新疆油田某区块井身结构优化设计与应用_杨树东.pdf

2023 年 第 4 期 广 东 化 工 第 50 卷 总第 486 期 129 新疆油田某区块井身结构优化设计与应用新疆油田某区块井身结构优化设计与应用 杨树东1，武兴勇2，钟震2，宋琳2(1长江大学 石油工程学院，湖北 武汉 430100；2中国石油新疆油田分公司工程技术研究院，新疆 克拉玛依 834000)摘 要新疆油田某区块位于新疆准噶尔盆地西部，随着该区块勘探开发的不断深入，原有井身结构开始显现出复杂事故多、钻井效率低等问题。为了解决该区块中部地层泥岩水敏性强，井壁垮塌、钻头泥包频发以及下部地层存在异常高压，漏失严重的问题，根据室内岩石地应力实验结果及现场地层破裂试验，建立了该区块地层三压力剖面，为井身结构优化设计提供有关压力系统的理论依据。结合地质特征确定了该区块的地质工程必封点。根据地质工程必封点，以减少钻井复杂事故为目标，把原有三开井身结构优化为二开复合井眼井身结构。该区块应用优化二开复合井眼井身结构后，钻井中复杂事故明显减少，均顺利完成钻井作业，平均钻井周期由前期的 76 d 缩短为目前的 47 d，缩短 38.15%。这表明，该区块采用优化后的井身结构，成功降低了钻井复杂、提高了钻井效率。关键词井身结构；优化设计；地质特征；地层压力评价；钻井液体系优选 中图分类号TQ 文献标识码A 文章编号1007-1865(2023)04-0129-03 Casing Program Optimization and Application in an Oilfield in Xinjiang Yang Shudong1,Wu Xingyong2,Zhong Zhen2,Song Lin2(1.Petroleum Engineering College,Yangtze University,Wuhan 430100；2.Engineering Technology Research Institute of PetroChina,Xinjiang Oilfield Company,Karamay 834000,China)Abstract:With the continuous deepening of exploration and development of an oilfield in Xinjiang,the original wellbore structure began to show many problems such as complex accidents and low drilling efficiency,mainly due to the complex geological characteristics of the block and the lack of clear understanding of the formation pressure system.For this reason,the pore pressure,fracture pressure and collapse pressure of the formation are calculated by GMI software using the logging and logging data of the drilled wells,and the calculation results are corrected in combination with the lithological description of the formation and the results of the formation fracture test.The three-pressure profile of the block is obtained,and the geological engineering sealing point of the block is determined in combination with the geological characteristics.According to the necessary sealing points of geological engineering,the original third spud in wellbore structure is optimized to the second spud in composite wellbore structure with the goal of reducing complex drilling accidents.After the