耿立軍蔡金亮王曉鵬馬立(.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司， 天津 300459；.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司， 天津 300459)

渤海油田探井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化可行性研究

耿立軍1蔡金亮1王曉鵬1馬立2(1.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司， 天津 300459；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司， 天津 300459)

在國(guó)際油價(jià)持續(xù)低位徘徊的大環(huán)境下，鉆井成本控制也越來(lái)越嚴(yán)格。本文著眼于小井眼鉆井技術(shù)，從井壁穩(wěn)定性、固井質(zhì)量、鉆井工藝、套管校核、水力參數(shù)、摩阻扭矩等方面，分別論證渤海地區(qū)優(yōu)化后的小井眼井代替常規(guī)經(jīng)驗(yàn)井身結(jié)構(gòu)的可行性。得出了小井眼井更有利于井壁穩(wěn)定和提高機(jī)械鉆速；滿(mǎn)足固井質(zhì)量要求；鉆具組合及配套工具無(wú)需特別定制；水力參數(shù)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求；具有更小的摩阻扭矩值等結(jié)論。通過(guò)與常規(guī)井身結(jié)構(gòu)井的對(duì)比分析，優(yōu)化后的小井眼井極大降低了作業(yè)成本，可以在渤海地區(qū)逐步推廣應(yīng)用。

小井眼;探井;井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化;降本增效

Abstract:In the general circumstances of international oil price which remains lows,the control of drilling cost is more and more strict. This article focuses on the technology of the slim hole drilling,From the wellbore stability,cementing quality,drilling process,casing check,the hydraulic parameters,friction torque and so on,All of them prove respectively that feasibility of that optimization of slim hole which which conventional experience well structure in Bohai area.In conclusion; Slim hole is more conducive to the stability of the borehole wall and improve the drilling speed,meet the requirements of cementing quality,drilling tools and supporting tools are not required to be customized; meet the requirements of the design of hydraulic parameters and smaller friction torque.By comparing with the conventional well structure,the optimized slim hole can greatly reduce the cost of operation,and can be widely popularize apply in Bohai area.

Keyword:Slim hole; Exploration well; Well structure optimization; lowering cost and improving ef fi ciency

0 引言

科學(xué)、安全的鉆井和經(jīng)濟(jì)有效的開(kāi)采是井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要前提，合理的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以很大程度上避免鉆完井過(guò)程中發(fā)生復(fù)雜事故，保證作業(yè)安全快速的進(jìn)行，從而縮短施工工期，降低工程作業(yè)成本。目前渤海采用的常用井身結(jié)構(gòu)為：一、24”隔水管*17-1/2”井眼(13-3/8“套管)*12-1/4”井眼(9-5/8”套管)；二、24”隔水管*17-1/2”井眼(13-3/8”套管)*12-1/4”井眼(9-5/8”套管)*8-1/2”井眼(7”套管)；三、24”隔水管*17-1/2”井眼(13-3/8“套管)*8-1/2”井眼(7”套管)；此結(jié)構(gòu)嚴(yán)格遵從API標(biāo)準(zhǔn)，較為成熟，也是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的井身結(jié)構(gòu)。

在國(guó)際油價(jià)持續(xù)低位徘徊的大環(huán)境下，鉆完井成本控制也越來(lái)越嚴(yán)格，小井眼井具有高鉆速、低成本的優(yōu)點(diǎn)，可以在一定程度上滿(mǎn)足低成本施工的目的。據(jù)國(guó)外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，小井眼鉆井作業(yè)費(fèi)用只占常規(guī)井眼作業(yè)費(fèi)用的60%-70%，在探井和邊緣地區(qū)，甚至可以達(dá)到正常費(fèi)用的30%-50%[1-2]。與此同時(shí)，小井眼消耗的材料也較少，降低了對(duì)環(huán)境污染[3]。小井眼鉆井技術(shù)具有常規(guī)鉆井技術(shù)的特點(diǎn)，卻因其較小的井眼尺寸而降低了施工成本，可以滿(mǎn)足渤海大部分探井鉆井施工。優(yōu)化后的小井眼井身結(jié)構(gòu)為：表層12-1/4”(10-3/4”套管)*9-1/2”井眼(7-5/8”套管)。本文主要從井壁穩(wěn)定性、固井質(zhì)量、鉆井工藝、套管校核、水力參數(shù)、摩阻扭矩以及經(jīng)濟(jì)性等方面對(duì)渤海地區(qū)小井眼技術(shù)的可行性進(jìn)行分析。

