基于漏失压力极限法的压力衰竭气藏大位移水平井井身结构设计

李忠慧 李 中 方满宗 楼一珊 陈浩东 刘 杰

1.“ 油气钻井技术”国家工程实验室·长江大学石油工程学院2. 中海石油（中国）有限公司湛江分公司 3. 中国石油吐哈油田公司吐鲁番采油厂

井身结构不仅关系到钻井、完井工程的整体效益，也关系到生产层的保护和产能的维持，直接影响到整个油气井的质量和使用寿命。大位移水平井具有水平位移大，水垂比高，裸眼井段长的特点，钻下部地层时上部裸眼井段容易被压裂[1,2]；压力衰竭地层易发生井漏、井塌等井下复杂情况，其主要原因是油气压力下降后岩石特性参数以及地应力发生改变，表现在井眼坍塌压力、破裂压力的变化。当在压力衰竭地层进行大位移水平井钻进时，由于地层坍塌压力、破裂压力的改变，常规的井身结构设计方法不能满足工程需要。笔者针对压力衰竭地层大位移水平井钻井特点，建立了适合于压力衰竭地层大位移水平井井身结构设计方法，并将该方法应用于南海北部湾莺歌海盆地东方1-1气田，取得了很好的应用效果，研究结果为压力衰竭地层大位移水平井井身结构设计提供了一定的理论依据。

1 衰竭储层井身结构优化难点和对策

目前，大位移水平井井身结构设计多参照直井和定向井井身结构设计方法，未充分考虑水平段动态压力的影响，导致在水平段钻井过程中容易发生漏失，降低了钻井效率并增大了钻井成本。覃成锦等[3-10]学者依据水平井钻井过程中水平段的井筒环空动态压力特点，提出了一种压漏校核新方法，该方法将环空动态压力计算纳入水平井井身结构设计中进行考虑，逐段进行环空动态压力计算与校核，通过寻找压漏临界点来确定套管下入深度，并根据钻井实践经验优化水平井井身结构，提高了水平井井身结构设计的科学性。窦玉玲运用系统分析方法研究大位移井井身结构设计，该方法增加了水力性能、扭矩极限、井眼稳定性、套管下入可行性等相关评价，利用实现井眼清洁对应的系统压耗、钻井液当量循环密度、钻进或下套管过程中可能产生的最大扭矩、预计的最大井径扩大率以及套管下入过程中最小大钩载荷等参数作为校核参数，对传统井身结构设计思路进行了完善，并给出了相应的约束方程。

总体来说，基本原理是根据裸眼井段内压力平衡关系确定每层套管的下深，其基础数据包括地层三个压力剖面、钻进环空流体动态的6个基础参数[8]。其基本思路是根据压力平衡关系确定出井身结构方案，即采用坍塌压力、孔隙压力的最大值作为下限，破裂压力的最小值作为上限，针对常规地层，此种方法能够实现优质安全钻井，然而，针对压力衰竭地层，由于压力衰竭导致地层地应力发生变化，沿用常规大位移水平井井身结构设计方法易出现卡钻、坍塌、漏失等复杂情况。针对压力衰竭后坍塌压力、漏失压力的变化，笔者将井筒最大液柱压力与漏失压力平衡作为初步确定套管下深的约束条件，同时考虑钻井液当量循环密度（ECD）的影响，对储层段压力衰竭的大位移水平井井身结构进行了优化设计。

2 衰竭储层井身结构优化过程方法

针对压力衰竭地层，井身结构设计原则是在裸眼段钻进中及井涌压井时不发生井漏，并在钻进和下套管时不发生压差卡钻事故。

2.1 压力衰竭后地层漏失压力计算模型的建立

储层在压力衰竭过程中有体积收缩的趋势，但在围岩的影响下，产层的横向变形受到限制，体积收缩的趋势转化为应力减小，最终结果是导致水平向地应力发生改变，储层压力衰减后，假设流体压力的改变只引起地层垂向变形，在水平面内的变形为零，且认为压力衰减过程中上覆主应力保持恒定，根据广义胡克定律，可求得地层压力降低Δp后的地应力计算模型如式（1）所示[13-14]：

式中σH、σh、σv表示原始最大、最小水平、垂直地应力，MPa；如果储层流体压力降低，为负号，表示地应力减小，如果储层流体压力升高，为正号，表示地应力增加；μ表示泊松比，无量纲；α表示有效应力贡献系数，无量纲；Δpp表示地层压力变化量，MPa；ω1，ω2为构造应力系数。

钻井中发生井漏的原因除地层被压裂之外，还有由于压差较大在高渗透率储层、断层及不整合面等情况，或者由于邻近断层附近的地层自身存在裂缝、裂缝重张和延伸造成井漏，此时认为漏失压力等于水平最小主地应力，其数值的大小可通过建立地应力计算模型获得[15]。在压力衰竭地层中钻进时，很容易出现漏失等复杂情况[16-17]，因此本研究取漏失压力作为井内压力平衡的上限，其值等于水平最小主地应力。

2.2 当量循环密度的确定

钻井液当量循环密度为钻井液的当量静态密度与钻井液流动造成的环空压力损失之和[11]。

式中ECD表示当量循环钻井液密度，g/cm3；ESD表示当量静态密度，g/cm3；papl表示井深H处环空压耗，MPa；H表示垂深，m。

根据式（2），在确定了ESD之后，还需建立钻井循环期间环空压力损耗的计算模型。水平井的环空动态压耗大小受钻井液密度、黏度、排量、井眼尺寸与钻柱尺寸等影响。论文采用幂律模式，在工程精度允许的范围内对循环系统的流动问题进行适当简化。

