冀东油田水平井井身结构优化设计

第29卷增刊石油钻采工艺 Vo. l 29(supple m ent) 2007年7月 O I L DR I LLI N G &PRODUCTI ON TEC HNOLOGY Ju ly 2007

文章编号:1000-7393(2007) S0-0007-04

冀东油田水平井井身结构优化设计

徐小峰孙五苓白亮清邢韦亮张功智韩连胜

(冀东油田公司钻采工艺研究院, 河北唐山 063000)

摘要:冀东油田油藏、地层、井网复杂, 确定适合冀东油田地层特点的水平井最佳井身结构至关重要, 压力系数和相关参数的确定是井身结构优化设计的重要基础。针对冀东油田不同区块复杂地层和油藏特性及井身结构设计中的关键事项, 利用三压力剖面预测技术, 分析出不同区块的三压力剖面分布情况, 根据相关参数的确定原则、方法和冀东油田多年研究和钻井实践, 得出了不同区块的3个压力系数分布范围及井身结构设计工程系数范围, 为合理确定井身结构提供依据。基于以上设计基础, 按照井身结构设计基本原则, 利用井身结构设计的具体方法和步骤, 设计出了适合冀东油田的最优水平井井身结构。

关键词:三压力剖面; 相关参数; 优化设计; 原则; 方法中图分类号:TE243 文献标识码:A

水平井井身结构优化设计是水平井成功实施的一项关键技术, 它不仅关系到钻井施工的安全, 而且关系到钻井的经济效益。冀东油田实施水平井初期, 井身结构设计主要还是以经验设计为主, 考虑安全、高效因素, 一般以三开为主。随着油田的不断发展, 研究不断深入, 水平井井身结构设计逐渐从经验设计转向以科学计算为依据, 采用常规方法二条剖面(地层孔隙压力和地层破裂压力剖面) 取得6个参数, 然后根据压力平衡关系确定出井身结构方案, 但油田复杂地质条件下的水平井井身结构设计还未完全实现, 需要进行深入研究。井身结构设计的合理性在很大程度上依赖于对钻井地质环境(包括岩性、地下压力特性、复杂地层的分布、井壁稳定性、地下流体特性等) 的认识程度, 同时也需要有科学的设计思路和方法。根据已钻井的测井资料利用3个压力剖面预测技术可充分了解地层的岩性、地层压力分布等, 从而确定出井身结构方案。

(4) 下套管过程中, 井内钻井液液柱压力和地

层压力之间的差值不致产生压差卡套管。

(5) 尽可能提高机械钻速、减少钻井成本。(6) 有利于井眼轨迹控制, 有利于精确中靶。通常需要封隔并保护淡水层和非固结地层, 封隔块状的蒸发岩和易出故障的页岩层段, 在钻异常高压层段前先封隔易漏失层位, 在钻正常压力层段时先隔开异常高压地层, 不同压力层系地层或需采用密度相差较大的钻井液来控制的地层不处于同一裸眼段:避免过长的裸眼。

2 3个压力剖面的预测理论

3个压力是指地层孔隙压力、地层破裂压力和地层坍塌压力。地层孔隙压力是指地层孔隙流体的压力, 地层破裂压力是指地层产生拉伸破坏时的临界井眼液柱压力, 地层坍塌压力是指井壁产生剪切破坏时的临界井眼液柱压力。2. 1 井眼围岩应力分布

对于井深为h, 井斜角为 , 方位角为的任意斜井眼, 受到上覆岩层压力 v 、最大水平主应力 H 、最小水平主应力 h 的作用。同时受到井眼液柱压力p w 、地层孔隙压力p p 的作用。

