东海西湖区块高温高压深探井井身结构优化

张海山， 杨 进， 宫吉泽， 葛俊瑞

(1.中海石油(中国)有限公司上海分公司，上海 200030；2.中国石油大学(北京)石油工程学院，北京 102249)

东海盆地位于中国东部海域，属大陆边缘断陷-坳陷盆地，是重要的油气勘探领域[1-2]。东海盆地西湖区块地层复杂，存在多目的层和多套压力系统，砂泥岩交互，煤层和水层多，井壁极易失稳。上部存在易漏层，钻进中下部地层过程中起下钻遇阻、划眼困难、卡钻、井漏等井下故障和问题频繁发生。深部地层研磨性强，可钻性差，机械钻速低，且存在异常高温高压地层，测得地层最高压力当量密度1.658 kg/L，最高温度176 ℃。以上因素造成东海西湖区块深探井钻井难度大、风险高、周期长。

要实现安全、高效、优质钻井，满足不同构造、不同层位、不同目的层勘探开发的需要，首先要设计合理的井身结构[3-5]。井身结构不仅关系到钻井施工的安全顺利，还影响钻井作业的经济效益。合理的井身结构能够有效避免井下故障的发生，降低钻井成本，达到预期的钻探目的。因此，根据东海西湖区块预测的地层压力，综合钻井技术、钻井设备及施工能力，优化了套管层次和各层套管的下深[6-12]，形成了适用于东海西湖区块深部高温高压地层的深探井井身结构。

1 钻井技术难点

东海西湖区块地质条件复杂多变，勘探程度低，存在很多不确定因素，钻井过程中存在以下技术难点：

1) 上部地层存在严重漏失层，使用海水钻进也发生漏失，钻井过程中通常采用快速钻穿地层的方式钻进上部地层。

2) 中下部地层岩性多变，造成φ311.1 mm井段易出现井径扩大、井壁坍塌和卡钻等井下故障，φ215.9 mm井段易出现卡测井仪器、卡钻、井漏和固井质量欠佳等复杂情况，严重影响了钻井效率和工程质量。

3) 深部地层硬度大，强度高，可钻性差，钻井速度低。岩石的非均质性造成钻进过程中经常出现钻头卡滑现象，崩齿、断齿及蹩跳钻严重，钻头使用寿命短。

4) 由于该区块地质资料少、目的层深度大、地层压力预测精度低，难以提供准确的全井地层三压力剖面、地层层序和复杂地层井段的深度和厚度，钻井过程中存在许多潜在风险。

5) 中上部井段为常压地层，深部井段存在异常高压地层，裸眼段中出现不同压力体系，容易引起井漏、井喷等井下故障。由于地层的不可预见性，导致套管层次设计困难、钻井液密度确定不准确等问题。

2 原有井身结构存在的问题

东海西湖区块原有井身结构有常规井身结构和简化井身结构2种[13]。

2.1 常规井身结构

东海西湖区块的常规井身结构如图1所示。

图1 东海西湖区块常规井身结构Fig.1 Original casing program in Block Xihu of East China Sea

该井身结构在前期深探井实践中存在以下问题：

1)φ339.7 mm技术套管下深浅，给下部φ311.1 mm井段的加深和φ244.5 mm技术套管的下深带来很大困难，无法满足深探井的需求。

2)φ215.9 mm井段一旦遇到异常高压层，常压层和高压层将出现在同一裸眼井段，若使用高密度钻井液钻进，影响常压储层的保护，且深部高温会使钻井液的性能变差，易发生井下故障，增大了钻井风险。

3) 由于套管层次限制，如果下部出现复杂地层，不得不增加一层技术套管，深部地层只能采用小井眼钻进，难以获取完整准确的地层测试资料及地质资料。

2.2 简化井身结构

东海西湖区块简化井身结构如图2所示。该简化井身结构省去了φ508.0 mm表层套管，节约了套管，缩短了作业时间，在东海西湖区块探井中得到了广泛应用，总体情况良好，但随着探井井深的不断增加，该井身结构在现场应用中也暴露出以下问题：

1)φ444.5 mm井眼仅钻至井深1 500.00 m左右，给下部井段的钻进带来很大困难。因此，为了满足深探井的要求，需要加深φ311.1 mm井段，以保证φ215.9 mm井眼能够安全钻至目的井深。

图2 东海西湖区块简化井身结构Fig.2 Original simplified casing program in Block Xihu of East China Sea

2) 钻井过程中φ311.1 mm裸眼段和φ215.9 mm裸眼段较长，钻井液浸泡时间长，钻井和测井过程中易发生卡钻、卡测井仪器、憋泵、蹩钻等井下故障。

3)φ311.1 mm井眼一般钻至井深3 600.00 m，给φ215.9 mm井眼的钻进带来很大挑战，深部裸眼段较长，高温高压的地质环境使钻井液性能变差，造成井下故障频繁发生。

4)φ215.9 mm井段较长，导致φ177.8 mm尾管固井质量不稳定，无法为后期射孔压裂测试提供良好的环境，储层资料获取困难。

以上分析表明，东海西湖区块原有的常规井身结构和简化井身结构，满足不了高温高压深探井的钻井需要。

3 井身结构优化及应用效果

传统井身结构设计方法通常采用自下而上的方法，由目的层深度确定完井套管的下入深度，根据地层特性设计上部套管合理的下入深度，以获取最大的经济效益[14]。由于东海西湖区块存在地震资料可靠性差、地层压力预测精度低、深部地层不确定性大等问题，自下而上的设计方法无法满足深探井的钻井需求。

