48东营南坡盐膏层深井井身结构优化设计探讨

1、东营南坡盐膏层深井井身结构优化设计探讨边培明刘晓艳唐志军摘要：东营凹陷预测有利目标区在中央隆起带盐下深层，胜利油田钻探济阳坳陷 东营凹陷深层的最大难点是盐膏层、膏岩层以及紫红色软泥岩层的钻井问题，本 文针对盐下深层钻井完井的难题，通过对盐膏层深层钻井井身结构的调研与分 析，结合随钻扩孔等钻井新技术的应用以及特殊高抗挤套管的要求，提出了东营 南坡盐膏层深层井身结构的优化方案，并对井身结构方案的配套技术进行了研 究，有利于深井复杂膏盐层钻井技术的提高。主题词：盐膏层 井身结构 随钻扩孔 套管设计 厚壁套管 1概述多年来，胜利油田钻探济阳坳陷东营凹陷深层的最大难点是盐膏层、膏岩层 以及紫红色软泥岩层

2、的钻井问题，东营南坡盐膏层的沉积顺序从上到下依次为： 膏-盐-膏、泥-砂岩，盐岩在中间。以郝科1井为例，钻遇的盐膏层井段是：盐 层顶界3395.5m，盐层底界4250m，总厚度854.5m。其中，最复杂的是紫红色软 泥岩层，井段从37913858m，厚度67m。盐膏井段的钻井和完井技术一直是比 较复杂的问题，不同区域、不同地层成岩环境、岩性组成有所不同，但在工程上 表现出共有的特征，一是塑性蠕变，钻井过程中会造成缩径、卡钻，下套管固井 后会造成套管变形或挤毁；二是盐膏层塑性流动，盐岩易溶解的特点造成地层不 稳定，井径不规则，增加了钻井过程中不确定因素，增加了钻井风险。盐膏层井 身结构必须充分考

3、虑到地层的复杂性，包括非盐膏层井段，如高压盐水层的发育、 构造特点与地层的稳定性等。由于地质情况复杂、钻井周期长，钻具使用安全以 及钻进对套管的影响（如钻具偏磨）也应予以考虑。针对盐膏层易蠕变、易溶解、易垮塌、易挤毁等特点，钻盐膏层井存在如下 几个核心的技术问题，也是保证安全钻井的关键问题：钻达完钻层位、完成钻井地质目的对井身结构方案提出扩大一级或采用 大尺寸套管封盐层、为盐下地层钻进预留调整空间的要求。长裸眼高密度钻进与盐上地层易漏的矛盾，以及钻井过程中缩径、卡钻 的风险。大尺寸套管环空间隙小，刚性大，采用高密度钻井液，套管通过盐上易 漏井段与不稳定地层安全下入并保证其封固的风险与难度。如何

4、成功地钻探和有效地封隔盐膏层，是东营凹陷深层取得勘探进展的关 键。2井身结构设计原则综合分析盐膏层特点，在充分调研分析各地区盐膏层已完钻井成功经验的基 础上，研究制定井身结构基本设计原则：根据构造特点与地层特征，结合钻井地质目的与完成该目的的总体工程 方案，确定封隔盐层的套管及其上层套管下深，盐层上部尽量下技术套管，保证 安全钻井，防止由于井身结构不合理给钻井施工或事故处理增加困难，保证地质 目的的实现。井身结构设计必须充分考虑到济阳坳陷东营凹陷深层的复杂性，必须考 虑到层位与井深的预测误差，应为井身结构调整留下空间（包括钻井深度的调 整）。上层套管下深必须保证使用高密度钻井液时，管鞋以下地层

5、不被压漏。盐下地层复杂，采用高密度钻井液钻盐膏层时，准确掌握盐膏层厚度， 准确预测盐下地层特性与压力情况，在钻穿盐膏层后，钻达目的层段之前及时下 入套管，转换钻井液体系，避免钻入下部易漏地层，对于安全钻进意义重大。根据情况尽量缩短裸眼段长度，确保裸眼段可以承受高的压力，如在裸 眼井段出现低压力点，则应采取封堵措施，提高裸眼井段承受能力，确保安全钻 穿盐层。3井身结构优化设计思路考虑膏盐层蠕动对钻井工程施工和完井质量的影响，使用大壁厚、高抗 挤套管封隔盐膏层是盐膏层钻井井身结构的关键。从国内外盐层钻井情况分析， 结合东营南坡盐膏层的埋藏深度及性质，本层技术套管在盐层井段可选用中 273.1mm和

6、中250.8mm两种规格，中273.1mm大壁厚、高抗挤套管刚性大，抗外 挤强度大，但环空间隙小，对井身质量要求高，下入风险很大；中250.8mmX 15.88mm高抗挤套管抗外挤能力弱，而相对中273.1mmX24.38mm高抗挤套管下入 风险小。考虑套管安全因素、间隙与下入风险，东营南坡盐下深井选取中250.8mm 高抗挤、大壁厚套管封固盐膏层的方案，采取随钻扩孔结合钻后扩孔的措施。考 虑钻机负荷、盐膏层蠕动速度与安全时间等因素，盐膏层段套管采取先悬挂而后 回接的方式。在进行盐膏层井段钻井前，先将上部欠压实、地层承压能力低、易分散 造浆、易水化膨胀、易阻卡的砂泥岩井段封固，以减小下开次钻井