通过求解, 可知井眼围岩应力分布有一定规律, 且井壁上任一点的应力不仅与钻井液密度有关, 而

1 井身结构设计原则

(1) 能有效保护油气藏, 尽量采用较小钻井液密度, 减小产层污染。

(2) 能避免漏、喷、塌、卡等井下复杂情况。(3) 当发生溢流时, 具有压井处理溢流的能力, 在井涌压井时不压漏地层。

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且与井壁的具体位置有关。

2. 2 强度破坏准则

岩石的破坏通常可分为脆性破坏和延性破坏。岩石之所以能产生破坏, 除了受到应力及应变状态影响外, 也受到温度、围压、应变速率等因素的控制。但在一般情况下, 岩石处于三向应力状态, 而岩石的破坏往往与3个主应力大小及其相互间的比值有关, 因此必须寻求一种能适用于各种应力状态的破坏准则。2. 2. 1 剪切破坏准则强度破坏准则是判定井壁是否破坏的临界条件。选择摩尔-库仑准则作为剪切破坏的强度判断依据。该准则认为岩石沿某一平面发生剪切破坏, 不仅与该平面上剪应力大小有关, 而且与该平面上的正应力有关。岩石并不沿着最大剪应力作用面产生破坏, 而是沿着其剪应力与正应力达到最不利组合的某一平面产生破裂。2. 2. 2 拉伸破坏准则当钻井液液柱压力过高时, 在井壁处会出现拉应力, 当拉应力超过地层的抗拉强度时, 就会出现拉伸破坏, 发生井漏事故。2. 3 3个地层压力计算模式

通过分析研究, 可得坍塌压力

220. 5

(f 1+f 2) p w +[(X-Y -p w ) -4Z ]=

222 0+0. 5(X+Y) f 2+(f1-f 2) ap p (1) 地层破坏压力(X+Y -p w ) -22

(X-Y -p w ) +4Z = T

(2)

纵向孔隙压力/g c m -3正常正常

正常1. 05~1. 11. 12~1. 25

横向孔隙压力/g c m -3均匀均匀

均匀

南部1. 14~1. 25北部1. 05~1. 08南部1. 21~1. 24北部1. 15~1. 18

石油钻采工艺 2007年7月(第29卷) 增刊利用声波时差伊顿法确定地层孔隙压力。用正常压实泥页岩井段声波时差与其对应的埋藏深度按

半对数关系回归, 建立声波时差的正常趋势线。若研究层位的声波时差落在正常趋势线上, 即为正常地层压力; 若偏离正常趋势线, 为异常地层压力。伊顿法的具体表达式为

p p =p 0-(p0-p n ) ( t n / t s )

(3)

式中, p p 为地层孔隙压力当量钻井液密度, g /cm ; p 0为上覆岩层压力当量钻井液密度, g /cm ; p n 为地层水静水压力当量钻井液密度, g /cm ; t n 为正常趋势线上的声波时差, s/m; t s 为实际声波时差, s/m 。2. 4 相关参数确定

要求取地层的坍塌压力和破裂压力, 必须已知地层的原地应力、弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角、孔隙压力、有效应力系数等参数。岩石的声学性质和力学性质间具有很好的相关性。这样可利用测井数据间接获取地层的力学参数。如果数据转换精度较高, 是一种非常实用的方法。至此, 可利用所求得的力学参数, 利用3个压力表达式求出3个压力。

3 典型地区3个压力剖面及分布

依据上述理论, 对冀东油田重点勘探开发区块高尚堡、柳赞、老爷庙、北堡4个地区地层3个压力剖面进行了预测, 给出了地层3个压力剖面在这些地区纵向和横向的分布规律。见表1至表4, 推荐钻井液密度为1. 08~1. 15g /c m 。