1 鉆井可行性分析

1.1 井壁穩(wěn)定性

鉆井井壁穩(wěn)定問(wèn)題在全世界石油鉆井工程中廣泛存在[4-5]，縮小后的井眼井壁較原始尺寸井眼井壁穩(wěn)定性方面是否有優(yōu)勢(shì)，需要對(duì)地層破裂壓力和坍塌壓力與井眼尺寸之間的關(guān)系做相關(guān)分析。

根據(jù)Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，由于破壞面上的內(nèi)聚力和法向力產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力變化，巖石發(fā)生失穩(wěn)，當(dāng)井壁巖體上徑向和切向應(yīng)力差達(dá)到某一數(shù)值，發(fā)生剪切破壞，井眼坍塌[6]，此時(shí)對(duì)應(yīng)的鉆井液密度為地層坍塌壓力下的鉆井液密度。相關(guān)公式為：

根據(jù)地層坍塌壓力對(duì)應(yīng)的鉆井液當(dāng)量密度關(guān)系(如圖1)所示，井眼尺寸越小，坍塌壓力越小而破裂壓力越大，安全泥漿密度窗口寬，有利于維持井壁穩(wěn)定。但坍塌壓力變化幅度與井眼尺寸變化不成正比，井眼越大，變化幅度越小。井眼尺寸由12-1/4”減小為9-1/2”，有利于保持井壁穩(wěn)定性，有利于提高機(jī)械鉆速。

圖1 井眼尺寸與地層坍塌壓力當(dāng)量密度關(guān)系

1.2 固井質(zhì)量

注水泥施工環(huán)節(jié)是固井工程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，注水泥施工的成敗直接影響著油氣井的生命周期[7]。優(yōu)化后的小井眼井，由于其較小的環(huán)形空間，套管不易居中，同時(shí)存在著較大的環(huán)空壓力和施工泵壓，頂替效率不高，容易壓漏地層等一系列問(wèn)題，其固井施工難度較大，固井質(zhì)量較常規(guī)井眼井不容易控制[8-9]。

表1 井身結(jié)構(gòu)及套管程序設(shè)計(jì)表

從表1可以看出，小井眼對(duì)應(yīng)的套管環(huán)空間隙最小為3/4”，根據(jù)《海洋鉆井手冊(cè)》固井質(zhì)量要求：套管與井眼環(huán)空間隙一般應(yīng)大于 19mm，滿(mǎn)足條件。

1.3 鉆井工藝

渤海常用的鉆具組合，表層12-1/4”井眼為常規(guī)鉆具，二開(kāi)9-1/2” 井眼鉆具與8-1/2 ″井眼基本相同，只需調(diào)整扶正器尺寸。套管頭及套管附件，10-3/4”和7-5/8”套管為API標(biāo)準(zhǔn)套管，附件符合《SY/T5394-2004 固井水泥頭及常規(guī)固井膠塞》。陸地油田已廣泛應(yīng)用，套管頭、套管鉗、吊卡水泥頭、膠塞、扶正器等能從市場(chǎng)上直接購(gòu)得。測(cè)井所用的測(cè)井工具最大外徑3-1/2”，可滿(mǎn)足12-1/4”至9-1/2”井眼。

表2 9-1/2”井眼鉆具組合表

1.4 套管校核

套管強(qiáng)度包括抗內(nèi)壓強(qiáng)度、抗外擠強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，這3個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)是套管最主要機(jī)械性能指標(biāo)。套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度由內(nèi)屈服壓力公式計(jì)算，如式(2)。式中0.875是考慮套管壁厚不均而引入的系數(shù)，即允許套管的最小壁厚比API標(biāo)準(zhǔn)的名義壁厚有±12.5%的誤差。套管抗拉強(qiáng)度即軸向強(qiáng)度是橫截面積(由名義尺寸計(jì)算)和屈服強(qiáng)度的乘積，可由管體材料的屈服強(qiáng)度公式(3)確定。根據(jù)套管不同外徑與壁厚比值D/t和屈服強(qiáng)度，API將套管的抗外擠強(qiáng)度計(jì)算分為屈服強(qiáng)度擠毀、塑性擠毀、塑彈性擠毀和彈性擠毀四種，這四種情況的應(yīng)用范圍取決于D/t的比值。