7、的压力与风险。由于盐膏层段上下地层依然存在较强的不稳定性，易造成井径不规则， 卡钻、埋钻。厚壁或高强度套管的长度相比盐层总厚度上下应各超过50100m， 以保证盐下地层安全钻进。在盐上20m土以前相对采用低密度钻井液，钻达盐上20m土时，转换钻井 液并逐渐加重至盐膏层井段钻进设计值，并对裸眼井段进行堵漏、验漏工作，提 高地层承压能力。钻井过程中应适时、合理调整钻井液密度，在有效抑制盐膏层 的塑性蠕动和盐膏井段地层的不稳定的同时，有效控制或预防漏失；适度控制盐 岩的溶解程度，有益于缩径的控制。根据盐层蠕变的理论研究，盐膏层井段套管设计时，使用上覆岩层压力 代替地层孔隙压力进行计算，国内外一般取值

8、2.312.71g/cm3,或直接按上覆盐 层密度取值，此理论基于外载均匀的前提；但近年来国内外对套管抗挤强度的大 量研究表明，大多数套管损坏是由非均匀外挤载荷引起的，地层各向应力对套管 施加的非对称压力和剪切力易造成套管失稳，甚至破坏，设计中应予以考虑。保证固井质量至关重要，应强化盐层固井工艺与措施，同时应配套防漏 堵漏工艺与措施，在确保堵漏效果前提下，进行下套管固井作业；采用悬挂后回 接的方式，采用双密度双凝水泥浆固井，既要保证盐膏层段的固井质量，又利于 漏失的控制，同时还必须考虑到液柱对盐层的抑制。考虑到钻具对套管潜在的磨蚀损害，应考虑保护套管的措施，特别是盐 膏层段套管的保护。技术套管

9、刚性大，相对未扩孔井段环空间隙小，为保证其下入，在解决 盐上地层易漏问题的同时，充分保证井身质量至关重要。钻井液技术是解决长裸眼钻盐膏层漏失、阻卡、缩径等问题并确保大尺 寸套管下入的关键技术，钻井液设计必须有针对性考虑可能面对的重要技术问 题。使用中215.9mm钻头钻盐下地层至目的层，中177.8mm尾管应考虑重叠过 盐层，为套管安全提供双层保障，以提高钻井、完井安全可靠性。4井身结构优化设计方案盐膏层钻井套管封隔方案的选择必须根据实际工程条件，结合钻井地质目的 进行制订。结合国内外盐层钻井的成功经验，研究确定采用上部裸眼揭示盐膏层的井身 结构，即中339.7mm技术套管封过沙三中地层，用中

10、311.2mm钻头钻进全沙四段 盐膏层井段底部，根据井径情况采用随钻扩孔或钻后扩孔对盐膏层井段扩孔，以 提高盐层段的井眼与套管间隙，为本层技术套管的成功下入和固井质量的保障提 供技术支撑，最后使用中215.9mm钻头打至目的层，挂中177.8mm尾管完钻。该方案存在成本高、技术要求高、盐上裸眼揭示盐膏层难度高、风险大等问 题，特别是三开上部裸眼段防卡堵漏提高地层抗压能力以及外加厚大尺寸大刚性 套管安全下入两大重点技术的保证。此方案技术难点在于中444.5mm钻头进尺长，地层岩石的硬度和强度较大， 导致大直径钻头机械钻速下降，造成钻时加长；钻井设备动力不足，给钻井参数 优选和水力能量的提高带来困

11、难；中127mm钻杆强度不能满足钻进扭矩传递的要 求；钻井液浸泡时间加长，井壁不稳定性增加，形成未知风险等。具体井身结构设计方案为：一开中660.4mm钻深302m，中508mm表层套管下全明化镇组上部，有效封 隔地表疏松地层，建立二开井口；二开中444.5mm钻至沙三中地层，下中339.7mm套管封固上部欠压实、易 分散造浆、易水化膨胀、易阻卡的地层，水泥浆返至地面。此时随井深的增加， 地层成岩性渐好，且泥岩成份渐增，承压能力随之增加，下中339.7mm套管封过 沙三中地层，可作为三开使用高密度钻井时，管鞋以下地层不被压漏的保障；从郝科1井实钻资料及本地区已完钻井实钻资料分析，沙三中部有一大

12、段砂 岩层，易漏，中339.7mm套管必须封过此段地层，以减少下部高密度钻井时压漏 盐上地层的风险。考虑中444.5mm井段过长、破岩工作量大、机械钻速低，可参考使用中406.4mm (16)钻头完成二开钻进。三开采用中311.2mm钻头钻进，技术套管下全沙四段盐膏层以下50m，封 盐膏层段，避免进入砂岩发育、易漏失层段，套管采取中244.5mm(9 5/8 )+中 250.8方案，以中273.1mm高抗挤、大壁厚套管封固盐膏层作为后备方案。四开采用中215.9mm钻头钻至目的层，采取挂中177.8mm尾管的方式，选 取尾管与上层套管重叠段过盐膏层段的方案，座挂位置选在盐膏段以上100 m土，