表1 冀东油田高尚堡地区3个压力剖面及分布

地层明化镇组馆陶组

东营组沙一沙三

纵向坍塌压力横向坍塌压力纵向破裂压力横向破裂压力/g c m -3

1. 101. 1~1. 151. 15~1. 21. 15~1. 21. 25~1. 35

/g cm -3均匀均匀

均匀均匀均匀

/g cm -31. 4~1. 61. 65~1. 751. 8~1. 851. 851. 75~1. 8

/g c m -3均匀均匀

均匀均匀均匀

表2 冀东油田柳赞地区3个压力剖面及分布

地层明化镇组馆陶组沙一沙二沙三

纵向孔隙压力/g c m -3正常正常正常1. 05~1. 1

横向孔隙压力/g c m -3均匀均匀

均匀南部1. 21~1. 24纵向坍塌压力/g c m -3

1. 051. 10~1. 151. 05~1. 11. 1~1. 25

横向坍塌压力/g c m -3均匀均匀均匀南部1. 1纵向破裂压力/g cm -31. 75~1. 851. 65~1. 75

1. 851. 85

横向破裂压力/g c m -3均匀均匀均匀南部1. 9

徐小峰等:冀东油田水平井井身结构优化设计

表3 冀东油田老爷庙地区3个压力剖面及分布

地层馆陶组东一东二东三

纵向孔隙压力横向孔隙压力/g c m -3正常正常1. 05~1. 11. 10

/g c m -3均匀均匀均匀均匀

纵向坍塌压力/g c m -3

1. 25~1. 3(玄武)

1. 3~1. 41. 2~1. 31. 3~1. 35

横向坍塌压力/g c m -3

各段内压力变化较大各段内压力变化较大

纵向破裂压力/g c m -31. 55~1. 651. 65~1. 711. 75~1. 851. 75~1. 8

横向破裂压力/g c m -3均匀均匀

均匀均匀

表4 冀东油田北堡地区3个压力剖面及分布

地层馆陶组东一东二东三

纵向孔隙压力横向孔隙压力/g c m -3正常1. 05~1. 081. 05~1. 081. 1~1. 15

/g c m -3均匀均匀

变化不大变化不大

纵向坍塌压力/g c m -3接近孔隙压力

1. 251. 321. 40

横向坍塌压力/g c m -3均匀均匀

变化范围较大变化范围较大

纵向破裂压力/g c m -3

1. 351. 551. 781. 90

横向破裂压力/g c m -3均匀均匀

变化范围较大变化范围较大

4 井身结构设计工程系数

4. 1 抽吸压力系数S g 和激动压力系数S b

波动压力可采用稳态或瞬态模型进行计算。前者不考虑流体的可压缩性和管道的弹性, 后者考虑了液体的压缩性和流道的弹性。后者计算模式更为精确, 但计算复杂, 在井较浅的条件下, 采用稳态计算波动压力较安全, 且计算简单、速度快, 但随井深的增加误差增大。

抽吸压力和激动压力的大小受下列因素控制:管柱的起下速度, 钻井液黏度, 钻井液静切力, 井眼与管柱间的环空间隙, 钻井液密度, 环形节流(如钻头泥包) 等。

在其他条件相同时, 波动压力随井深增加而增加, 随环空间隙增大而减小, 随定向井偏心度增加而减小。如果定向井钻井设计时, 选用同心环空波动压力系数, 会使设计更安全; 在影响波动压力大小的各因素中, 其影响程度大小顺序为:钻井液流性指数、环空间隙、最大起下钻速度、钻井液密度、稠度系数、起下钻位置深度等。

在定向井、水平井钻井中抽吸压力系数和激动压力系数不是定值, 不但与钻井液的流变性、井眼的几何参数以及起下钻速度等因素有关, 还与井眼轨迹有关。波动压力的影响随测深与垂深之比增加, 在井底处最大, 应注意避免发生钻头在井底静止一段时问后突然开泵的情况, 可首先慢慢转动钻柱数分钟, 然后慢慢开泵, 逐步增大排量。压力激动在下套管时特别危险。根据冀东油田多年研究和钻井实践, S b S g 0. 0. g /c m 。

