井身结构设计

2005年 第29卷 石油大学学报(自然科学版) Vol.29 No.4 第4期 JournaloftheUniversityofPetroleum,China Aug.2005

文章编号:1000-5870(2005)04-0052-04

井身结构设计必封点综合确定方法研究

侯喜茹1,柳贡慧1,仲文旭2

(1.中国石油大学石油天然气工程学院,北京102249;2.塔里木石油勘探开发指挥部,新疆库尔勒841000)摘要:在对库车地区深井超深井井下复杂情况分析的基础上,综合考虑地层岩性和地层压力等影响因素,根据已有资料,用随机理论方法确定发生井下复杂情况的概率密度函数,得出井下复杂情况发生的位置及可能性,提出新的井身结构必封点确定方法。应用实例表明,用随机理论方法确定井下复杂情况是可行和有效的,井身结构设计中必封点的确定原则并不惟一,设计者应根据经验和实际情况加以取舍。关键词:井身结构;必封点;地层岩性;地层压力;概率;井下复杂情况中图分类号:TE21 文献标识码:A

Comprehensivedeterminationmethodofsettingpositionfor

casingprogramdesign

HOUX-iru1,LIUGong-hui1,ZHONGWen-xu2

(1.FacultyofPetroleumEngineeringinChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China;

2.TarimPetroleumExplorationandDevelopmentHeadquarter,Korla841000,China)

Abstract:Basedonthedownholecomplicatedconditionsanalysisofdeepwellsandultra-deepwellsinKucheregion,andcompre-hensivelyconsideringtheinfluencefactors,suchasformationlithologyandformationpressure,theprobabilitydensityfunctionofdownholecomplicatedconditionswasdeterminedusingtheexistingdatabytheprobabletheorymethod.Meanwhile,thepositionandpossibilityofdownholecomplicatedconditionsoccurrencewasderived,andthenewdeterminationmethodonsettingpositionforcasingprogramwasputforward.Thepracticalapplicationresultsshowthatitisfeasibleandeffectivetodeterminethedownholecomplicatedconditionsbytheprobabletheorymethod.Thedeterminationprincipleofsettingpositionincasingprogramdesignisnotsole,andthedesignershouldmakeone schoicebasedontheexperiencesandactualconditions.

Keywords:casingprogram;settingposition;formationlithology;formationpressure;probability;downholetrouble

井身结构设计在国内外已开展了广泛深入的研究,但对于复杂地质条件下深井的井下复杂情

况,理论上目前还没有相对准确地确定具体的复杂层位所在的确切井深位置的方法。由于新疆塔里木油田库车地区的深井复杂地层特点,钻井复杂情况及井下事故经常发生,给钻井生产带来极大的困难。为了更加准确地确定地层复杂情况发生的位置,针对塔里木油田库车坳陷复杂的地质条件,提出一种采用概率统计方法来确定井下复杂情况发生的可能性的方法。通过对井下复杂情况及井下事故的分析,利用随机分析理论进行确定井下必封点的研究。

收稿日期:2004-12-28

[1-6]

1 常规必封点的确定方法

所谓的必封点[7]是指根据已钻井的井眼来确定某些应及时封隔的地层,必封点深度就是钻井裸露井眼中可行裸露段的底界深度。传统的井身结构设计是根据压力剖面来选择套管下深,同时考虑地质复杂必封点的情况,然后进行压差卡套管校核。但某些影响钻进的复杂情况,如易坍塌泥页岩、盐膏层蠕变等目前还不能反映到压力剖面上。某些复杂情况的产生又与钻进速度和钻井液浸泡时间有关。这些复杂地层在钻井工艺水平无法顺利钻达的条件

基金项目:塔里木油田分公司项目 异常高压条件下井身结构优化研究 资助(41301050348)

作者简介:侯喜茹(1970-),男(汉族),吉林松原人,博士研究生,从事井下力学、信息与控制工程及钻井新技术研究。

井身结构设计

第29卷 第4期 侯喜茹等:井身结构设计必封点综合确定方法研究

53

下需要及时进行封隔。合理的井身结构设计是确保安全钻井的关键,如果对地质复杂情况不很清楚,就无法确定套管大致的下深位置,这就需要重新考虑一种更为合理的办法来确定地质复杂必封点位置。同时,地层岩性也影响必封点的选择,若为钻井生产施工的方便和安全考虑,还要根据经验选择必封点。必封点包括工程必封点和地质复杂必封点。工程必封点可根据压力剖面计算出套管下深位置,作为其深度位置

[7]

F (x)=exp-

H

-

f(x)dx=

H

-

2

(1)