13、 注意避开套管接箍。5方案实施技术保障裸眼钻盐层与盐层专打专封相比风险较大，主要表现在盐上地层裸眼井 段承压能力差，岩性变化大，且三开将面对盐上地层漏、坍、卡与盐层塑性蠕动 等问题；中250.8mm套管外径大，相对中311.2mm井段环空间隙小，优质钻井液 是保证三开钻井、保证中250.8mm大尺寸套管顺利下入的基本保障。技术处理上 一般按两步走，既盐前钻井技术和盐层钻井技术。盐前钻井技术的重点是钻遇盐层后立即停止钻井，对裸眼井段进行抗压处 理，因为盐层钻进要使用较高的钻井液密度，如果即使进行堵漏后地层仍不能承 受盐层钻进时的高密度，应调整方案，将长裸眼钻盐层方案转化为盐层专打专封 方案，即下

14、套管后再钻盐层。如果地层具备（或经过堵漏以后具备）承受盐层钻进时的高密度的能力， 则转换适合盐层钻进的钻井液体系后进行盐层钻进。盐上地层主要为砂泥岩互层，易漏失，与盐膏层在同一个井眼揭示，采 用高密度钻井液钻盐膏层时，上部地层的漏失将是该井段钻井将面对的严重问 题，钻井液设计必须细化验漏、堵漏要求，有针对的进行防漏、堵漏设计，揭示 盐层前验证并强化地层承压能力，在钻井过程中随时作好防漏、堵漏工作。由于盐下地质情况复杂，有高压盐水层存在的可能，且地层压力变化大， 若预计完钻井深7000m，则四开进尺2700m，在如此长的钻进过程中若钻遇复杂 地层或高压油气层，很有可能无法顺利钻达目的层，此时应将

15、井身结构下部方案 进行相应调整：将中215.9mm井眼扩孔为中241.3mm，并提前下入中193.7mm尾管， 然后用中165.1mm钻头钻下部复杂地层，挂中127mm尾管完钻。采用外加厚高抗挤套管以及快速完成下开次及时重叠（相当于双层套管） 作为该方案套管安全的两个重要措施。盐膏层段套管设计是完全基于套管外挤载荷均匀的受载条件，因此钻井、 固井施工必须采取措施，确保外挤载荷均匀这一基础条件的实现，固井质量的保 证、水泥环厚度与强度都是保证均载实现的重要条件。随钻扩孔有利于盐膏层钻进过程中的安全，另外，环空间隙增大可以为 套管安全提供有利条件，同时有利于降低环空摩阻，使用（P 250.8mm大

16、壁厚、高 抗挤套管时，该类型套管对应井段全扩孔更成为必要。因此将之作为盐膏层安全 钻井的重要措施。该方案考虑了探井层位预测深度误差与井深调整因素。各开次上层套管 下深如达到了设计预封要求与目的，钻井深度可以根据实钻地层变化进行必要的 调整。如各开次钻井施工中出现问题，要求提前下入套管，而且不能达到设计预 封要求与目的，可以对套管下入方案进行调整，但应对原预封位置与要求进行重 新确认。6盐膏层段套管选择膏盐层井段套管柱根据需要可选择厚壁套管、高抗挤强度套管和水泥封固 的多层套管柱。厚壁套管：厚壁套管抗点载荷能力与钢材强度和管子的厚度的平方成正 比。为了提高抗点载荷应力，增加管壁厚度要比增加管子的

17、强度更有效。但厚壁 套管的刚性大，是一般套管的1.52.5倍。为了减少钻井卡钻危险和使套管顺 利下入井眼，钻井时要严格控制狗腿度。高抗挤强度套管：套管的抗挤强度与使用的钢材的最小屈服强度成正比。 这种套管一般使用韧性强、强度大的钢材制成。它的使用范围可用于3000m以上 的高压深井。对点载荷的承受能力与钢的抗拉强度成正比。但这种套管承受冲击 载荷的耐腐蚀能力差，在现场焊接、维修和侧钻比较困难。多层套管：其内层套管通过固结的水泥给外层套管一个附加支撑力。它 的抗挤强度比前两种套管都高。在使用多层套管柱的井眼中，若有局部的套管被 挤毁，可通过补注水泥的方法提高它的强度。但这种套管使侧钻、测井和射孔增 加了困难，而且费用高。当处于膏盐层段的技术套管或尾管强度达不到设计要求 时，可选择使用多层套管。上述三种套管中，如果受到的是匀质挤压载荷，它们的抗挤强度均可满足。 但在抗匀质载荷中，用高级钢材制造的厚壁套管的抗挤强度最大，其次是多层套 管，最后是高抗挤强度套管。对于中等大小的非匀质载荷来说