渤海渤中区域深井井身结构优化

李磊 杨进 刘宝生 赵少伟 张灿 杨宇鹏 张昌超 邹欣

1. 中国石油大学(北京)；2. 中海石油(中国)有限公司天津分公司

开发中深层油气资源是目前渤海油田增储上产的重要手段，但面临地质条件复杂，作业成本高、风险大，海洋环境保护日益严格等难题［1］，给钻井安全高效作业带来巨大挑战。要实现科学、优质、经济、安全的钻井作业，取得预期的钻探目的和经济效益，最重要的前提之一就是要有合理的井身结构。

合理的井身结构，就是根据所钻地层的地质条件、设计井深、邻井参考资料等数据预测地层孔隙压力、地层破裂压力、地层坍塌压力曲线，综合考虑当前钻井设备现状、钻井工艺技术水平及施工能力等一系列因素，设计出合理的井眼尺寸与套管程序，以满足地质、钻井及采油等方面的要求，保证钻井作业成功钻达目的层，完成油气钻采任务［2］。渤中区域中深层地质条件复杂，存在多压力系统，安全密度窗口窄，地层易坍塌破裂，中深井异常压力的形成存在着多源机制成因，地层压力预测精度低，钻完井作业安全风险大［3-4］。

笔者依据渤中深层地质资料及海洋钻井特点，总结深井井身结构设计相关经验准则，通过高精度预测钻前地层压力曲线优化井身结构及套管柱设计，以达到缩短钻井周期和提高钻速的目的，其中井身结构优化设计关键技术可为今后海上深层钻井作业提供经验参考。

1 渤中区域井身结构优化设计难点

1.1 地质特点

渤中区域地层自上而下分别为新近系明化镇组、馆陶组，古近系东营组、沙河街组、孔店组，太古界潜山储层［5］。其中上部地层明化镇组发育塑性泥岩，中深部东下段至沙河街组地层发育大套泥岩，东营组部分钻遇火成岩易垮塌、漏失，沙河街组异常压力发育。中深地层是以伊蒙混层和伊利石为主的硬脆性泥页岩地层，硬脆性泥页岩的层理裂缝较发育，层理面的稳定性小于岩石本体，在钻井过程中，大量硬脆性泥页岩往往会坍塌掉块导致漏失、卡钻等井下复杂事故。采用X射线衍射技术对硬脆性泥页岩中各种物质组成进行测定，结果见表1。

由表1可知，中深层硬脆性泥页岩矿物组分主要包括石英、方解石、斜长石、白云石、菱铁矿和黏土矿物，其中石英和黏土矿物总含量在70%～80%左右。黏土矿物种类主要以伊蒙混层和伊利石为主，含有少量的高岭石、绿泥石，伊蒙混层比例较高，在黏土矿物中相对含量达40%以上。

表1 渤中区域硬脆性泥页岩矿物含量测定结果Table 1 Measurement results of the mineral content of hard and brittle mud shale in the central Bohai area %

1.2 渤中区域前期钻井存在的问题

以渤中19-6区块为例，该区块在井身结构设计中面临封隔断层、易坍塌、易蠕变变形地层及不同地层压力层系等挑战，钻探初期采用API推荐六开制井身结构。但因地层岩性、地层压力预测误差大，导致井下复杂情况频繁发生，严重制约了钻探时间［6-7］。如BZ19-6-1井钻井作业时发生坍塌、卡钻遇阻、憋泵憋扭矩等复杂情况60余次，其中事故主要发生在明化、馆陶、东二段地层(见图1)。渤中区域东下段至沙河街组地层，因硬脆性泥页岩的坍塌多次进行划眼、倒划眼作业［8］，导致处理复杂情况时间占总钻井时间的30%以上。

图1 BZ19-6-1井钻进过程中复杂情况统计Fig. 1 Statistics of complex situations in the drilling process of Well BZ19-6-1

2 井身结构优化方法

2.1 多源数据融合技术

渤中区域深层地质条件复杂，存在多压力系统，安全密度窗口窄，地层易坍塌破裂，中深层异常压力的形成存在着多源机制成因［9］。基于多源数据融合的异常压力钻前精准预测技术是将多源数据融合技术与钻井异常压力预测技术相结合，利用已知的沉积、构造、成藏等地质资料汇总在一起进行系统分析，对存在异常压力层位的信息再认识，得出沉积压实、构造挤压、油气运移等地质作用对异常压力的统一信息，系统认识勘探新区目标地层形成异常压力的成因，并及时更新地层压力数据，图2为多源数据融合技术流程图。

