼擴眼至266.7 mm時的黏滑指數和機械鉆速與鄰井差異小，庫車山前鹽層段?241.3 mm井眼實際擴眼尺寸266.7 mm與理論預測擴眼尺寸吻合，表明庫車山前鹽層段將井眼尺寸隨鉆擴至266.7 mm是科學合理的。

圖6 A井與未擴眼鄰井B井實鉆情況對比

表1為A井隨鉆擴眼后同返速下固井ECD變化情況。固井同返速條件下，擴眼后環空ECD最大降低0.052 g/cm3，更有利于預防固井井漏[14- 15]。

表1 A井隨鉆擴眼后固井ECD變化情況

圖7為A井?241.3 mm井眼隨鉆擴眼后尾管固井質量與鄰井情況對比圖。隨鉆擴眼后，A井尾管固井質量合格率為88%、優質率為55%，較同區塊鄰井平均固井質量合格率和平均固井質量優質率分別提高49%和39%。隨鉆擴眼技術有效保障鹽層段固井質量，為后續采油氣施工創造了前提條件。

圖7 隨鉆擴眼后A井尾管固井質量與鄰井對比情況

5 結論

(1)?241.3 mm井眼考慮鹽巖蠕變影響的最小擴眼尺寸為254 mm，考慮固井頂替效率和機械鉆速影響的最大擴眼尺寸為270 mm；綜合以上因素影響的庫車山前鹽層?241.3 mm井眼推薦擴眼尺寸為254～270 mm。

(2)庫車山前構造A井鹽層段?241.3 mm井眼擴眼至266.7 mm，與推薦擴眼尺寸吻合；擴眼后同返速下固井ECD最高下降0.052 g/cm3，固井質量合格率及優質率較同區塊鄰井分別提高49%和39%，表明庫車山前鹽層段將井眼尺寸隨鉆擴至266.7 mm是科學合理的。