application of optimized secondary composite wellbore structure in this block,the complex accidents in drilling are significantly reduced,and drilling operations are successfully completed.The average drilling cycle is shortened from 76 days in the early stage to 47 days at present,which is 38.15%shorter.This shows that an oilfield in Xinjiang has successfully reduced the complexity of drilling and improved the drilling efficiency by adopting the optimized wellbore structure.Keywords:casing program；optimized design；geological characteristics；formation pressure evaluation；optimization of drilling fluid system 2020 年，新疆油田某区块钻井试验取得阶段性成果，但受到该区块复杂地质特征和压力系统的综合影响，钻井过程中漏失、坍塌、阻卡等复杂情况频发，钻井成本较高，不能满足低成本开发战略需要。为此，针对该井区钻井过程中的施工难题，本文系统分析了该区块地质特征对井身结构设计的影响，利用测、录井等资料建立了该区块三压力剖面，通过优化井身结构、强化钻井液堵漏性能等技术，不仅降低了该区块钻井过程中的复杂时率，而且提高了钻井效率，缩短了钻井周期，为整个区块的经济高效开发提供了保障，为区块后续高效经济开发提供了指导1-2。1 地质特征地质特征 1.1 地层压力评价 利用该区块已钻井的测、录井资料，应用 GMI 软件进行地应力建模，并与地层岩性描述、地层破裂试验结果结合对计算结果进行修正，得到了较为精确的地层三压力剖面，如图 1所示。由图 1 可知，该区块 03500 m 层段孔隙压力当量密度为1.001.10 g/cm3，破裂压力当量密度为 1.451.50 g/cm3，属于正常压力系统。35004500 m层段孔隙压力当量密度1.101.41 g/cm3，破裂压力当量密度 1.501.77 g/cm3，属于异常压力过渡带，该层段地层压力呈正常上升趋势，受地层岩性影响，坍塌压力有明显波动现象，为缩径、垮塌事故多发井段。45005500 m 层段孔隙压力当量密度 1.501.75 g/cm3，破裂压力当量密度1.771.98 g/cm3，属于异常高压段，该层段地层压力提升迅速，坍塌压力当量密度最大达到 1.78 g/cm3，若钻井液密度提升不及时，有井壁垮塌风险。综上所述，该区块全井段地层压力狭窄，45005500 m 层段发育有异常高压，为保证井壁稳定需使用 1.551.78 g/cm3钻井液钻进，接近上部地层破裂压力当量密度数值，易导致地层破裂引发漏失，井身结构设计难度较大。图图 1 新疆油田某区块三压力剖面新疆油田某区块三压力剖面 Fig.1 Three-pressure profile of an oilfield in Xinjiang 1.2 地质特征 该区块自上而下钻遇新近系(N)、白垩系(K)、侏罗系(J)、三叠系(T)、二叠系(P)地层，地层层序完整，各层段岩性特征如表 1 所示。收稿日期 2022-09-26 作者简介 杨树东(1996-)，男，河北任丘人，在读硕士研究生，主要研究方向为钻井工艺。广 东 化 工 2023 年 第 4 期 130 第 50 卷 总第 486 期 表表 1 新疆油田某区块地层岩性描述新疆油田某区块地层岩性描述 Tab.1 Lithology description of an oilfield in Xinjiang 地层 底界深度/m 岩性描述 新近系(N)1338 上部以褐灰色、灰褐色泥岩、粉砂质泥岩、砂质泥岩为主，夹褐灰、灰色泥 质粉砂岩薄层；下部为褐灰色、灰色泥质粉砂岩、含砾泥质粉砂岩、含砾泥 质细砂岩、含砾泥质粗砂岩与褐灰色、灰色泥岩、粉砂质泥岩、砂质泥岩互层 白垩系(K)2978 为褐灰色泥质粉砂岩、含砾泥质粉砂岩、泥质细砂岩、细砂岩、含砾泥 质细砂岩、砂砾岩与褐灰色泥岩、粉砂质泥岩、砂质泥岩、含砾泥岩互层 侏罗系(J)4048 以灰色泥岩、粉砂质泥岩为主，夹灰色泥质粉砂岩 三叠系(T)5176 以灰色、深灰色、褐灰色泥岩、粉砂质泥岩为主，夹灰色泥质粉 砂岩、粉砂岩、泥质细砂岩、细砂岩，局部夹黑灰色碳质泥岩 二叠系(P)5500 为深灰色、褐灰色、绿灰色泥岩、砂质泥岩与褐灰色含砾泥质细砂岩、砂砾岩不等厚互层 根据该区块已钻井复杂发生情况，分析该区块地层岩性可知该区块地层中岩性种类多、变化快，地层非均质性强；上部地层砂泥岩互层严重，胶结疏松，易垮塌缩径层系多，如侏罗系地层大段泥岩发育，岩石强度较低，且处于异常高压过渡带，垮塌风险高；中下部地层泥质含量高，水敏性强，极易吸水膨胀导致缩径引发提下钻阻卡或钻头泥包，且地层中砂岩层较多，对钻井液悬浮携砂能力也有较高要求3-5。