48東營南坡鹽膏層深井井身結構優(yōu)化設計探討

1、東營南坡鹽膏層深井井身結構優(yōu)化設計探討邊培明劉曉艷唐志軍摘要：東營凹陷預測有利目標區(qū)在中央隆起帶鹽下深層，勝利油田鉆探濟陽坳陷 東營凹陷深層的最大難點是鹽膏層、膏巖層以及紫紅色軟泥巖層的鉆井問題，本 文針對鹽下深層鉆井完井的難題，通過對鹽膏層深層鉆井井身結構的調研與分 析，結合隨鉆擴孔等鉆井新技術的應用以及特殊高抗擠套管的要求，提出了東營 南坡鹽膏層深層井身結構的優(yōu)化方案，并對井身結構方案的配套技術進行了研 究，有利于深井復雜膏鹽層鉆井技術的提高。主題詞：鹽膏層 井身結構 隨鉆擴孔 套管設計 厚壁套管 1概述多年來，勝利油田鉆探濟陽坳陷東營凹陷深層的最大難點是鹽膏層、膏巖層 以及紫紅色軟泥巖層

2、的鉆井問題，東營南坡鹽膏層的沉積順序從上到下依次為： 膏-鹽-膏、泥-砂巖，鹽巖在中間。以郝科1井為例，鉆遇的鹽膏層井段是：鹽 層頂界3395.5m，鹽層底界4250m，總厚度854.5m。其中，最復雜的是紫紅色軟 泥巖層，井段從37913858m，厚度67m。鹽膏井段的鉆井和完井技術一直是比 較復雜的問題，不同區(qū)域、不同地層成巖環(huán)境、巖性組成有所不同，但在工程上 表現(xiàn)出共有的特征，一是塑性蠕變，鉆井過程中會造成縮徑、卡鉆，下套管固井 后會造成套管變形或擠毀；二是鹽膏層塑性流動，鹽巖易溶解的特點造成地層不 穩(wěn)定，井徑不規(guī)則，增加了鉆井過程中不確定因素，增加了鉆井風險。鹽膏層井 身結構必須充分考

3、慮到地層的復雜性，包括非鹽膏層井段，如高壓鹽水層的發(fā)育、 構造特點與地層的穩(wěn)定性等。由于地質情況復雜、鉆井周期長，鉆具使用安全以 及鉆進對套管的影響（如鉆具偏磨）也應予以考慮。針對鹽膏層易蠕變、易溶解、易垮塌、易擠毀等特點，鉆鹽膏層井存在如下 幾個核心的技術問題，也是保證安全鉆井的關鍵問題：鉆達完鉆層位、完成鉆井地質目的對井身結構方案提出擴大一級或采用 大尺寸套管封鹽層、為鹽下地層鉆進預留調整空間的要求。長裸眼高密度鉆進與鹽上地層易漏的矛盾，以及鉆井過程中縮徑、卡鉆 的風險。大尺寸套管環(huán)空間隙小，剛性大，采用高密度鉆井液，套管通過鹽上易 漏井段與不穩(wěn)定地層安全下入并保證其封固的風險與難度。如何

4、成功地鉆探和有效地封隔鹽膏層，是東營凹陷深層取得勘探進展的關 鍵。2井身結構設計原則綜合分析鹽膏層特點，在充分調研分析各地區(qū)鹽膏層已完鉆井成功經驗的基 礎上，研究制定井身結構基本設計原則：根據(jù)構造特點與地層特征，結合鉆井地質目的與完成該目的的總體工程 方案，確定封隔鹽層的套管及其上層套管下深，鹽層上部盡量下技術套管，保證 安全鉆井，防止由于井身結構不合理給鉆井施工或事故處理增加困難，保證地質 目的的實現(xiàn)。井身結構設計必須充分考慮到濟陽坳陷東營凹陷深層的復雜性，必須考 慮到層位與井深的預測誤差，應為井身結構調整留下空間（包括鉆井深度的調 整）。上層套管下深必須保證使用高密度鉆井液時，管鞋以下地層