依据海洋钻井常用的井身结构，结合西湖区块地层的岩性和地层压力预测结果，采用自上而下的方法，在满足压力平衡的条件下，确定表层套管下深，从表层套管鞋处开始向下逐层设计套管的下入深度，尽量使每层套管的下入深度最深，保证最后一层套管尺寸满足地层评价的要求，以有利于实现地质勘探目标[15-16]。

3.1 套管层次优化

为了保证深探井顺利钻至目的层，有效获取地质资料，结合常规套管层次，考虑目的层段套管尺寸满足地层测试的要求，设计合理的井身结构。由于深部存在高温高压等复杂地层，预留一层套管层次，避免深部井段出现小尺寸井眼完井，保证取全、取准地质资料。东海西湖区块优化后的高温高压深探井套管层次为：φ762.0 mm隔水管+φ508.0 mm表层套管+φ339.7 mm技术套管+φ298.4 mm技术套管(备用套管层次)+φ244.5 mm技术套管+φ177.8 mm尾管。

3.2 表层套管下深优化

东海西湖区块探井钻井实践证明，上部500.00～700.00 m井段存在易漏易垮塌地层，利用5～6根隔水管封固软泥层后，考虑到下部井段的加深可能带来不确定的复杂情况，为了应对下部井段钻遇不可预见的异常压力地层，提供充足的井控能力，φ508.0 mm表层套管下至东海群组地层下600.00 m左右，封固不稳定地层并建立井口，保证中深部井段安全钻进。

3.3 技术套管下深优化

根据东海西湖区块井壁稳定性分析和地层压力预测结果，认为三潭组、柳浪组、玉泉组和龙井组地层属于常压地层，适合长裸眼段钻进，考虑到已钻井井下故障与井身结构的关系，采用“PDC钻头+螺杆钻具”复合钻井技术，兼顾φ311.1 mm裸眼段长度和φ244.5 mm套管的下深，将φ339.7 mm技术套管下深由1 800.00 m左右增至2 400.00 m左右，封住三潭组不整合面和煤层等不稳定地层，钻穿柳浪组和玉泉组地层。将φ244.5 mm套管下至花港组高压层顶部，下深由原来的3 600.00 m左右增至4 000.00 m左右，封固压力过渡带，保证打开储层时具有良好的承压能力，同时为φ215.9 mm井段的钻井作业和固井作业创造有利条件。与原有井身结构相比，φ244.5 mm套管下深增加，相应缩短了φ215.9 mm井段的长度，降低了深部高温高压地层的固井难度，为后续储层测试提供了良好的井筒环境，有利于达到取全、取准地层资料的目的。

为了预防复杂地层带来的不确定因素，优化后的井身结构增加一层备用套管，在2 400.00～4 000.00 m井段钻进过程中频繁发生井下故障或钻遇易垮塌地层时，可扩眼钻φ355.6 mm井段并下入φ298.4 mm技术套管，φ355.6 mm井眼一般约钻至井深3 600.00 m，以避免深部出现小井眼井段和储层测试困难的现象。同时考虑在井身结构限定的范围内，不改变套管层数、上部套管尺寸、套管下深，可利用膨胀管技术作为井身结构优化的补充，封隔高压层或其他复杂井段，然后使用原尺寸钻头钻进，钻过该井段后，用下层套管将其封固。综上所述，优化后的高温高压深探井井身结构如图3所示。

图3 高温高压深探井井身结构Fig.3 Optimized casing program for HPHT deep exploratory wells

东海西湖区块的直井 N2-1-1 井和 T2-1-2 井采用了优化后的井身结构，与采用原有井身结构的直井相比，处理井下故障的时间明显缩短，平均单井处理井下故障时间缩短69.31 h(见表1)，单井钻井成本降低约580万元。

表1井身结构优化前后的钻井时效对比

Table1Comparisonofdrillingefficiencybeforeandaftercasingprogramoptimization

年份井号井型完钻井深/m处理井下故障时间/h平均单井处理故障时间/h20112012N4-3-1直井4 950.00115.25N4-2-1直井4 800.00137.00H2-2S-1直井4 607.0088.25N1-1-2直井4 860.00109.25112.442013N2-1-1直井4 800.0064.75T2-1-2直井4 751.0021.5043.13

这说明采用优化后的井身结构不仅有效提高了钻井作业效率，优质高效地完成钻探目标，而且取得了良好的经济效益。

4 结论与建议

1) 设计高温高压深探井的井身结构时，必须充分考虑钻遇地层的地质特征、出现井下故障的可能性，以成功钻探为目的，合理优化井身结构，满足复杂多变的地质要求。

2) 井身结构优化后不但可以降低深探井的钻井成本，而且还能减少井下故障，缩短钻井周期，实现优质高效的钻井作业。

3) 深探井井身结构中适当增加上部套管的下深，封隔复杂地层，有利于降低下部井段的钻进作业难度，提高钻井效率。

4) 建议进一步加强东海西湖区块地质构造和地层压力预测研究，建立地层压力剖面，为合理的井身结构设计提供较为可靠的依据。

5) 建议加强膨胀管技术、随钻扩眼技术的研究与应用，进一步提高复杂深探井井身结构的适应性。

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