1.3 井身结构设计影响因素 2020 年以前，该区块主要采用三开井身结构：339.7 mm+244.48 mm+139.7 mm，通过现场实施情况的跟踪分析认为常规三开井身结构虽然可以有效分隔不同体系和复杂地层，实现目的层的专层专打，符合现场安全钻井施工的要求，但也存在以下问题：(1)正常压力系统的中深井三开比例过高，井身结构单一，开次较多，钻井成本高6。(2)一开表层上部地层胶结松散，岩性主要为砂岩，易窜漏和垮塌。(3)二开大尺寸井眼过长。白垩系地层泥质含量高，水敏性强，易缩径和泥包钻头，侏罗系地层大段泥岩发育，岩石强度低，井壁稳定性差，垮塌事故频发，而二开设计深度为4600 m，311.15 mm 井眼长达 4000 m，钻进风险高7-11。(4)三开三叠系和二叠系地层存在异常高压，前期钻井作业对地层压力系统认识不清晰，钻井液密度处理不当，垮塌漏失等复杂情况多12-14。表表 2 三开井身结构数据表三开井身结构数据表 Tab.2 Data of three sections well structure 开次 钻头直径/mm 钻深/m 套管直径/mm 一开 444.5 600 339.7 二开 311.15 4600 244.48 三开 215.9 5500 139.7 图图 2 三开井身结构示意图三开井身结构示意图 Fig.2 Structural diagram of three sections well 2 井身结构优化井身结构优化 2.1 必封点确定 综合考虑该区块地层压力与地质特征的影响，为保障井壁的稳定性，确定以下 2 个地质工程必封点1,15-17：必封点 1：根据邻井实钻数据分析可知，新近系上部地层岩性主要为沙土、砂砾岩，胶结疏松，成岩性差。为避免浅部地层窜漏和垮塌，将必封点确定在新近系独山子组上部，封隔易塌易漏地层，为后续钻井创造条件，井深 600 m。必封点 2：白垩系和侏罗系地层泥岩发育，水敏性强，易缩径和泥包钻头，岩石强度低，井壁稳定性差易垮塌，且侏罗系下部地层进入异常高压层段，需使用 1.551.78 g/cm3钻井液钻进，而上部地层破裂压力当量密度仅为 1.501.77 g/cm3，容易导致地层破裂引发井漏。将三叠系上部定为必封点，封隔易塌易漏地层，保障目的层的安全钻进。随着国内外钻井液技术的提高，可以通过加入药剂的方式，改善钻井液的堵漏性能，将必封点 2 调整为风险点，以达到设计二开井身结构的目的。针对白垩系和侏罗系地层泥岩发育，水敏性强的问题，应加强钻井液的包被抑制能力。三叠系和二叠系地层砂泥岩交错，夹有砾石层，应改善钻井液的悬浮携砂和随钻封堵性能防止岩屑携带不及时导致钻井液不必要的浪费。钻进至45005500 m 层段时由于钻井液安全密度窗口较窄且存在异常高压，需加强钻井液承压堵漏能力并根据地层压力情况及时调整钻井液密度。2.2 设计井身结构 根据该区块已钻井的井身结构特点，新近系上部地层胶结松散，成岩性差，易塌易漏，一开采用 444.5 mm 钻头钻进到井深 600 m，下入 339.7 mm 的表层套管，封隔表层地层。二开先采用 241.3mm 钻头钻进三叠系中上部(4600 m)，然后用 215.9 mm 钻头钻进到完钻井深的设计值，139.7 mm 油层套管下至设计完钻井深，水泥浆返至最上部油气显示层以上100 m。二开复合井眼井身结构具体数据如表 3 所示。表表 3 二开井身结构数据表二开井身结构数据表 Tab.3 Data of two sections well structure 开次 钻头直径/mm 钻深/m 套管直径/mm 一开 444.5 600 339.7 二开 241.3/215.9 4600/5500 139.7 图图 3 二开复合井眼井身结构示意图二开复合井眼井身结构示意图 Fig.3 Structural diagram of two sections well 2023 年 第 4 期 广 东 化 工 第 50 卷 总第 486 期 131 2.3 钻井液体系优选 针对该区块中下部地层易塌易漏，地层压力系统复杂，钻井液安全密度窗口狭窄等技术难点，以加强钻井液包被抑制能力以及承压堵漏能力为原则对钻井液体系进行优化，满足二开井身结构设计需求，钻井液基本体系如表 4 所示。