5、不被壓漏。鹽下地層復雜，采用高密度鉆井液鉆鹽膏層時，準確掌握鹽膏層厚度， 準確預測鹽下地層特性與壓力情況，在鉆穿鹽膏層后，鉆達目的層段之前及時下 入套管，轉換鉆井液體系，避免鉆入下部易漏地層，對于安全鉆進意義重大。根據(jù)情況盡量縮短裸眼段長度，確保裸眼段可以承受高的壓力，如在裸 眼井段出現(xiàn)低壓力點，則應采取封堵措施，提高裸眼井段承受能力，確保安全鉆 穿鹽層。3井身結構優(yōu)化設計思路考慮膏鹽層蠕動對鉆井工程施工和完井質量的影響，使用大壁厚、高抗 擠套管封隔鹽膏層是鹽膏層鉆井井身結構的關鍵。從國內外鹽層鉆井情況分析， 結合東營南坡鹽膏層的埋藏深度及性質，本層技術套管在鹽層井段可選用中 273.1mm和

6、中250.8mm兩種規(guī)格，中273.1mm大壁厚、高抗擠套管剛性大，抗外 擠強度大，但環(huán)空間隙小，對井身質量要求高，下入風險很大；中250.8mmX 15.88mm高抗擠套管抗外擠能力弱，而相對中273.1mmX24.38mm高抗擠套管下入 風險小?？紤]套管安全因素、間隙與下入風險，東營南坡鹽下深井選取中250.8mm 高抗擠、大壁厚套管封固鹽膏層的方案，采取隨鉆擴孔結合鉆后擴孔的措施?？?慮鉆機負荷、鹽膏層蠕動速度與安全時間等因素，鹽膏層段套管采取先懸掛而后 回接的方式。在進行鹽膏層井段鉆井前，先將上部欠壓實、地層承壓能力低、易分散 造漿、易水化膨脹、易阻卡的砂泥巖井段封固，以減小下開次鉆井

7、的壓力與風險。由于鹽膏層段上下地層依然存在較強的不穩(wěn)定性，易造成井徑不規(guī)則， 卡鉆、埋鉆。厚壁或高強度套管的長度相比鹽層總厚度上下應各超過50100m， 以保證鹽下地層安全鉆進。在鹽上20m土以前相對采用低密度鉆井液，鉆達鹽上20m土時，轉換鉆井 液并逐漸加重至鹽膏層井段鉆進設計值，并對裸眼井段進行堵漏、驗漏工作，提 高地層承壓能力。鉆井過程中應適時、合理調整鉆井液密度，在有效抑制鹽膏層 的塑性蠕動和鹽膏井段地層的不穩(wěn)定的同時，有效控制或預防漏失；適度控制鹽 巖的溶解程度，有益于縮徑的控制。根據(jù)鹽層蠕變的理論研究，鹽膏層井段套管設計時，使用上覆巖層壓力 代替地層孔隙壓力進行計算，國內外一般取值

8、2.312.71g/cm3,或直接按上覆鹽 層密度取值，此理論基于外載均勻的前提；但近年來國內外對套管抗擠強度的大 量研究表明，大多數(shù)套管損壞是由非均勻外擠載荷引起的，地層各向應力對套管 施加的非對稱壓力和剪切力易造成套管失穩(wěn)，甚至破壞，設計中應予以考慮。保證固井質量至關重要，應強化鹽層固井工藝與措施，同時應配套防漏 堵漏工藝與措施，在確保堵漏效果前提下，進行下套管固井作業(yè)；采用懸掛后回 接的方式，采用雙密度雙凝水泥漿固井，既要保證鹽膏層段的固井質量，又利于 漏失的控制，同時還必須考慮到液柱對鹽層的抑制?？紤]到鉆具對套管潛在的磨蝕損害，應考慮保護套管的措施，特別是鹽 膏層段套管的保護。技術套管

