库车山前盐层随钻扩眼尺寸优化研究

周小君， 刘洪涛， 何世明， 周 波， 赵 力， 汤 明， 黄 韬

1中国石油塔里木油田分公司 2西南石油大学 3油气藏地质及开发工程国家重点实验室

0 前言

塔里木库车山前构造带埋深4 000～6 800 m间盐层广泛发育，盐下油气约占总资源量38%[1]。山前构造应力加速盐膏岩蠕变，常引发缩径卡钻及套管损毁等井下复杂[2- 4]。据不完全统计近年库车山前盐层常用井身结构Ø241.3 mm井眼共完钻58井次，其中53井次发生因地层蠕变缩径导致的钻具阻卡和套管挤损等井下复杂，平均损失钻时244.1 h。同时盐层地应力异常导致钻井漏失率超60%,固井质量合格率小于50%。为解决相关复杂情况并保障钻井时效，库车山前盐层Ø241.3 mm井眼已成功应用Rhino XS扩眼工具随钻扩眼数30余井次、累计扩眼进尺超4 000 m。

随钻扩眼技术能有效增大Ø241.3 mm井眼环空间隙，降低卡钻、套管挤损及溢漏风险，提高盐层固井质量[5- 7]，但Ø241.3 mm井眼扩后井眼尺寸范围为250～290 mm，扩眼尺寸范围过大给后期固井施工带来了诸多困难，也降低了经济效益[8- 9]。因此，开展盐岩蠕变、固井顶替效率和机械钻速等多因素影响下的扩眼尺寸优化研究，明确库车山前盐层Ø241.3 mm井眼合理扩眼尺寸，对高效开发库车山前盐层油气资源具有重要意义。

本文以库车山前盐层Ø241.3 mm井眼为研究对象，通过岩石力学室内实验明确库车山前盐层力学参数及蠕变规律，建立盐岩蠕变模型、固井顶替效率模型和随钻扩眼仿真模型优化Ø241.3 mm井眼扩眼尺寸，并通过现场应用论证了优化后扩眼尺寸的合理性。本研究的成果对库车山前盐层随钻扩眼作业具有重要指导意义。

1 考虑盐岩蠕变的扩眼尺寸优化研究

为确定盐岩蠕变对扩眼尺寸的影响，需先明确盐岩的力学参数和蠕变规律。采用库车山前新近系吉迪克组和古近系库姆格列木群盐岩岩心开展岩石力学参数和蠕变规律测试。盐岩岩石力学参数测试结果为：密度1.96 g/cm3、单轴抗压强度26.5 MPa、弹性模量28 GPa、泊松比0.22。

图1为盐岩蠕变测试蠕变速率随时间变化曲线。如图1所示：蠕变速率随围压增大而快速增加；随着时间增加，蠕变速率逐渐趋于恒定。通过蠕变速率拟合发现，库车山前盐岩蠕变规律与Heard模型吻合较好，即：

图1 盐岩蠕变速率-时间变化关系图

式中：εs—稳态蠕变速率，s-1；R—摩尔气体常数(R=1.987 cal/mol/K)；σ—差应力，MPa；T—热力学温度，K；t—时间，s。

以盐岩蠕变模型为基础，利用Ansys建立蠕变仿真模型系统分析盐层蠕变情况。其它基础参数：钻井液密度2.25 g/cm3，温度168 ℃。图2给出了仿真模拟结果，由图2可知：盐层稳态蠕变速率为0.078 mm/h，库车山前盐层下套管和注水泥浆作业时间4～7 d，得到固井期间盐岩蠕变位移7～13 mm，即考虑盐岩蠕变的最小扩眼尺寸为249～254 mm。

图2 盐膏岩蠕变仿真模型计算结果

2 考虑顶替效率的扩眼尺寸优化研究

固井中注水泥浆的顶替效率是保证固井质量的关键，套管偏心度是影响顶替效率的重要参数之一。顶替时，套管偏心会使环空间隙大小不一，导致窄间隙处流动阻力大、顶替效率低[10]。扩眼后井眼尺寸增大，而套管扶正器尺寸仍为原井眼所对应的扶正器尺寸，导致扩眼后套管偏心度增加。虽然扩眼能增大环空间隙，但也会导致套管偏心度增大，从而影响顶替效率，因此需要建立考虑顶替效率影响的扩眼尺寸评价方法。综合考虑扩眼尺寸和偏心率影响的顶替效率评价模型为[11- 13]：

