南堡灘海大位移井鉆井關(guān)鍵因素優(yōu)化設(shè)計

朱寬亮， 呂 艷， 胡中志， 周 巖， 劉永輝

(1.冀東油田鉆采工藝研究院，河北 唐山 063004; 2.遼河油田鉆采工藝研究院，遼寧 盤錦 124010)

南堡灘海大位移井鉆井關(guān)鍵因素優(yōu)化設(shè)計

朱寬亮1， 呂 艷2， 胡中志1， 周 巖1， 劉永輝1

(1.冀東油田鉆采工藝研究院，河北 唐山 063004; 2.遼河油田鉆采工藝研究院，遼寧 盤錦 124010)

大位移井鉆井實施過程中表現(xiàn)最為突出的問題是摩阻扭矩大，它制約著井眼軌跡的有效延伸，尤其在常規(guī)鉆完井技術(shù)時表現(xiàn)得更為明顯。冀東油田近年來基于常規(guī)鉆完井技術(shù)條件下，通過對井眼軌道優(yōu)化設(shè)計、鉆具組合優(yōu)化、摩阻扭矩精細(xì)預(yù)測與控制、井眼延伸極限評估等方面的精細(xì)研究與優(yōu)化設(shè)計，有效地模擬分析和論證了南堡灘海中深層大位移井鉆井井筒力學(xué)行為，提升了對大位移井鉆井實踐可行性認(rèn)識和指導(dǎo)了鉆完井方案的設(shè)計。在南堡灘海成功實施了幾十口水平位移大于3000 m的大位移井，最大水平位移達(dá)4940 m，為南堡灘海在常規(guī)經(jīng)濟技術(shù)條件下大位移井的鉆井實施提供了技術(shù)支持。

大位移井；常規(guī)技術(shù)；優(yōu)化設(shè)計；井筒力學(xué)；極限分析；南堡灘海

冀東南堡灘海油田隨著勘探開發(fā)不斷深入，3000 m以上大位移井不斷增加，因摩阻扭矩大、復(fù)雜巖性增多、井溫升高、鉆井速度變慢、成本不斷升高等因素的影響，制約著大位移井向埋藏更深的油氣藏延伸。作為目前國內(nèi)外大位移鉆井主體的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)，因其技術(shù)成本問題深層低鉆速井更難接收。常規(guī)鉆完井技術(shù)關(guān)鍵是克服大位移井鉆井的摩阻扭矩，精確地進行大位移井鉆完井過程中鉆柱受力分析，是大位移井鉆井優(yōu)化設(shè)計、方案制定、安全控制的關(guān)鍵技術(shù)，是井眼軌道優(yōu)化設(shè)計、鉆具組合優(yōu)化、摩阻扭矩預(yù)測及延伸極限綜合評估的基礎(chǔ)。

1 關(guān)鍵因素優(yōu)化設(shè)計思路及措施

1.1 井眼軌道的優(yōu)化設(shè)計

從國內(nèi)外大位移井鉆井技術(shù)研究與經(jīng)驗來講，均認(rèn)為大位移井井眼軌道最理想的設(shè)計剖面類型是懸鏈線或準(zhǔn)懸鏈線，這一觀點并沒錯，但它自小至大均勻變化的井眼曲率給實際井眼軌跡控制工藝和技術(shù)提出了非常高的要求，尤其是對于常規(guī)定向井工藝技術(shù)來講需要不斷地起下鉆變換造斜工具或頻繁進行滑動和旋轉(zhuǎn)鉆進轉(zhuǎn)換，即使如此也難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，如果造斜率控制不好會增大摩阻扭矩，起著相反的效應(yīng)。因此在非旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井，即常規(guī)鉆井技術(shù)條件下，井眼軌道設(shè)計在滿足地質(zhì)設(shè)計目標(biāo)要求的前提條件下需考慮以下因素。

