元坝超深水平井井身结构优化设计

罗朝东，王旭东，龙开雄，龚德章

（1.中国石化西南石油局钻井工程研究院，四川德阳 618000；2.中国石化西南石油局钻井处）

元坝超深水平井井身结构优化设计

罗朝东1，王旭东1，龙开雄2，龚德章1

（1.中国石化西南石油局钻井工程研究院，四川德阳 618000；2.中国石化西南石油局钻井处）

由于元坝区块地层压力系统复杂、储层高温高压、海相地层含H2S，元坝超深水平井井身结构设计时对必封点选择难度大，且钻头尺寸和套管尺寸选择范围窄。分析了四种常用井身结构设计方法及存在的主要问题，提出了优化设计方案，避免了因井身结构而导致的压差卡钻，为元坝地区实现优快钻井奠定了基础。

元坝地区；超深水平井；井身结构；优化设计；压差卡钻

元坝区块位于四川盆地东北部的巴中、南充及广元地区，构造位置位于九龙山构造带南翼、通南巴背斜带西南侧，属于元坝低缓构造带的主体部分［1］。长兴组及飞仙关组是本区的主力储集层，也是其主要目的层。该区块勘探、开发潜力巨大，为了高效开发元坝海相储层，已在该区块部署了多口水平井［2］。地质条件复杂，地层高陡、倾角较大，高温高压高含硫，多套压力系统共存且压力跨度大，陆相海相地层共存等成为该地区地质构造的普遍特征［3］。

井身结构设计是钻井工程设计的重要内容之一，合理的井身结构设计既能最大限度地避免漏、喷、塌、卡等工程事故的发生，使得各项钻井作业得以安全顺利进行，又能最大幅度地减少钻井费用，使工程成本达到最低［4－6］。

1 工程地质特征

1.1 构造特征

元坝地区北为九龙山背斜构造带南端，南为川中低缓构造带，北东与通南巴背斜构造带相邻。从地震资料及区域构造特征分析，元坝地区位于三个大型正向构造的衔接部位，受三个构造的遮挡，构造形变弱、断裂不发育。通过三维地震剖面的解释，认为元坝低缓构造带在纵向上同样可划分为上变形层和下变形层两个构造层，以嘉陵江组中上部膏盐岩滑脱层为界，但该区膏盐层滑脱构造不明显，上变形层与下变形层在构造上具一定的协调性。元坝地区整体构造稳定，特别是海相地层，断层较少发育，只有零星小断层发育，嘉陵江组四五段以上地层，受后期构造运动影响，发育局部小断层。

1.2 地层压力预测

根据元坝地区多口井的实钻情况统计，元坝地区地层压力预测见表1。

表1 元坝地区地层压力预测

2 井身轨迹设计方法

由于目的层深，储层可能难以精确预测。元坝超深水平井轨迹设计都采用斜导眼，其目的是使揭开储层的位置距离A靶更近，接近A靶储层的深度及厚度，利于轨迹调整时能够准确在砂体中穿行。施工步骤是先揭穿储层砂体，确定砂体厚度及深度后，钻50m左右的测井口袋，测井、井壁取心后回填。

轨迹类型采用“直－增－稳－增－平”双增型剖面，第一增斜段将井斜增至45°左右，然后稳斜钻斜导眼段。第二造斜点选择在稳斜井段，继续增斜至A靶，将井斜增至水平段所需井斜，再稳斜钻完整个水平段。为了满足旋转导向施工要求，造斜率一般选择在（13°～18°）／100m。

3 完井方式对井身结构的要求

元坝地区目前天然气产量的主要贡献来源于Ⅰ类和Ⅱ类气层、尤其是Ⅰ类气层。无Ⅰ、Ⅱ类储层的井测试天然气无阻流量很低，有Ⅱ类但无Ⅰ类的居中，Ⅰ、Ⅱ类均有的最高。

对于Ⅰ、Ⅱ类较多的储层，通过自然建产就有望达产，必要时进行解堵酸化改造。从降低成本考虑，完井方式可主要采用裸眼完井。当水平段与地层最大主应力夹角较大、井壁不稳定时，可采用衬管完井，衬管尺寸不小于φ127mm。

对于Ⅰ、Ⅱ类较少的储层，考虑针对性大规模改造，推荐射孔完井。超深水平井卡枪的风险较高，为保证射孔效率，同时降低后期的工程风险，射孔井段套管尺寸不小于φ139.7mm。

目前元坝超深水平井完井方案主要采用裸眼完井或者衬管完井，以缩短投产周期和节约成本。

4 常用井身结构设计方法

4.1 第一种井身结构设计方法

第一种井身结构设计方法设置三个必封点。

第一必封点：上部地层为白垩系地层，地层不稳定，易漏、易坍塌，设第一必封点封隔上部不稳定易垮层段，为二开钻进建立井口，安装防喷器，创造良好的井眼条件，采用低固相钻井液钻进。

第二必封点：陆相地层埋深较厚，侏罗系上统地层不稳定，地层压力相对较低，易漏、承压能力差。设第二必封点封过侏罗系上统上沙溪庙组底部，大尺寸井眼，利于采用气体钻井方式提高机械钻速，缩短钻井周期。

“好，克里斯蒂娜，如果我能忍受诚实派那张喋喋不休的嘴，我早就去加入他们的派别了。”他嘘声说道，“从我这里学的第一课就是管好你的嘴巴，明白吗？”

第三必封点：封隔须家河组高压地层，须家河组地层压力高，地层压力系数达到1.8，而下部海相地层压力系数相对较低，防止钻海相地层采用的高密度钻井液压漏地层，利于采用液体欠平衡钻井方式，提高陆相地层的机械钻速。