9、剛性大，相對未擴孔井段環(huán)空間隙小，為保證其下入，在解決 鹽上地層易漏問題的同時，充分保證井身質量至關重要。鉆井液技術是解決長裸眼鉆鹽膏層漏失、阻卡、縮徑等問題并確保大尺 寸套管下入的關鍵技術，鉆井液設計必須有針對性考慮可能面對的重要技術問 題。使用中215.9mm鉆頭鉆鹽下地層至目的層，中177.8mm尾管應考慮重疊過 鹽層，為套管安全提供雙層保障，以提高鉆井、完井安全可靠性。4井身結構優(yōu)化設計方案鹽膏層鉆井套管封隔方案的選擇必須根據(jù)實際工程條件，結合鉆井地質目的 進行制訂。結合國內外鹽層鉆井的成功經驗，研究確定采用上部裸眼揭示鹽膏層的井身 結構，即中339.7mm技術套管封過沙三中地層，用中

10、311.2mm鉆頭鉆進全沙四段 鹽膏層井段底部，根據(jù)井徑情況采用隨鉆擴孔或鉆后擴孔對鹽膏層井段擴孔，以 提高鹽層段的井眼與套管間隙，為本層技術套管的成功下入和固井質量的保障提 供技術支撐，最后使用中215.9mm鉆頭打至目的層，掛中177.8mm尾管完鉆。該方案存在成本高、技術要求高、鹽上裸眼揭示鹽膏層難度高、風險大等問 題，特別是三開上部裸眼段防卡堵漏提高地層抗壓能力以及外加厚大尺寸大剛性 套管安全下入兩大重點技術的保證。此方案技術難點在于中444.5mm鉆頭進尺長，地層巖石的硬度和強度較大， 導致大直徑鉆頭機械鉆速下降，造成鉆時加長；鉆井設備動力不足，給鉆井參數(shù) 優(yōu)選和水力能量的提高帶來困

11、難；中127mm鉆桿強度不能滿足鉆進扭矩傳遞的要 求；鉆井液浸泡時間加長，井壁不穩(wěn)定性增加，形成未知風險等。具體井身結構設計方案為：一開中660.4mm鉆深302m，中508mm表層套管下全明化鎮(zhèn)組上部，有效封 隔地表疏松地層，建立二開井口；二開中444.5mm鉆至沙三中地層，下中339.7mm套管封固上部欠壓實、易 分散造漿、易水化膨脹、易阻卡的地層，水泥漿返至地面。此時隨井深的增加， 地層成巖性漸好，且泥巖成份漸增，承壓能力隨之增加，下中339.7mm套管封過 沙三中地層，可作為三開使用高密度鉆井時，管鞋以下地層不被壓漏的保障；從郝科1井實鉆資料及本地區(qū)已完鉆井實鉆資料分析，沙三中部有一大

12、段砂 巖層，易漏，中339.7mm套管必須封過此段地層，以減少下部高密度鉆井時壓漏 鹽上地層的風險?？紤]中444.5mm井段過長、破巖工作量大、機械鉆速低，可參考使用中406.4mm (16)鉆頭完成二開鉆進。三開采用中311.2mm鉆頭鉆進，技術套管下全沙四段鹽膏層以下50m，封 鹽膏層段，避免進入砂巖發(fā)育、易漏失層段，套管采取中244.5mm(9 5/8 )+中 250.8方案，以中273.1mm高抗擠、大壁厚套管封固鹽膏層作為后備方案。四開采用中215.9mm鉆頭鉆至目的層，采取掛中177.8mm尾管的方式，選 取尾管與上層套管重疊段過鹽膏層段的方案，座掛位置選在鹽膏段以上100 m土，

13、 注意避開套管接箍。5方案實施技術保障裸眼鉆鹽層與鹽層專打專封相比風險較大，主要表現(xiàn)在鹽上地層裸眼井 段承壓能力差，巖性變化大，且三開將面對鹽上地層漏、坍、卡與鹽層塑性蠕動 等問題；中250.8mm套管外徑大，相對中311.2mm井段環(huán)空間隙小，優(yōu)質鉆井液 是保證三開鉆井、保證中250.8mm大尺寸套管順利下入的基本保障。技術處理上 一般按兩步走，既鹽前鉆井技術和鹽層鉆井技術。鹽前鉆井技術的重點是鉆遇鹽層后立即停止鉆井，對裸眼井段進行抗壓處 理，因為鹽層鉆進要使用較高的鉆井液密度，如果即使進行堵漏后地層仍不能承 受鹽層鉆進時的高密度，應調整方案，將長裸眼鉆鹽層方案轉化為鹽層專打專封 方案，即下