首先考慮了剖面的可實施性，剖面以越簡單、越易控制和越有利于安全施工為準(zhǔn)；其次是與摩阻扭矩預(yù)測分析及完鉆進尺相結(jié)合，其設(shè)計的軌道對應(yīng)其井身結(jié)構(gòu)各開次產(chǎn)生的最大摩阻扭矩要適應(yīng)已有設(shè)備的施工能力，在此基礎(chǔ)上，如摩阻扭矩沒有實質(zhì)性改變的情況下，優(yōu)先選用進尺最少的剖面，規(guī)避因井深的增加給實際施工帶來不可預(yù)測的風(fēng)險和節(jié)約鉆井費用(見圖1)；三是在剖面類型和井眼增降斜率的選擇時，與鉆具力學(xué)特性相結(jié)合，通過利用鉆具自身的力學(xué)特性與鉆具組合的適應(yīng)性變換來實現(xiàn)井眼軌跡的自動控制，即利用鉆具在旋轉(zhuǎn)鉆進時自身的增斜力或降斜力，以達(dá)到減少滑動鉆進和深部大位移段定向滑動鉆進難的問題。

圖1 NP4-37井井眼軌道優(yōu)化設(shè)計

綜上所述，冀東南堡灘海大位移井井眼軌道設(shè)計主要類型為直—增—穩(wěn)—微降和直—增—穩(wěn)—增—水平段：前一類型主要為大斜度定向井，增斜率設(shè)計為(2.1°～2.4°)/30 m，微降段主要是鉆穿地質(zhì)最后一個目標(biāo)點的后部井段，其降斜率設(shè)計為鉆具的自然降斜率，一般為(0.8°～1.0°)/30 m；后一類型主要為水平井，其增斜率重點考慮了深部增斜難、實鉆地質(zhì)對軌跡動態(tài)調(diào)整的需要及造斜率與摩阻扭矩的關(guān)系等，一般設(shè)計為(3.0°～4.0°)/30 m。

1.2 摩阻扭矩精細(xì)分析及控制技術(shù)

1.2.1 摩阻扭矩精細(xì)分析

摩阻扭矩預(yù)測分析精準(zhǔn)度是確定一口大位移井能否或是否實施及實施方案制定的關(guān)鍵，尤其是對油田已有設(shè)備及常規(guī)技術(shù)或經(jīng)濟實用技術(shù)條件下開展大位移井鉆井方案編制、決策及現(xiàn)場施工技術(shù)指導(dǎo)顯得十分重要。在大位移井設(shè)計對摩阻扭矩預(yù)測分析時，首先是對設(shè)計軌道進行實鉆井眼軌跡模擬處理，即將設(shè)計軌道不同井段的井斜、方位按油田歷年來的實鉆井眼軌跡經(jīng)驗及規(guī)律進行處理，通常做法如下。

(1)對井眼軌道上的井斜和方位按正弦或余弦規(guī)律增加或減少某個值，以達(dá)到提高預(yù)測精度的目的，其附加值冀東油田一般選擇為0.5°～1.0°。

(2)其次是對不同開次、不同工況的摩扭扭矩進行多組摩阻系數(shù)分析計算，建立一系列曲線圖版，近似模擬論證在理想至惡劣井眼條件所鉆大位移井在鉆進過程中各井段摩阻扭矩的大小，以及確定在已有鉆機設(shè)備能力條件下不同尺寸井眼最多可鉆多深、最終完鉆井深及水平位移能達(dá)多少(見圖2)。

圖2 NP23-2013井四開?215.9 mm井眼鉆進扭矩分析

(3)利用多種摩阻扭矩預(yù)測分析軟件進行計算對比，并結(jié)合井眼尺寸選擇剛性、柔性和剛性+柔性組合模型分別進行計算對比分析，以提高預(yù)測計算精度和進一步地減少與掌握摩阻扭矩預(yù)測分析誤差。