)2dx,- <H<+ ,2(x- 2

以及发生溢流、井漏和卡钻的井数和井深,可以统计出该地区发生井下复杂情况的概率密度,3种井下

复杂情况的概率密度分别为

溢流:

fy(x)=exp-;

2593.1342140423.96井漏:fl(x)=2976.17exp-2819453.26;

卡钻:

。地质复杂必封点则可根据所钻

(2)

遇的地层岩性来考虑其位置: 浅部的松软地层是一些未胶结的砂岩层和砾石层,地层特点是疏松易塌,钻进过程一般采用高粘度钻井液钻穿后下入表层套管封固; 为安全钻入下部高压地层而提前准备一层套管并提高钻井液密度; 封隔复杂膏盐层及高压盐水层,为钻开目的层做准备; 钻开目的层; 考虑备用一层套管,以应对地质加深的要求和应付预想不到的复杂情况发生。

传统的必封点确定方法都没有定量描述出井下复杂情况的影响,而这些经验往往都是采取保守的估计方式,为了确保安全,在设计系数取值上也是保守的。设计系数由历史经验确定,而不是根据现场统计数据确定。这不仅不科学,而且也不经济。

本文中基于地质复杂情况来讨论确定必封点的方法。

(3)

fq(x)=exp-.(4)1886.68161133045.82

式中,H为井深;fy(x),fl(x),fq(x)分别为溢流、井漏、卡钻的概率密度。3种情况下的分布函数F y(x),F l(x),F q(x)可根据式(1)计算得出。

根据公式(1)~(4),可以计算出不考虑其他影响因素情况下不同井深H处发生井下复杂情况的可能性,但这些公式还不能完全反映井下复杂情况发生的可能性,还应考虑井下其他地层影响因素。影响井下复杂情况发生的因素很多,主要有岩性r、地层压力p、钻井液密度 、孔隙度 及裂缝发育程度 等。为此,可以定义一个影响函数f(r,p, , , )来描述这些因素对井下复杂情况发生的影响程度。影响函数也可以理解成这些因素综合作用结果对井下复杂情况出现的放大倍数。可以认为影响函数和由概率统计得到的复杂情况分布函数是相互独立的,因此根据事件的独立性原则[9],描述井下复杂情况发生的可能性函数为

Fy(x)=f(r,p, , , )F y(x),Fl(x)=f(r,p, , , )F l(x),Fq(x)=f(r,p, , , )F q(x).

确定影响系数后,对按照式(5)计算出的结果进行归一化处理,就可以得到3种情况发生的可能性。

对已发生井下复杂情况井的数据进行统计分析,计算出每一种井下复杂情况发生的可能性,然后取其中的最大概率值作为门限值,即选取经归一化处理后为1的值对应的井深作为复杂情况的必封点深度。对应3种或更多种复杂情况可能会有多个初始必封点,选取井深最大的点为该地区的必封点。这样就考虑了所有井下复杂情况,从而保证了井下作(5)

2 用概率统计法确定地质复杂必封点

在钻井过程中会有很多钻井复杂情况和钻井事故发生[8],如井漏、溢流和卡钻等。而这些事故井段要尽可能地被封隔住,以免给钻井后续工作带来不安全隐患。以往根据对地质资料的实际掌握情况,很难定量确定复杂层位所在的井深位置,为了更加准确地确定地层复杂情况发生的位置,这里提出一种采用概率统计方法来确定井下复杂情况发生的可能性的方法。如对某一区域的钻井资料进行统计分析,确定各种井下复杂情况的概率密度函数,据此可确定必封点位置。

以新疆某地区为例,该地区已钻井所发生的井下复杂情况多为井漏、溢流和卡钻,将该地区的溢流井深作为随机变量X,假设随机变量都服从或近似服从正态分布。根据多口邻井实钻资料,可以计算出该地区发生溢流的期望和方差,根据随机变量X的概率密度及其分布函数f(x

[9]

井身结构设计

54

石油大学学报(自然科学版) 2005年8月

3 影响函数f(r,p, , , )的确定

为考虑问题的方便同时参照影响系数的重要程度,在影响函数f(r,p, , , )中主要考虑地层岩性和压力两个因素。定义 r为地层岩性影响系数, p为地层压力影响系数,即f(r,p, , , )= r p。r可以根据钻井资料统计分析得出,新疆塔里木某地区的地层岩性影响系数见表1。如溢流情况岩性影响系数确定如下:在该研究区块统计已钻井的资料,针对发生溢流情况的井溢流点深度处的地层岩性进行统计分析,共钻遇泥岩、砂泥岩、砂岩、粉砂岩等27种岩性,把这27种岩性根据其岩性共同特征分为4类,即泥岩类(8种)、砂岩类(7种)、砂泥混类(8种)和膏质岩类(4种)。因此,发生溢流时地层岩性的影响系数可确定为泥岩类0.2963,砂岩类0.2592,砂泥混类0 2963以及膏质岩类0.1481。发生溢流时不包含在上述之内的其他岩性认为其岩性影响系数为0。其他井漏和卡钻情况的岩性影响系数的确定与溢流类似。