優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)套管規(guī)格選用為10-3/4”(45.5lb/ft)、7-5/8”(26.4 lb/ft)；套管試壓20MPa；固井碰壓20MPa；井口注入壓力30 MPa；表層鉆井液密度1.08g/cm3；二開(kāi)鉆井液密度1.15 g/cm3；氣侵時(shí)全井掏空；鉆井時(shí)半掏空；套管下放速度0.5m/s；套管過(guò)提50噸。校核結(jié)果(如表3)：

從表3可以看出10-3/4”套管磅級(jí)應(yīng)選用45.5lb/ft，7-5/8”套管磅級(jí)應(yīng)選用26.4 lb/ft，以滿(mǎn)足套管強(qiáng)度要求。

1.5 水力參數(shù)

水力參數(shù)設(shè)計(jì)中最大鉆頭水功率或最大沖擊力的工作方式效果較好，廣泛應(yīng)用于中石油和中石化等陸上油田。其特點(diǎn)是每種工作方式都需要對(duì)鉆井液流過(guò)的各個(gè)地方進(jìn)行摩阻計(jì)算。小井眼較常規(guī)井身結(jié)構(gòu)最大的不同就是其循環(huán)摩阻增大。小井眼井鉆柱內(nèi)鉆井液流動(dòng)方式一般為紊流，其環(huán)空有可能是層流也有可能是紊流。常規(guī)井水力參數(shù)優(yōu)化一般把循環(huán)摩阻和排量規(guī)為簡(jiǎn)單的指數(shù)關(guān)系，因此忽略了環(huán)空流動(dòng)紊流時(shí)的影響，在小井眼井水力參數(shù)計(jì)算時(shí)，必須考慮周全，對(duì)常規(guī)水力參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，以滿(mǎn)足工作要求。

本文所論述的小井眼是在原有的17-1/2”和12-1/4”井眼基礎(chǔ)上縮小至12-1/4”和9-1/2”，水力參數(shù)設(shè)計(jì)屬于按常規(guī)設(shè)計(jì)就可滿(mǎn)足要求。

1.6 摩阻扭矩分析

目前分析鉆柱扭矩和摩阻的數(shù)學(xué)模型有軟鉆柱和硬鉆柱模型。軟鉆柱模型是基于Dawson的柔索模型。在這個(gè)模型里，把管柱考慮為沒(méi)有剛性可延伸的柔索。假定摩阻與運(yùn)動(dòng)方向相反?？纱_定鉆柱彎曲變形的受力，顯示彎曲的類(lèi)型(正弦、螺旋等)。硬鉆柱模型考慮了管柱的剛性。以上兩種模型能用來(lái)分析鉆柱、套管柱和尾管。采用Landmark鉆井軟件設(shè)計(jì)中的Wellplan模塊進(jìn)行鉆進(jìn)工況摩阻扭矩分析，得出如下結(jié)果：

從表5可以看出，12-1/4”井眼最大懸重出現(xiàn)在上提階段，最大上提拉力值為118.58t，最大扭矩在倒滑眼階段，最大扭矩為21.27 kN·m。9-1/2”井眼最大懸重出現(xiàn)在上提階段，最大上提拉力值為114.59t，最大扭矩在倒滑眼階段，最大扭矩為19.35 kN·m。優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)較原常規(guī)井眼尺寸小，其摩阻扭矩值都普遍偏小，滿(mǎn)足條件要求。

2 小井眼井與常規(guī)井作業(yè)對(duì)比

10井為渤海地區(qū)一口采用小井眼鉆井技術(shù)作業(yè)的實(shí)驗(yàn)井，其井身結(jié)構(gòu)為一開(kāi)30”井眼鉆進(jìn)至115.50m，下24”隔水導(dǎo)管；二開(kāi)12-1/4”井眼鉆進(jìn)至510m中完，下10-3/4”表層套管；三開(kāi)9-1/2”井眼鉆進(jìn)至完鉆井深1725m，電測(cè)作業(yè)結(jié)束后棄井。為方便對(duì)比，引入9井。10井與9井均為三開(kāi)式井身結(jié)構(gòu)，主要區(qū)別在于二開(kāi)和三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。兩口井在相同區(qū)塊，巖性相近，井深相當(dāng)，鉆頭選型、鉆具組合、鉆井液性能，鉆井作業(yè)程序、鉆井船作業(yè)能力都具有較強(qiáng)的可比性，即比對(duì)條件相當(dāng)，排除天氣等外在因素的干擾，對(duì)比結(jié)果較為科學(xué)合理。

