林四元 李 中 郭永賓 黃 熠 陳浩東 張波濤

(1.中海石油(中國)有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057； 2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)湛江分公司 廣東湛江 524057)

北部灣盆地是南海西北部的一個(gè)半封閉海灣盆地，所在海域水深15～45 m，每年7～10月易遭遇臺(tái)風(fēng)極端天氣襲擊。為滿足施工作業(yè)要求，前期探井采用四開次井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案：一開φ508.00 mm隔水導(dǎo)管入泥50～80 m支撐井口，滿足海域環(huán)境載荷需求；二開φ339.73 mm表層套管封固上部近新系松軟地層，為后續(xù)井段提供足夠的承壓能力；三開φ244.48 mm技術(shù)套管封固古近系易坍塌地層；四開φ215.90 mm井眼鉆探目的層，錄取地質(zhì)資料(如測(cè)試則下φ177.80 mm尾管)。這種常規(guī)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案減少了井下復(fù)雜情況的發(fā)生，但套管層次多、鉆井周期長、成本高[1-2]，難以滿足探井發(fā)展需求，因此簡(jiǎn)化區(qū)域井身結(jié)構(gòu)與優(yōu)化套管層次是北部灣盆地探井作業(yè)亟需解決的重要難題之一。本文在常規(guī)四開次井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，分析并探索出隔水導(dǎo)管與表層套管“二合一”以及φ311.15 mm技術(shù)井段與φ215.90 mm目的層井段“二合一”的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)化了北部灣盆地探井套管層次，優(yōu)化了探井井身結(jié)構(gòu)，為該地區(qū)探井提速及成本控制奠定了良好基礎(chǔ)。

1 表層“二合一”優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 隔水導(dǎo)管優(yōu)化設(shè)計(jì)

北部灣盆地探井?dāng)?shù)量多(每年22～25口)，平均建井周期短(平均15～22 d)，作業(yè)結(jié)束后切削回收隔水導(dǎo)管。由于北部灣海域水淺，該地區(qū)探井由自升式鉆井平臺(tái)承鉆，需要隔水導(dǎo)管從海底延伸至井口小平臺(tái)支撐井口?；谏鲜鎏骄ň芷诙?、頻率高、不保留井口的特點(diǎn)，從精準(zhǔn)隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)出發(fā)，校核非臺(tái)風(fēng)季節(jié)下隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)。校核方法依據(jù)中國船級(jí)社(CCS)《海上固定平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》[3]，分析探井單樁隔水導(dǎo)管受力并借助ANSYS軟件[4-5]繪制出非臺(tái)風(fēng)季節(jié)不同尺寸隔水導(dǎo)管井口允許載荷與水深關(guān)系曲線(圖1),優(yōu)選出φ355.60 mm厚壁隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)。由圖1可知，非臺(tái)風(fēng)季節(jié)φ355.60 mm厚壁隔水導(dǎo)管(φ339.73 mm外加厚套管，鋼級(jí)N80，壁厚18.64 mm，下同)在水深15～25 m時(shí)可滿足井口載荷300 kN的需求，而在水深30～45 m時(shí)可通過隔水導(dǎo)管提升裝置承擔(dān)井口載荷滿足300kN井口載荷的需求，因此可采用φ355.60 mm厚壁隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)方案替代常規(guī)φ508.00 mm隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)方案[6]，為精準(zhǔn)隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

圖1 北部灣盆地非臺(tái)風(fēng)季節(jié)下不同隔水導(dǎo)管井口允許載荷與水深關(guān)系曲線圖Fig.1 Relationship curve of different riser wellhead allowable load and water depth in non-typhoon season in Beibuwan basin

1.2 表層套管優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.2.1套管連接方式

根據(jù)隔水導(dǎo)管海域環(huán)境設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了2種隔水導(dǎo)管與表層套管 “二合一”設(shè)計(jì)方案：①φ508.00 mm+φ339.73 mm復(fù)合套管設(shè)計(jì)方案，即上部采用φ508.00 mm套管作為隔水導(dǎo)管，下部采用φ339.73 mm套管，中間采用變徑套管連接；②φ355.60 mm+φ339.73 mm復(fù)合套管設(shè)計(jì)方案，即上部采用φ355.60套管作為隔水導(dǎo)管，下部采用φ339.73 mm套管，中間采用絲扣連接。