▽·S=-f,σ>0

(1)

(2)

由图3可知：套管偏心度随扩眼尺寸的增大而增加，顶替效率随偏心度的增大而降低。以顶替效率85%为判断依据，得到Ø241.3 mm井眼中考虑固井顶替效率影响的扩眼后井眼尺寸不大于270 mm。

图3 顶替效率和扩眼尺寸与套管偏心度的变化规律

3 考虑机械钻速的扩眼尺寸优化研究

为进一步探究Ø241.3 mm井眼不同扩眼尺寸对随钻扩眼机械钻速的影响，本文研究在考虑蠕变和顶替效率的基础上，采用Abaqus动力学仿真软件建立随钻扩眼仿真模型模拟Ø241.3 mm井眼盐层段随钻扩眼作业过程。

根据山前盐层地质特征和Ø241.3 mm井眼完钻扩眼井实钻情况，随钻扩眼仿真模型参数设置为井温168 ℃、钻井液密度2.25 g/cm3、钻压95 KN、转速100 r/min及机械钻速5～15 m/h。

随钻扩眼仿真模型模拟结果如图4所示。由图4可知：地层应力随机械钻速和扩眼尺寸的增大而增加，当扩眼尺寸大于270 mm后，地层应力变化趋于平缓，因此，建议扩眼尺寸不超过270 mm。

图4 随钻扩眼仿真模型模拟结果

综合考虑盐岩蠕变、固井顶替效率和机械钻速影响下的Ø241.3 mm井眼扩眼尺寸推荐为254～270 mm，建议扩眼尺寸采用推荐扩眼尺寸的上限值。

4 现场应用

A井为库车山前的一口定向井，Ø241.3 mm井眼钻遇新近系和古近系盐层，采用Rhino XS 9250型扩眼工具扩眼至266.7 mm，采用密度为2.07～2.27 g/cm3的欠饱和聚磺钻井液，实钻黏滑指数0～0.2，机械钻速5～12 m/h，转速77～95 r/min，钻压39～89 kN。扩后井眼尺寸262～293 mm，绝大部分井段井眼尺寸大于266.7 mm，表明该方法能有效扩大井眼尺寸；局部区域扩径相对较大为欠饱和聚磺钻井液溶解盐岩所致见图5。

图5 A井随钻扩眼井段实钻数据

图6为扩眼井A与未扩眼邻井B井实钻参数对比，Ø241.3 mm井眼扩眼至266.7 mm时的黏滑指数和机械钻速与邻井差异小，库车山前盐层段Ø241.3 mm井眼实际扩眼尺寸266.7 mm与理论预测扩眼尺寸吻合，表明库车山前盐层段将井眼尺寸随钻扩至266.7 mm是科学合理的。

图6 A井与未扩眼邻井B井实钻情况对比

表1为A井随钻扩眼后同返速下固井ECD变化情况。固井同返速条件下，扩眼后环空ECD最大降低0.052 g/cm3，更有利于预防固井井漏[14- 15]。

表1 A井随钻扩眼后固井ECD变化情况

图7为A井Ø241.3 mm井眼随钻扩眼后尾管固井质量与邻井情况对比图。随钻扩眼后，A井尾管固井质量合格率为88%、优质率为55%，较同区块邻井平均固井质量合格率和平均固井质量优质率分别提高49%和39%。随钻扩眼技术有效保障盐层段固井质量，为后续采油气施工创造了前提条件。

图7 随钻扩眼后A井尾管固井质量与邻井对比情况

5 结论

(1)Ø241.3 mm井眼考虑盐岩蠕变影响的最小扩眼尺寸为254 mm，考虑固井顶替效率和机械钻速影响的最大扩眼尺寸为270 mm；综合以上因素影响的库车山前盐层Ø241.3 mm井眼推荐扩眼尺寸为254～270 mm。

(2)库车山前构造A井盐层段Ø241.3 mm井眼扩眼至266.7 mm，与推荐扩眼尺寸吻合；扩眼后同返速下固井ECD最高下降0.052 g/cm3，固井质量合格率及优质率较同区块邻井分别提高49%和39%，表明库车山前盐层段将井眼尺寸随钻扩至266.7 mm是科学合理的。