当流态为层流时，环空井段的压耗为：

当流态为紊流时，环空井段的压耗为：

2.3 井身结构设计过程

2.3.1 水平段钻进发生压漏的计算判断

井底不被压漏的最大允许压力增量为：（5）

把式（5）计算结果与式（3）或式（4）计算的井底环空压耗进行比较，即可判断是否会发生压漏。

2.3.2 压漏情况下是否采用套管封隔的判断

如果水平段钻进经初步校核papl大于等于Δpz，水平井眼会被压漏，是否采取套管封隔方案，主要从以下两个方面做出综合评估判断：①考虑目前的钻井技术水平及处理压漏复杂情况的技术措施等。②对钻井液密度与性能进行调整，以减小环空压耗来避免或减轻压漏。

经上述评估后仍然不能避免压漏情况，那么只能增加一层套管，计算步骤如下：

1）井底不发生井涌的最大允许压力降低值计算为：

式中Δpm表示保证井底不发生井涌的最大允许压力降低值，MPa；ρm、ρp、Δρm分别表示钻井液密度、地层孔隙压力当量密度、钻井液密度附加值，g/cm3。

2）计算井底的环空压耗（Δpb2）

根据调整后的钻井液密度与性能参数，按不同的流态选择式（3）或式（4）计算井底的环空压耗Δpb2，再与式（6）计算的井涌最大允许压力降低值结果进行比较，如果Δpm大于等于Δpb2，表明由调整钻井液的技术措施减小的井底压力可以抵消钻井液循环引起的环空压耗，能够满足安全钻到井底的要求；如果计算结果仍不能满足，则采用套管封隔技术方案。

2.3.3 计算压漏临界点深度

随着水平段的延伸，其水平段中必然存在某一点处的环空压耗（Δpb2）增大至由调整钻井液的技术措施而降低的静液压力（Δpm），该点即为压漏临界点深度[18]，即套管下入深度。由于计算复杂，该点深度需进行计算机迭代计算。

2.3.4 增加套管层次的压漏校核

经计算压漏临界点深度不能钻达设计深度，需要增加套管层次，则需要按照上述步骤对新设计的环空进行压漏校核，直至压耗计算结果满足要求为止。

3 实例分析

东方1-1气田位于南海北部莺歌海海域，区域构造位置为莺歌海盆地中央泥底辟构造带北部。随着油气田持续采出地层流体（油、气、水等），地层压力出现大幅度衰竭，根据气田生产中实测数据，至2014年，Ⅲ上气组部署井段地层压力系数已由原始的1.03下降至0.95，Ⅱ下气组部署井段地层压力系数下降至0.46，Ⅰ气组部署井段压力系数下降至0.80。

3.1 井身结构设计系数确定

井身结构设计的合理与否，其中一个重要的决定因素是设计中所用到的抽汲压力系数、激动压力系数、破裂压力安全系数、井涌允量和压差卡钻允值这些基础系数是否合理。通过分析处理东方1-1气田已钻井（9口井）的录井、井史、地质等资料，根据计算模型，确定了压力衰竭后的井身结构设计系数如表1、2所示。

3.2 压力衰竭后地层坍塌压力、漏失压力、破裂压力分布规律

根据定向井井壁稳定分析计算模型，考虑压力衰竭对地应力，破裂压力，坍塌压力的影响，应用东方1-1气田实际钻井资料及测井资料，得到大位移井压力衰竭后的井眼地层4个压力剖面，如图1所示。

表1 东方1-1气田已钻井抽吸压力系数、激动压力系数取值表

表2 东方1-1气田已钻井破裂压力安全系数、井涌允量和压差卡钻允值取值范围表

图1 大位移井压力衰竭后井眼地层4个压力剖面图

3.3 井身结构设计结果

根据对东方1-1气田已完钻井使用井身结构适用性分析，相对现今存在压力衰竭多套压力系统的地层，传统的井身结构设计存在一定的缺陷，尤其在压力衰竭地层中容易出现卡钻、漏失等复杂情况。这些复杂地层必须及时地进行封隔，即必须确定必封点的位置，寻求一种更为有效地井身结构设计方法。结合井身结构优化技术，利用传统的自下而上井身结构设计方法的计算结果，融入自上而下井身结构设计方法的设计思想，对东方1-1气田拟钻井套管层次以及下深进行优化设计，设计结果见表3。

表3 东方1-1气田拟钻井井身结构设计方案表

从表3中可以看出，根据力学平衡原理优化设计的井身结构能够满足压力衰竭地层大位移井的安全钻井，但Ø339.7 mm套管下深较大，在实际工程过程中要考虑下套管的摩阻问题。

卡钻、漏失校核结果如表4所示，从中可以看出，采用优化的井身结构设计方案，不会发生卡钻、漏失等问题。

表4 拟钻井井身结构条件下卡钻、漏失校核结果表

4 结论与建议

1）压力衰竭地层钻井复杂事故以井漏为主，在进行井身结构设计过程中应以漏失压力作为主要考虑因素，因此提高地层压力预测精度显得尤为重要。

2）在大位移水平井地层进行井身结构设计，考虑到裸眼井段长，水垂比大的特点，应当计算钻井液循环当量密度。

3）对该地区地层情况进行综合研究，得出了压力衰竭地层合理的井身结构，优化了套管程序，降低了钻井成本，并减少了钻井过程中漏、喷、塌、卡等复杂情况的发生，研究结果为压力衰竭地层大位移水平井井身结构设计提供了科学的理论依据。