1.2.2套管封固設(shè)計(jì)方案

考慮到實(shí)際作業(yè)中隔水導(dǎo)管可能需要預(yù)留300 kN井口承載力，參考《海上開發(fā)井隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)和作業(yè)規(guī)范》[7]及鉆入法中隔水導(dǎo)管外層水泥環(huán)對(duì)土層單層側(cè)向力理論[8-9]，對(duì)隔水導(dǎo)管極限承載力進(jìn)行校核，結(jié)果見表1。由表1可知，φ355.6、φ508.0 mm隔水導(dǎo)管分別入泥28.5、22.3 m，井口承載力分別為367、327 kN，滿足常規(guī)情況下井口載荷300 kN要求。結(jié)合實(shí)際情況，為確保作業(yè)安全、避免施工誤差的影響，設(shè)計(jì)隔水導(dǎo)管入泥30～35 m。

結(jié)合上述分析結(jié)果制定表層“二合一”設(shè)計(jì)方案，結(jié)果見表2。由表2可知，φ508.00 mm+φ339.73 mm及φ355.60 mm+φ339.73 mm表層“二合一”設(shè)計(jì)方案可滿足作業(yè)要求，省去了常規(guī)φ508.00 mm隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)，單井可以節(jié)省工期約1.0～1.5 d。

表1 北部灣盆地不同隔水導(dǎo)管極限承載力Table 1 Different ultimate bearing capacity of riser in Beibuwan basin

注：以北部灣某代表性土質(zhì)資料為例；計(jì)算結(jié)果未考慮隔水導(dǎo)管自重。

表2 北部灣盆地探井表層“二合一”設(shè)計(jì)方案Table 2 The “two in one” design of exploratory wells in Beibuwan basin

2 目的層“二合一”優(yōu)化設(shè)計(jì)

窄安全密度操作窗口(安全密度操作窗口=安全密度窗口-環(huán)空循環(huán)當(dāng)量密度，下同)是提高窄窗口地層安全施工的重要保障，直接影響到套管下深及井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，而井眼尺寸優(yōu)化又是擴(kuò)展鉆井液安全密度操作窗口的有效手段之一。通過分析窄窗口安全密度操作窗口，兼顧井眼尺寸對(duì)鉆井效率的影響優(yōu)選井眼尺寸，將常規(guī)φ311.15 mm及φ215.90 mm井眼尺寸進(jìn)行“二合一”優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 基于安全密度操作窗口井眼尺寸設(shè)計(jì)

1) 環(huán)空循環(huán)摩阻當(dāng)量密度理論分析。

選取φ311.15、φ269.88、φ250.83、φ215.90 mm等4種不同井眼尺寸，利用賓漢模型并根據(jù)環(huán)空流動(dòng)壓耗理論[10-13]，借助Virtual Hydraulics軟件，分析不同井眼尺寸井底環(huán)空循環(huán)摩阻當(dāng)量密度，并將計(jì)算結(jié)果繪制成曲線圖(圖2)。由圖2可知，在φ215.90 mm井眼中正常鉆進(jìn)時(shí)，井底循環(huán)摩阻當(dāng)量密度0.10～0.11 g/cm3；在φ250.83～φ311.15 mm井眼中正常鉆進(jìn)時(shí)，井底循環(huán)摩阻當(dāng)量密度0.03～0.05 g/cm3。由此證實(shí)，正常排量鉆進(jìn)下φ215.90 mm小井眼環(huán)空循環(huán)摩阻當(dāng)量較φ250.83～φ311.15 mm井眼明顯增加，增加量約0.05～0.07 g/cm3。

圖2 北部灣盆地鉆井過程中井底環(huán)空循環(huán)摩阻當(dāng)量密度與環(huán)空返速曲線圖Fig.2 Relationship curve of equivalent circulating density in bottom hole and velocity in annular during drilling in Beibuwan basin

2) 安全密度操作窗口理論分析。

根據(jù)莫爾-庫倫破壞準(zhǔn)則、巖樣強(qiáng)度尺寸關(guān)系經(jīng)驗(yàn)公式[14-17]計(jì)算北部灣盆地古近系地層尺寸效應(yīng)巖石強(qiáng)度，考慮環(huán)空循環(huán)摩阻對(duì)操作窗口的影響，建立巖石尺寸效應(yīng)下的安全密度操作窗口，如圖3所示。從圖3可知，井眼尺寸大于φ250.83 mm后，尺寸效應(yīng)對(duì)安全密度窗口及安全操作密度窗口影響很小；從φ250.83 mm到φ215.90 mm 井眼，安全密度窗口增大、安全密度操作窗口減小，并且增長趨勢(shì)越來越快。由此證實(shí),井眼尺寸φ250.83 mm是該地區(qū)擴(kuò)展安全密度操作窗口附近的臨界井眼尺寸。

圖3 北部灣盆地鉆井過程中巖石尺寸效應(yīng)下的安全密度操作窗口Fig.3 Safety density operation window under rock size effect during drilling in Beibuwan basin

2.2 最佳機(jī)械鉆速井眼尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)