井身结构具体设计数据见表2。四开钻至造斜点开始造斜，钻完斜导眼填井侧钻至水平段完钻。

4.2 第二种井身结构设计方法

第二种井身结构设计方法设置四个必封点。前三个必封点和第一种设置方法相同。

表2 井身结构设计方法一

第四必封点：油层套管下至A靶点，减少下开裸眼段长度，利于水平段安全钻进，确保顺利完井。

井身结构具体设计数据见表3。四开钻至造斜点开始造斜，钻完斜导眼填井侧钻至A靶点，下入φ193.7／φ203.1mm复合套管。五开用φ165.1mm钻头钻至完钻井深。

表3 井身结构设计方法二

4.3 第三种井身结构设计方法

第四必封点：封隔嘉陵江组高压水层，同时减少下开裸眼段长度，利于水平段安全钻进和储层保护，设第四必封点于飞仙关顶部。

井身结构具体设计数据见表4。四开钻至造斜点开始造斜，钻完斜导眼填井侧钻至飞仙关顶，下入φ244.5mm技术套管。五开用φ215.9mm钻头钻至完钻井深。

表4 井身结构设计方法三

4.4 第四种井身结构设计方法

第四种井身结构设计方法设置三个必封点。前两个必封点和第一种设置方法相同。

考虑到简化井身结构，降低钻井成本，设置第三必封点于飞仙关组顶部，封隔嘉陵江组及其以上复杂地层，采取四开制井身结构。

井身结构具体设计数据见表5。三开钻至造斜点开始造斜，钻完斜导眼填井侧钻至飞仙关顶，下入φ244.5mm技术套管。四开用φ215.9mm钻头钻至完钻井深。

表5 井身结构设计方法四

5 存在的问题

元坝超深水平井遇地层由上至下分别为白垩系剑门关组，侏罗系蓬莱镇组、遂宁组、沙溪庙组、千佛崖组和自流井组，上三叠统须家河组，中三叠统雷口坡组，下三叠统嘉陵江组、飞仙关组，上二叠统长兴组，地层压力梯度变化较大。前面几种井身结构存在的主要问题是长兴组与雷口坡组、嘉陵江组、飞仙关组三个地层中某些地层处于同一裸眼井段，而雷口坡组、嘉陵江组含有高压水层，飞仙关组地层含有高压气、水层，为了平衡地层压力，钻井液密度要达到1.6g／cm3以上，而长兴组的压力系数为1.0～1.2，这样就存在较大压差，容易导致压差卡钻。统计元坝地区发生的几次压差卡钻情况见表6。从中可看出，压差卡钻都发生在长兴组，且解卡成功率不高，容易导致填井侧钻，造成重大经济损失。

表6 元坝地区压差卡钻情况

6 井身结构优化设计方案

根据前面的分析，为了防止在长兴组水平段发生压差卡钻，有必要将长兴组单独揭开。因此推荐元坝超深水平井井身结构采用五开制：表套封剑门关组，二开技套封上沙溪庙组，三开技套封雷口坡四段，四开技套封隔飞二高压气、水层，五开继续完成斜导眼段施工后，填井侧钻直至水平段完钻。具体井身结构设计数据见表7。

表7 井身结构优化设计方案

该井身结构优化设计方案已经在2口元坝超深水平井上得到了现场应用，成功避免了因井身结构设计问题而导致的压差卡钻。

［1］ 陈明，窦玉玲，李文飞，等.川东北元坝区块井身结构优化设计［J］.天然气技术，2010，4（3）：44－47.

［2］ 刘匡晓，王磊，李文清.元坝超深水平井提高随钻测量传输信号信噪比技术分析［J］.钻采工艺，2011，34（3）：6－8.

［3］ 吴建忠.川东北深井井身结构优化探讨［J］.石油地质与工程，2009，23（2）：88－93.

［4］ 陈明，于承朋，王光磊，等.川东北地区优化井身结构的探索与实践［J］.天然气勘探与开发，2009，33（3）：55－58.

［5］ 樊洪梅，刘鹏，纪荣艺，等.新型钻井数据设计［J］.断块油气田，2010，17（3）：382－384.

［6］ 黄松伟，丁向京.汪深1－平1井轨迹控制技术［J］.断块油气田，2010，17（4）：480－482.

Because of the Yuanba block formation pressure system is complex，with high temperature and high pressure，marine strata containing H2S，difficulty in selecting casing program existed in Guangyuan ultra deep horizontal well with narrow range of selection on the drill bit sizes and casing sizes.In the paper，Analysis of four kinds of well structure design method and the existing main problem are made，the optimized design plan is put forward，which avoided the differential pressure sticking caused by the casing program and laid the foundation for optimal and fast drilling.

98Optimization design of Yuanba ultra deep horizontal well casing program

Luo Chaodong et al（Southwest Petroleum Bureau Drilling Engineering Institute， Sinopec， Deyang， Sichuan 618000）

Yuanba region；ultra deep horizontal；casing program；optimization design；differential pressure sticking

TE22

A

1673－8217（2012）04－0098－03

2012－03－12

罗朝东，高级工程师，1970年生，1991年毕业于中国石油大学钻井工程专业，2004年获得中国石油大学油气田开发工程硕士，从事定向井、水平井技术管理与科研工作。

中国石油化工集团公司重点先导性试验项目“元坝地区超深水平井钻井技术跟踪分析先导性试验”（SG10069）部分研究内容。

李金华