4. 2 地层破裂压力安全系数S f

S f 是考虑地层破裂压力预测可能产生误差而设

立的安全系数, 它与破裂压力预测的精度有关。在设计中可根据对地层破裂压力预测或测试结果的精确程度来定。测试数据(漏失试验) 较充分、生产井或在地层破裂压力预测中偏于保守时, S f 取值可小一些; 而在测试数据较少、探井或在地层破裂压力预测中把握较小时, S f 取值需大一些。冀东油田取值:S f =0. 03g /cm 。4. 3 井涌允量S k

井涌允量表示最大井涌地层的压力系数超过所用钻井液密度的最大允许值, 该值取决于地层压力的预测精度, 也取决于现场控制井涌的能力, 设备技术条件较好时, 可取低值。通常, 风险较大的是高压气层和浅层气, 高压水层控制起来较容易。根据冀东油田多年研究和钻井实践, S k =0. 05~0. 1g /c m 。

4. 4 压差允值( p n 和 p a )

裸眼中, 钻井液液柱压力与地层孔隙压力的差值过大时, 除使机械钻速降低外, 也是造成压差卡钻和压差卡套管的直接原因。各个地区, 由于地层条件、所采用的钻井液体系、钻井液性能、钻具结构、钻井工艺措施有所不同, 因此压差允许值也不同。通过大量的现场统计分析, 冀东油田允许取值分别为12M Pa 、15MPa 。

5 水平井井身结构设计方法

井身结构设计的步骤是由内向外, 自下而上, 逐

(1) 利用压力剖面图上最大地层压力梯度或最大坍塌压力梯度求中间套管下入深度假设点h 3。

(2) 验证中间套管下入深度是否有卡钻危险。

p =0. 0098( m - p ) h n

(4)

式中, m 为套管下入深度假设点h 3的钻井液密度, p 为假设点以上最小地层压力当量密度; h n 为最小

地层压力点深度。

若 p

若 p > p n (或 p a ), 则中间套管下入假设点有卡钻危险, 采取如下办法解决:由式 p = p n (或 p a ) 重新计算考虑压差卡套管时允许使用的最大钻井液密度 m , 并进而计算出最大允许地层压力( m -S b ) 来确定中间套管新下深h 2。

(3) 计算尾管的最大下深。若出现压差卡钻, 按上述方法重新计算中间套管下深后, 还需要解决h 2到h 3的钻井安全问题, 往往需要多下一层套管或尾管。一般情况下, 尾管下至h 3即可。也可根据h 2处的破裂压力下推尾管的最大下深, 公式如下 fh2-(S b +S g +S f ) = p

对应的井深即为尾管的最大下深。

(4) 表层套管下深

h 2

S k fd = ph2+S b +S f +

h 1

(6) (5)

石油钻采工艺 2007年7月(第29卷) 增刊通过运行井身结构设计软件, 可以得到冀东油田各区块典型水平井井身结构设计结果。

表5 水平井井身结构优化设计结果

套管表层生产

套管外径

垂直下深/m 3502400

钻头外径

套管/井眼间隙/mm50. 8、52. 438. 1、31. 8

/mm

273. 05、339. 7139. 70、177. 8/mm

374. 65、444. 5215. 90、241. 3

从表5中可以看出, 该井身结构较为简单, 并为复杂情况的处理留有余地。通过在老爷庙、柳赞、高

尚堡等区块的应用, 取得了较好的效果。同时需要说明的是, 该井身结构还充分考虑了水平井测井问题。计算表明, 需要钻杆输送测井的65~90 井段中, 65 按常规增斜率7 /30m 增至探油顶井斜85 需要段长85m; 探油顶稳斜段一般设计30m ; 探到油层挑到井斜角90 需要30m; 目的层一般段长150m; 另外口袋及测井重叠段留50m 的余量。以上各井段长累计约340m 。为保证钻杆输送测井不磨电缆, 尽量避免旁通接头出表层套管鞋, 确定表套下深340~360m, 是一个较为合理的深度。