關(guān)于機(jī)械鉆速與井眼尺寸的關(guān)系，所涉及的影響參數(shù)多且十分復(fù)雜，一直以來沒有得到一致的定論。但經(jīng)驗(yàn)鉆速方程[18]及實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明在部分定性方面趨于一致意見，認(rèn)為在合適范圍內(nèi)的井眼尺寸具有最優(yōu)的機(jī)械鉆速。圖4是東南亞泰國灣盆地機(jī)械鉆速與不同井眼尺寸鉆頭統(tǒng)計(jì)曲線圖[19]，可以看出利于提高機(jī)械鉆速的最優(yōu)井眼尺寸為φ155.58～φ311.15 mm。

北部灣盆地1 500～2 800 m井段的30口井不同井眼尺寸機(jī)械鉆速統(tǒng)計(jì)分析表明，φ311.15 mm井眼平均機(jī)械鉆速29.2～30.5 m/h，φ250.83 mm井眼平均機(jī)械鉆速34.8～36.5 m/h。與φ311.15 mm井眼相比，φ250.83 mm井眼機(jī)械鉆速提高10%～20%，并且能減少返出回收鉆屑量約40%，可以節(jié)省探井油基鉆屑回收及處理成本。

圖4 東南亞泰國灣盆地機(jī)械鉆速與不同井眼尺寸鉆頭統(tǒng)計(jì)曲線圖[19]Fig.4 Relationship curve of ROP and different borehole sizes in the Thailand Gulf [19]

2.3 設(shè)計(jì)方案

結(jié)合安全密度操作窗口理論分析及最佳井眼尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)選出φ250.83 mm井眼尺寸替代常規(guī)φ311.15 mm及φ215.90 mm井眼尺寸的設(shè)計(jì)方案。該尺寸井眼在擴(kuò)展安全密度操作窗口的同時(shí)，可提高鉆井效率,節(jié)省油基鉆屑回收及處理成本。同時(shí)，為保障井下安全，使用高性能的強(qiáng)封堵鉆井液體系，有效防止井壁失穩(wěn)引起的井下復(fù)雜情況，為目的層“二合一”方案的推廣起到重要的支持作用，平均單井節(jié)省鉆井工期約6 d。

3 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

依據(jù)北部灣盆地表層“二合一”及目的層“二合一”設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化出二開次井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)果見表3。由表3可知，優(yōu)化后的二開次井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本上能滿足北部灣盆地常規(guī)勘探井在不同季節(jié)下的作業(yè)需求。此外，針對(duì)少量特殊井，備用了1套三開次設(shè)計(jì)方案，以應(yīng)對(duì)壓力系數(shù)高而導(dǎo)致常規(guī)φ339.73 mm套管抗內(nèi)壓不足或目的層“二合一”設(shè)計(jì)方案中“三壓力曲線”無安全密度操作窗口的特殊井。

3.2 應(yīng)用分析

北部灣盆地Y區(qū)塊新近系常壓，地層穩(wěn)定；古近系潿二段、流二段地層坍塌壓力1.30～1.40 g/cm3(地層壓力系數(shù)低于坍塌壓力)。該區(qū)塊探井使用表層“二合一”及目的層“二合一”設(shè)計(jì)方案，其井身結(jié)構(gòu)如圖5所示，不同井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工期費(fèi)用對(duì)比見表4。由表4可知，在相似的鉆井條件下，優(yōu)化后的二開次井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較常規(guī)四開次平均單井減少鉆井周期7～8 d、鉆井成本降低31%～37%。

表3 北部灣盆地二開次井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案Table 3 Two sections’ well optimization in Beibuwan basin

圖5 北部灣盆地Y區(qū)塊井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)示意圖Fig.5 The Y Block well structure optimization design in Beibuwan basin

表4 北部灣盆地Y區(qū)塊不同井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工期費(fèi)用對(duì)比Table 4 Time limit and cost comparison of different well structure designs in Y Block,Beibuwan basin

注：F為Y1井建井周期，B為Y1井建井費(fèi)用。

4 結(jié)論

1) 針對(duì)北部灣盆地探井特點(diǎn)，通過隔水導(dǎo)管穩(wěn)定性及強(qiáng)度理論分析提出了表層、目的層段“二合一”井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了1層套管程序，擴(kuò)展了安全密度操作窗口，有利于節(jié)省鉆井工期、提高機(jī)械鉆速、減少油基鉆屑回收量。

2) 應(yīng)用表明，優(yōu)化后的二開次井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(備用1套三開次方案)可根據(jù)季節(jié)優(yōu)選合適的井身結(jié)構(gòu)，應(yīng)用靈活、適用性強(qiáng)，能顯著降低鉆井成本，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。