图2 多源数据融合技术流程图Fig. 2 Flow chart of multi-source data fusion technology

2.2 钻前压力预测流程

针对异常压力地层特点，提出基于地质、测井、地震等多元信息的地层孔隙压力钻前预测方法，将随钻数据与地震数据预测值对比，利用已钻井段数据建立层速度与声波时差校正模型，根据校正结果修正模型系数，最终对目标井进行地层压力再预测，可通过再预测值得知是否存在异常压力地层，为钻井作业提供指导，同时利用钻后数据对比分析，逐渐完善预测模型，为下口井的钻前预测做准备。图3为多源数据融合技术预测的精确地层压力剖面。

图3 BZ19-6-7井地层压力剖面Fig. 3 Formation pressure profile of Well BZ19-6-7

3 渤中井身结构优化实例及效果

井身结构的设计关系到深井钻井安全、钻井成本、钻井速度、油气层保护等，尤其是技术套管的选取，必须满足封隔复杂井段、固井工艺和井控安全的要求，因此要根据邻井地质资料与多源数据融合技术预测得到三压力剖面，结合井控、固井当量、提速等因素调整各层套管下深，封固复杂地层，降低作业难度，合理地设计深井井身结构［10］，在保证完井要求的前提下，尽可能地减小开眼尺寸，以提高上部大尺寸井眼的钻进速度，提高作业时效。

图4为渤中区块井身结构优化结果：(1)充分分析隔水导管入泥及支撑能力等因素，考虑由渤中六开井身结构优化为五开井身结构，使用Ø762 mm井眼+Ø609.6 mm隔水导管代替Ø762 mm隔水导管+Ø508 mm表层套管组合，减少了一层套管，既节省了成本又减少了作业时间；(2)为减少上部地层事故复杂率，封固复杂地层，降低下开次作业难度，将第1层Ø339.7 mm技术套管下至馆陶组上部；考虑到大尺寸井眼中完深度增加，为了提高钻井效率，将Ø444.5 mm井眼优化为Ø406.4 mm，减少了钻头单位进尺的破岩能量；(3)为减少下部地层事故复杂，通过精确的地层压力剖面预测，将第2层技术套管(Ø244.5 mm套管)下深增加，封隔易垮塌、漏失地层，进入东营组起压前中完；(4) Ø177.8 mm尾管封隔沙河街和孔店组，实现太古界潜山目的层专打。

图4 渤中19-6区块井身结构优化Fig. 4 Optimization of casing program in BZ19-6 Block

以渤中19-6-7井为例，该井设计完钻井深5 508 m，目的层位为太古界。根据三压力剖面设计优化井身结构，计划一开Ø762 mm井眼+ Ø609.6 mm隔水导管钻进至250 m左右中完，该区块浅部地层无断层及气层，隔水套管下深需封固上部薄弱层，提高承压能力；综合考虑套管头承压能力、地质资料、机械钻速、下部井眼长度等因素，二开Ø406.4 mm井眼+Ø339.7 mm套管钻进至1 618 m左右，钻穿明化镇易垮塌地层后中完；三开Ø311.1 mm井眼+Ø244.5 mm套管钻进至3 676 m左右，进入东二下段起压前中完；四开Ø215.9 mm井眼+ Ø177.8 mm尾管钻进至4 530 m左右中完，Ø215.9 mm井段控制在850 m左右；五开Ø152.4 mm井眼钻进至5 508 m，裸眼完钻。该井身结构减少了钻井复杂事故次数，可节省10～30 d的作业时间，有效提高了钻井时效。

4 结论

(1)利用多源数据融合技术，基于地质、测井、地震等多元信息的地层孔隙压力钻前预测技术，得到了较为精确的地层三压力剖面，成功将原六开井身结构优化为五开。

(2)通过随钻测井信息，实时更新钻前压力预测模型，并与地震数据预测值进行对比，利用已钻井段数据建立层速度与测井声波时差校正模型，根据校正结果修正模型系数，并对未钻层段进行孔隙压力再预测。

(3)形成的一套适合该区域的井身结构，在保证钻井安全的前提下，有效地规避在作业时可能出现的复杂事故，达到缩短钻井周期和提高机械钻速的目的，为后续海上深层钻井作业井身结构设计提供参考。