14、套管后再鉆鹽層。如果地層具備（或經過堵漏以后具備）承受鹽層鉆進時的高密度的能力， 則轉換適合鹽層鉆進的鉆井液體系后進行鹽層鉆進。鹽上地層主要為砂泥巖互層，易漏失，與鹽膏層在同一個井眼揭示，采 用高密度鉆井液鉆鹽膏層時，上部地層的漏失將是該井段鉆井將面對的嚴重問 題，鉆井液設計必須細化驗漏、堵漏要求，有針對的進行防漏、堵漏設計，揭示 鹽層前驗證并強化地層承壓能力，在鉆井過程中隨時作好防漏、堵漏工作。由于鹽下地質情況復雜，有高壓鹽水層存在的可能，且地層壓力變化大， 若預計完鉆井深7000m，則四開進尺2700m，在如此長的鉆進過程中若鉆遇復雜 地層或高壓油氣層，很有可能無法順利鉆達目的層，此時應將

15、井身結構下部方案 進行相應調整：將中215.9mm井眼擴孔為中241.3mm，并提前下入中193.7mm尾管， 然后用中165.1mm鉆頭鉆下部復雜地層，掛中127mm尾管完鉆。采用外加厚高抗擠套管以及快速完成下開次及時重疊（相當于雙層套管） 作為該方案套管安全的兩個重要措施。鹽膏層段套管設計是完全基于套管外擠載荷均勻的受載條件，因此鉆井、 固井施工必須采取措施，確保外擠載荷均勻這一基礎條件的實現(xiàn)，固井質量的保 證、水泥環(huán)厚度與強度都是保證均載實現(xiàn)的重要條件。隨鉆擴孔有利于鹽膏層鉆進過程中的安全，另外，環(huán)空間隙增大可以為 套管安全提供有利條件，同時有利于降低環(huán)空摩阻，使用（P 250.8mm大

16、壁厚、高 抗擠套管時，該類型套管對應井段全擴孔更成為必要。因此將之作為鹽膏層安全 鉆井的重要措施。該方案考慮了探井層位預測深度誤差與井深調整因素。各開次上層套管 下深如達到了設計預封要求與目的，鉆井深度可以根據(jù)實鉆地層變化進行必要的 調整。如各開次鉆井施工中出現(xiàn)問題，要求提前下入套管，而且不能達到設計預 封要求與目的，可以對套管下入方案進行調整，但應對原預封位置與要求進行重 新確認。6鹽膏層段套管選擇膏鹽層井段套管柱根據(jù)需要可選擇厚壁套管、高抗擠強度套管和水泥封固 的多層套管柱。厚壁套管：厚壁套管抗點載荷能力與鋼材強度和管子的厚度的平方成正 比。為了提高抗點載荷應力，增加管壁厚度要比增加管子的

17、強度更有效。但厚壁 套管的剛性大，是一般套管的1.52.5倍。為了減少鉆井卡鉆危險和使套管順 利下入井眼，鉆井時要嚴格控制狗腿度。高抗擠強度套管：套管的抗擠強度與使用的鋼材的最小屈服強度成正比。 這種套管一般使用韌性強、強度大的鋼材制成。它的使用范圍可用于3000m以上 的高壓深井。對點載荷的承受能力與鋼的抗拉強度成正比。但這種套管承受沖擊 載荷的耐腐蝕能力差，在現(xiàn)場焊接、維修和側鉆比較困難。多層套管：其內層套管通過固結的水泥給外層套管一個附加支撐力。它 的抗擠強度比前兩種套管都高。在使用多層套管柱的井眼中，若有局部的套管被 擠毀，可通過補注水泥的方法提高它的強度。但這種套管使側鉆、測井和射孔增 加了困難，而且費用高。當處于膏鹽層段的技術套管或尾管強度達不到設計要求 時，可選擇使用多層套管。上述三種套管中，如果受到的是勻質擠壓載荷，它們的抗擠強度均可滿足。 但在抗勻質載荷中，用高級鋼材制造的厚壁套管的抗擠強度最大，其次是多層套 管，最后是高抗擠強度套管。對于中等大小的非勻質載荷來說