表1 岩性影响系数

井下复杂情况

溢流井漏卡钻

泥岩类0.29630.3190.23

砂岩类0.25920.3620.31

泥岩砂岩混层0.29630.17020

石膏岩类0.14810.14810.46

在古近系库姆格列木组3747m处,钻遇岩性为膏盐岩和膏质泥岩。计算的溢流点为3804m,深度误差为1.4%。

同理,可以计算出XXX井发生井漏的可能性,结果见表4。

表2 XXX井原始数据

井深H/m1523.75

1727.431923.622127.752403.372818.933020.673239.573635.623747.003797.003804.144024.80

钻井液地层孔隙当量密度 压力pp

灰质粉砂岩1.231.03

泥岩1.231.03泥岩1.251.03泥岩1.301.03灰质泥岩1.321.03泥岩1.381.221粉砂质泥岩1.401.03

盐岩2.061.829盐质泥岩2.291.887膏盐岩和膏质泥岩2.172.067

粉砂质泥岩2.122.147泥质粉砂岩2.112.159粉砂岩2.111.89

岩性描述

g cm-3

地层破裂

压力pf1.7951.8041.8111.8161.8161.9361.8822.2322.2562.3352.3692.3752.258

表3 XXX井发生溢流的可能性

井深H/m

分布函数岩性影响F y(x)/%系数 r

0.2963

0.29630.25920.29630.29630.29630.14810.14810.14810.46

压力影响系数的

-1倒数 p0.220.270.290.350.350.2250.4030.1030.0480.12

可能性归一化函数处理值F(x)/%F1(x)/%9.9618.3262.2621.8910.003350.000280.0350.0290.1930.1621.571.324.753.9724.7620.7119.6410056.5847.29

地层压力影响系数可分为两种情况来定义。在

溢流的情况下定义钻井液密度和地层孔隙压力差值的倒数为地层压力影响系数 p,在漏失和卡钻的情况下定义钻井液密度和地层破裂压力差值的倒数为地层压力影响系数 根据现场实测的钻井液密p。度、地层孔隙压力和地层破裂压力值,可以计算出 确定了地层岩性影响系数 p。r和地层压力影响系数 p,结合公式(1)~(4),根据公式(5)可以确定出复杂地质条件下不同井深H处发生井下复杂情况的可能性。

1923.627.3962127.752.0612508.930.003752727.780.04152912.240.2283131.521.1943635.6212.9263747.0017.2213804.1419.3844024.8026.194

表4 XXX井发生井漏的可能性

井深H/m1523.751727.431923.622014.932127.752403.372508.932727.782912.243131.523635.623797.003804.144024.80

分布函数岩性影响F l(x)/%系数 r6.0498.46311.38412.9615.09821.2423.9330.0335.6642.7559.5564.70964.93171.523

0.3620.3190.3190.14810.3190.3190.3620.3190.3190.3190.14810.17020.17020.362

压力影响系数的

-1倒数 p0.5650.5740.5610.5630.5160.4970.4950.4670.4700.2090.0340.2490.2650.148

可能性归一化函数处理值F(x)/%F1(x)/%3.884.706.473.419.3313.6317.5020.5124.2065.25259.3944.2341.70174.94

1.501.812.501.323.605.266.767.929.3425.1910017.0516.1067.54

4 算例分析

表2为新疆塔里木油田XXX井的实钻数据。为便于计算,原始数据不足的,按不等距节点插值公式(插商插值多项式)[10]来计算,即y=y1+y2-y1

(x-x1),表中井深3747.00m和3797.00

x2-x1

m处对应的数据即为插值计算所得。

每隔200m取一点,可以计算出XXX井发生溢流的可能性,结果见表3。

XXX井实际发生漏失的井段在古近系库姆格列木组3797m井深处,钻遇地层的岩性为膏盐岩和膏质泥岩,而计算所得最大可能漏失点在3635m。

井身结构设计

第29卷 第4期 侯喜茹等:井身结构设计必封点综合确定方法研究

表5 XXX井发生卡钻的可能性

井深H/m1523.751727.431923.622127.752403.372727.782912.243131.523635.623804.144024.80

分布函数岩性影响F q(x)/%系数 r0.36690.7971.57913.0166.523513.9820.1529.2954.96963.63773.954

0.230.230.230.230.230.230.230.230.4600.31

压力影响系数的

-1

倒数 p

55

[J].石油钻探技术,2003,31(6):25-27.