2.1 提速效果分析

通過(guò)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，10井小井眼鉆速明顯高于9井如圖(2)。

表3 套管強(qiáng)度校核表

表4 兩種井眼尺寸水力參數(shù)計(jì)算

表5 鉆進(jìn)摩阻扭矩計(jì)算結(jié)果

圖2 10井與9井平均機(jī)械鉆速對(duì)比圖

通過(guò)對(duì)比分析兩口井的平均機(jī)械鉆速，可以發(fā)現(xiàn)，二開(kāi)進(jìn)尺390m左右，12-1/4”井眼平均機(jī)械鉆速105.2m/h，比16”井眼提高了236%； 10井9-1/2”井眼平均機(jī)械鉆速46.7m/h，與9井12-1/4”井眼相比，提速效果明顯；通過(guò)井眼尺寸優(yōu)化，10井整井平均機(jī)械鉆速比9井提高30.7%。

2.2 經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)比9井，發(fā)現(xiàn)10井無(wú)論是鉆井器材、散料、燃油、鉆井液費(fèi)用、固井費(fèi)用等方面均有相應(yīng)的結(jié)余，包括鉆井船、供應(yīng)船等費(fèi)用，節(jié)約鉆井費(fèi)用及材料費(fèi)用共計(jì)314.62萬(wàn)元，極大的降低了鉆井作業(yè)成本，提高了作業(yè)效率。

3 總結(jié)與建議

(1)優(yōu)化后小井眼井的井眼尺寸越小，井壁越穩(wěn)定，機(jī)械鉆速越高。套管與井眼環(huán)空間隙大于19mm，滿(mǎn)足固井條件。鉆具組合及配套工具無(wú)需特別定制。水力參數(shù)設(shè)計(jì)屬于按常規(guī)設(shè)計(jì)就可滿(mǎn)足要求。通過(guò)對(duì)套管強(qiáng)度校核選取合適磅級(jí)的管材。同時(shí)優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)具有較小的拉力和扭矩，有效降低了鉆機(jī)負(fù)荷，節(jié)約鉆井費(fèi)用。

(2)通過(guò)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及實(shí)施，10井與9井相比，小井眼機(jī)械鉆速明顯高于常規(guī)井眼，大大提高了作業(yè)效率，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

(3)優(yōu)化后井身結(jié)構(gòu)可有效降低鉆機(jī)負(fù)荷同時(shí)節(jié)約鉆井費(fèi)用，所需的鉆井材料均為標(biāo)準(zhǔn)材料，可直接從市場(chǎng)購(gòu)得(套管、套管附件、套管頭、鉆頭等)，7-5/8”套管內(nèi)測(cè)試工具需特殊設(shè)計(jì)，后期可側(cè)鉆6-3/4”井眼。

(4)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化為一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需地質(zhì)油藏、鉆完井、采油生產(chǎn)各專(zhuān)業(yè)取得統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，甲乙方共同推動(dòng)(下套管、完井、測(cè)試、打撈、套銑工具等)，建議待方案論證成熟后，在探井先進(jìn)行嘗試，逐步推廣。后續(xù)針對(duì)不同區(qū)塊對(duì)各層次套管下深進(jìn)行梳理，得出各區(qū)塊標(biāo)準(zhǔn)井身結(jié)構(gòu)，減少?gòu)?fù)雜情況。

表6 對(duì)比 9井10井節(jié)約費(fèi)用統(tǒng)計(jì)

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Feasibility study on the optimization of wellbore structure in exploratory wells in Bohai Oilfield

Geng lijun1Cai jinliang1Wang xiaopeng1Ma li2
(1 CNOOC Engineering Co.,Ltd.Tianjin,Tianjin 300459;2 CNOOC Enter Teach-Drilling And Production Co.,Tianjin 300459)