一开使用坂土+CMC 钻井液钻进，钻井液性能的调整以提高携砂能力为主，注意防漏、防窜。二开使用钾钙基聚磺钻井液体系，以 PMHA-2、KCl、有机硅抑制剂加强包被抑制，防止黏土水化膨胀；以 SP-8、复配铵盐降低滤失量，以 HY-2 调整流变性，以阳离子乳化沥青、超细碳酸钙改善滤饼质量，强化封堵；以低荧光润滑剂提升润滑性；通过 K+、Ca2+复配使用强化对井壁和钻屑的抑制作用；加入 3%磺化沥青粉增强体系的封堵能力和泥饼的密度，提高井壁稳定性；加入随钻堵漏剂(颗粒或纤维)2%3%、胶凝剂(如 1%ZL 或 0.5%APSORB-1、ZND)、凝胶纤维剂等，对地层中的裂缝进行先期封堵，提高钻井液的防漏性能。根据三压力剖面提供的钻井液安全密度窗口，结合邻井钻井液密度使用情况，二开先使用 1.101.50 g/cm3钻井液钻进至 4500 m，进入异常高压层段后逐渐调整钻井液密度值1.501.75 g/cm3，在保证井下安全的前提下，应尽可能使用设计密度的较低值，以预防压破上部低破裂压力地层引发井漏。表表 4 钻井液体系钻井液体系 Tab.4 Drilling fluid system 开次 钻井液体系 地层 钻井液密度/(g/cm3)粘切力/Pa 一开 坂土-CMC N 1.10 5 二开 钾钙基聚磺 NT TP 1.10-1.50 1.50-1.75 6 3 现场应用现场应用 二开复合井眼井身结构在近两年的实钻井中应用效果较为明显，优化后采用的二开复合井眼井身结构现场应用效果良好，垮塌井漏复杂降低，提速效果明显。平均机械钻速由3.29 m/h提高到 4.5 m/h，提高 36.78%；2021 年的钻井周期比 2020 年缩短了 38.15%。图图 4 井身结构优化前后钻井周期、机械钻速对比井身结构优化前后钻井周期、机械钻速对比 Fig.4 Comparison of drilling cycle and ROP before and after well structure optimization 2021 年在该区块实施开发井 7 口，其中 4 口井实现二开井身结构，钻井速度大幅度提升。2020 与 2021 年工效对比如图所示，2021 年较 2020 年勘探、评价阶段单井节约钻井工期29 d，纯钻时间提高了 74.35%。平均机械钻速由 3.29 m/h 提高到 4.5 m/h，提高 36.78%。单根钻进时间由 96.2 h 提升到129.09 h，提高 34.19%。2020 年平均处理复杂时间为 26.2 d，占总时间的百分比高达 29.75%，2021 年优化后的两口井只有很少的几次扩划眼，全井段无复杂事故，完钻顺利。4 结论结论(1)利用新疆油田某区块已钻井的测、录井资料结合室内实验分析，系统了解该区块地质特征及地层压力系统并建立了三压力剖面。主要表现为白垩系和侏罗系地层泥岩发育，水敏性强，易缩径和泥包钻头，岩石强度低且处于异常压力过渡带，井壁稳定性差易垮塌，三叠系和二叠系地层存在异常高压，钻井液安全密度窗口狭窄，井身结构优化难度大。(2)在该区块地质特征及地层压力系统的分析上，确定了 2个地质工程必封点作为井身结构优化的依据，通过加强钻井液包被抑制能力和承压堵漏能力对钻井液体系进行优化，并根据地层压力系数及时调整钻井液密度，实现在同一开次钻开中下部易塌易漏地层，将原有三开井身结构优化为二开复合井眼井身结构。(3)该区块应用优化后二开复合井眼井身结构的 4 口井平均钻井周期由前期的 76 d 缩短为目前的 47 d，缩短 38.15%，不仅有效降低了该地区钻井过程的复杂情况，而且减少一开次钻进作业和一层套管的下入程序，提高了作业效率。参考文献参考文献 1唐志军井身结构优化设计方法J西部探矿工程，2005，(6)：78-80 2王朋飞川东北深井超深井优快钻井关键技术研究D西南石油大学，2017 3韩天旺双梯度钻井条件下深水井身结构设计优化研究D中国石油大学(北京)，2020 4史配铭，李晓明，倪华峰，等苏里格气田水平井井身结构优化及钻井配套技术J石油钻探技术，2021，49(6)：29-36 5施览玲 东海西湖井身结构深度优化技术及其应用J 钻探工程，2021，48(10)：76-81 6朱忠喜，李思豪，关志刚，等 红 153 井区井身结构优化设计及应用J 钻采工艺，2018，41(6)：114-117 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