ZHANGJin-rong,CHENAn-ming,ZHOUYu-cang.Thedrillingtechnologyforpenetratingcarbonateforma-tioninTarimdeepwells[J].PetroleumDrillingTech-niques,2003,31(6):25-27.

[2] 石强,何金南.深井超长裸眼钻井技术探讨[J].天然气

工业,2004,23(增刊):66-69.

SHIQiang,HEJin-nan.Discussiononthedrillingtech-nologyfordeepwellswithultra-longopenhole[J].Natu-ralGasIndustry,2004,23(suppl):66-69.

[3] 胡超.川东地区大地层倾角深井井身结构探讨[J].钻

采工艺,1998,21(4):16-18,25.

HUChao.DiscussiononcasingprogramsfordeepwellswithhighformationdipineastSichuan[J].Drilling&ProductionTechnology,1998,21(4):16-18,25.[4] 管志川,李春山,周广陈,等.深井和超深井钻井井身结

构设计方法[J].石油大学学报(自然科学版),2001,25(6):42-44.

GUANZh-ichuan,LIChun-shan,ZHOUGuang-chen,etal.Amethodfordesigningcasingprogramindeepandsuperdeepwells[J].(6):42-44.

[5] 曾武强,郑基火亘,冯才立,等.准噶尔盆地南缘山前构

造高难度深井钻井工艺技术[J].天然气工业,2000,20(1):44-47.

ZENGWu-qiang,ZHENGJ-ixuan,FENGCa-ili,etal.DrillingtechnologyfordeepwellswithgreatdifficultyinpiedmontstructureatsouthernedgeofZhungeerBasin[J].NaturalGasIndustry,2000,20(1):44-47.[6] 刘绘新,张鹏,熊友明.合理井身结构设计的新方法研

究[J].西南石油学院学报,2004,26(1):19-22.LIUHu-ixin,ZHANGPengandXIONGYou-ming.Anewmethodofwellstructuredesignbysaltrockcreeppressureprofile[J].JournalofSouthwestPetroleumIn-stitute,2004,26(1):19-22.

[7] 郝俊芳,邹开吉.钻井工程设计[M].东营:石油大学

出版社,1996.22-30.

[8] 胡超.开江区块深井井身结构设计探讨[J].钻采工

艺,1999,22(2):13-16.

HUChao.Discussionondesignofdeepwellcasingpro-gramsinKaijiangarea[J].Drilling&ProductionTech-nology,1999,22(2):13-16.

[9] 盛骤,谢式千,潘承毅.概率论与数理统计(第二版上

册)[M].北京:石油工业出版社,1990.49-62.[10] 数学手册 编写组.数学手册[M].北京:高等教育

出版社,1979.887-889.

JournaloftheUniversityof

Petroleum,China(EditionofNaturalScience),2001,25

可能性归一化

函数处理值F(x)/%F1(x)/%0.4690.9171.652.575.179.1913.2429.9462.740191.05

0.2160.480.761.172.384.246.113.828.64088.04

0.200.200.220.270.290.350.350.2250.4030.0480.12

卡钻情况在XXX井并未发生,归一化处理值也没有为1的值出现。计算的卡钻位置在4024.8m。

对3种复杂情况发生的可能性进行计算,再与实际情况进行对比,计算必封点深度为4024.8m。在后续的井身结构设计中,将增加一个地质复杂必封点深度,若地质复杂必封点在工程约束必封点深度区段外,则该层套管下延至地质复杂必封点深度。从计算结果和实际对比情况来看,对溢流情况,计算出地质复杂必封点在3804.14m处,而实际是在3747m处,相对在安全范围之内;而对井漏情况,其计算结果比实际的深度要小,如果单一地以此种情况来确定必封点,将导致不能完全封隔井下复杂事故井段,造成井下的不安全隐患;卡钻情况在本井没有实际发生,不必考虑。因此不能单一地以某一种复杂情况来最终确定必封点位置,需综合考虑井下所有复杂情况必封点的位置,选取最大井深作为确定井下复杂情况的必封点深度。由于最后选取的必封点深度在考虑了3种可能的井下复杂情况的安全范围之内,因此能够保证最后套管下深能封隔所有复杂井段。

5 结 论

(1)井漏、溢流和卡钻3种井下复杂情况的发生是可以预测的,用随机理论并结合岩性、地层压力等因素,根据已有资料,确定井下复杂情况的概率密度分布函数,得出井下发生复杂情况的位置及可能性,是一种有效的方法。

(2)井身结构设计中必封点的确定原则不是惟一的。应考虑多种可能出现的情况,确定多个地质必封点位置,设计者可根据经验和实际情况加以取舍和调整。参考文献:

[1],,.塔里木深井钻井技术

(编辑 李志芬)