7 结论

(1) 三压力剖面预测技术是近年来应用于钻井设计的专项技术之一, 详细解释了冀东油田各区块的三压力分布情况; 给出了冀东油田井身结构设计工程系数范围, 按照井身结构设计的基本原则、方法和步骤, 设计出适合冀东油田的最优水平井井身结构, 成功应用于高尚堡、老爷庙等油田钻井, 并在保护油气藏、防止井下复杂情况等方面取得良好的效果; 提出了水平井表层下深应充分考虑测井施工安全的概念, 并介绍了两者具体的计算方法。(2) 随着油田钻采一体化理念的加强, 冀东油田水平井井身结构正在不断完善调整, 目前又实践了油层专打和筛管完井技术, 但针对各区块不同层位最优的完井方式, 仍需摸索、比较。

参考文献:

[1] 钻井手册编写组. 钻井手册(甲方) 上册[M].北

京:石油工业出版社, 1990:102-111.

[2] 李科, 张风江. 海油陆采大位移井钻井技术[J].石油

钻探技术, 2001, 29(5) :28-30.

(收稿日期 2007-05-09)

根据中间套管鞋处地层压力梯度 ph2, 在给定

S k 的溢流条件下, 用试算法计算表层套管的下入深度。 fd 为表层套管鞋处的许用破裂压力当量密度。

(5) 进一步校核中间套管。校核中间尾管下入最大深度是否有卡套管危险, 同步骤(2); 校核在给定溢流条件下压井时, 中间套管鞋处是否有压裂的危险, 同步骤4。

(6) 油层套管校核。应进行压差卡钻和溢流条件校核。

6 水平井井身结构优化设计结果

分析冀东油田典型地区3个压力剖面可以看出, 通常在2400m (常规馆陶组底部深度) 垂深以内, 地层破裂压力与地层孔隙压力或坍塌压力间有较大的差值, 通常不需考虑钻下部井段时会出现上层套管鞋处漏失问题, 同时由于井的垂深较浅, 一般也不存在压差卡套管问题, 因此确定套管下深的关键是避免井涌压井不压漏地层和是否存在必封点。

编辑薛改珍

Vo. l 29supple m ent ABSTRACT

O I L DR ILLING &PRODUCT ION TECHNOLOGY

V o. l 29 supple ment July 2007

ABS TRACTS

P reli m inary research and discussion on crustal st ress i n Ji d ong O ilfiel d . W ANG X i m ao , YANG L iang jie , S ONG Li bi n , S UN Shu dong . ODPT , 2007, 29(S0):1 3

Abst ract :D evelopm ent of Ji d ong O ilfield is i n fl u enced seriously , where 221o il wa ter w e lls w ith da m aged casi n g p i p e have been found until the end o f 2005. In order to ex tend serv i c e life o f casing pipe and allev iate da m age speed of casi n g pipe i n o ilwa ter w e l, l pre li m i n ar y research on the m ain factor crusta l stress causi n g casi n g pipe da m age is done . By co m prehensi v e ana l y sis test of rock m echanical properti e s of o ilfie l d and co m prehensive test o f cr ustal stress i n every m ain deve lopm ent block of oilfield , size and di rection of crustal stress o f ever y developm ent o ilfie l d i n Ji d ong O ilfield . It concludes t h at boreho le stab ility of shaft is w orst i n east w est directi o n and best i n south no rth direction i n Jidong O ilfield by fracture m o n ito ri n g of fracturi n g w el. l Therefore , hole trajectory of w ell drilling shou l d dev iate fro m east w est d irec ti o n . The research results confir m function o f crusta l stress as one o fm ost i m portant factors causing casing pipe da m age and pr ov i d e theory basis for deter m ining ho le tra j e ctory of drilli n g w ell and i m pr ov i n g su itab ility of casing str i n g i n o ilfi e l d .

K ey w ords :Ji d ong O ilfield ; crusta l stress ; cas i n g pipe da m age ; research

WANG X i m ao , Jidong O ilfi e l d O il Production Technology Research I nstitute , Tangshan 063000, H ebe, i Ch i n a

D iscussion on geosteering m et hods of horizontal w ells . LI U Y an song , HENG W an fu , L I U B i n g , S UN Guan yu ; YAO Zhi qiang . ODPT, 2007, 29(S0):4 6

Abst ract :For be tter exp l o itation o f resi d ual res ervo irs , i m prove m ent o f recovery , reducti o n of co m prehensi v e cost and i n cre m ent of si n gle w e ll pr oduc ti o n , techno logy o f horizontal w ell in Jidong O ilfield , app li e d and developed rapidly i n recent three years , beco m es one o f the m ain m eans to i n crease o il y ield . Geosteeri n g , a techno l o gy for gu i d i n g field d irecti o na l constructi o n and trend and m ax i m ized reservo ir drill i n g of b i, t has d irect infl u ence on successf u l operation of horizonta lw e l. l Fro m act u al conditi o ns , against fact of m easure m ent i n str um ent of L WD (Logg i n g W h ile Drilli n g ) lagg i n g bi, t this paper concludes L WD cur ve analysi s by d ifferent de tecti n g depth of deep and shal l o e , n

sition re lative to reservo irs by ana l y sis on adjacent an

gle datas , and puts for w ar d for m ulas of ca lculati n g ap parent d i p of actual for m a ti o n i n f o ur out layer state by deeper analysis of ho w to calcu late dip ang le of actua l for m ati o n and guiding b it reentry in reser vo ir . These m ethods , app lied w i d ely i n horizontalw ell drilli n g and m ak i n g average drilli n g ratio in horizontal secti o n res ervo irs over 80%, obtai n good developm ent effec. t I n a wo r d , geosteeri n g has been key techno logy i n hori zonta lw ell drilli n g .

K ey w ords :ho rizon talw el; l geosteeri n g ; L WD; reentry reservo ir ; w ell dec li n e

LI U Yan song , Superv isi o n Center of Exploration and Developm ent Pro jec, t PetroCh i n a Jidong O ilfie l d , Tangha i 063200, H ebe, i Ch i n a Technology of casi n g programm ing for horizontal w ell in Jidong O ilfield . XU X iao feng , SUN W u li n g , BA I Liang qi n g , XING W ei liang , ZHANG Gong zh, i HAN L ian sheng . ODPT , 2007, 29(S0):7 10

Abst ract :Accordance w it h for m ation character istic of Ji d ong O ilfield w ith co m p l e x reservo irs , stra tum and underground w e ll net w or k, fi n d i n g opti m a l w e ll str ucture su itab le for ho rizontalw ell in Jidong O il field , is o f grea t i m portance . De ter m inati o n of pres sure coe fficient and related para m eters is i m portant basis for casing progra mm i n g . A gai n st co mp lex char acteristics o f for m ation and reservoirs i n d ifferent blocks o f Ji d ong O ilfield and key instances of casing progra mm ing , d istri b uti o n conditi o n of three pressure pro file i n different b l o cks is analyzed by techno logy for prediction o f three pressure profile , and spec ific dis tri b ution range o f three pressure coefficient and eng i neer i n g coe ffi c ient range of casing prog ra mm i n g are gai n ed according to deter m i n ati o n pri n ciple and m et h od of relevan t para m eters , researches i n m any years and drilli n g practice , wh ich provides basis for reason ab l e deter m i n ati o n o f w ell struct u re . Based on the a bove design , accord i n g to basic princ i p le of casing progra mm ing , opti m alw ell structure o f ho rizontal w ell su itable for Ji d ong O ilfie l d is desi g ned by spec ific m ethod and procedure of casing prog ra mm i n g .

K ey w ords :three pressure pr o file ; re l e vant pa ra m eters ; opti m um design ; princ i p l e ; m ethod

XU X iao feng , A cade m y of Drilli n g and Pr oduc ti o n Techno logy , Ji d ong O ilfield , Tangshan 063000, H ebe, i Ch i n a