(4)利用ANSYS軟件通用功能和有限元法理論對全井鉆柱動態(tài)工作行為進行數(shù)值模擬仿真，精細(xì)了解在多井眼因素約束條件下各井深鉆具的軸力、彎矩、扭矩、加速度等瞬時狀態(tài)及其規(guī)律，進一步提高大位移井鉆井摩阻扭矩理論性認(rèn)識，以更好地指導(dǎo)大位移井鉆井方案設(shè)計。

1.2.2 摩阻扭矩控制設(shè)計

摩阻扭矩控制一般均考慮到進行合理的井眼軌道與井身結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及應(yīng)高效潤滑的鉆井液體系、降摩減扭接頭、滾輪套管扶正器、水力振蕩器、簡化鉆具組合等措施，甚至考慮到在必要時應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具。在冀東南堡大位移井鉆井研究與實踐中對此方面進行了分析與優(yōu)化。

(1)精細(xì)分析井眼軌跡符合率對摩阻扭矩的影響，分析表明“狗腿”度的變化與摩阻扭矩的增減呈一定的線性關(guān)系，且實鉆“狗腿”度的取值與測斜間距有較大的關(guān)系(見圖3、圖4)，小測斜間距與標(biāo)準(zhǔn)測距計算出的“狗腿”度變化規(guī)律存在較大差異，因此實鉆過程要求精心控制好井眼軌跡，確保真實圓滑性，以盡力減少“狗腿”度對摩阻扭矩帶來不利放大作用。

(2)精細(xì)優(yōu)化設(shè)計降摩減扭接頭的安放位置及數(shù)量，安裝降摩減扭接頭雖然有利于降低阻力和扭矩，但數(shù)量太多則增加鉆柱重量和環(huán)空壓耗，不利于安全施工，且不經(jīng)濟。冀東南堡大位移井實鉆時利用鉆柱受力分析，結(jié)合每只鉆頭預(yù)計進尺，設(shè)計保證整個施工過程在彎曲井段，尤其是在側(cè)向力最大的井段保持每柱鉆桿安裝有降摩減扭接頭即可。

圖3 井眼曲率與測斜間距關(guān)系

圖4 造斜率與摩阻關(guān)系曲線

(3)優(yōu)化鉆柱設(shè)計，在滿足鉆柱強度和泵功率的條件下，設(shè)計采用?139.7 mm+?127 mm復(fù)合鉆桿鉆柱組合，有效地降低了扭矩，進一步提高了大位移井的延伸能力。

(4)當(dāng)滑動鉆進托壓嚴(yán)重時，適時設(shè)計應(yīng)用水力振蕩器等工具，但因軸向周期性振蕩會給鉆頭施加了一個不穩(wěn)定的鉆壓，會造成定向鉆進時工具面不穩(wěn)而影響軌跡控制，應(yīng)用時充分考慮這一不利因素。

(5)在鉆井液潤滑劑的選擇方面，充分考慮不同潤滑劑的不同潤滑機理來進行復(fù)合潤滑降摩減扭設(shè)計。

1.3 井眼清潔設(shè)計

井眼清潔與否，不僅會增大引起卡鉆、井漏風(fēng)險，還會影響大位移井管柱的安全起下作業(yè)，同時也會增加鉆進時摩阻扭矩。根據(jù)大位移井鉆井經(jīng)驗，在實際施工中在保持鉆井液具有良好攜巖性能、應(yīng)用大的循環(huán)排量、大尺寸鉆桿、定期短起下鉆等有效技術(shù)措施情況下，針對在常規(guī)技術(shù)條件下井眼清潔存在難點進行了精細(xì)化分析設(shè)計。

(1)對不同開次井眼清潔排量進行精細(xì)分析計算，為大尺寸井眼深部井段排量不足制定技術(shù)措施提供定量依據(jù)。

(2)針對大位移井鉆進過程中，因井斜角大、流量不足等因素造成巖屑攜帶困難，易形成巖屑床，以及因鉆柱不居中形成上下寬窄環(huán)空，上環(huán)空太寬，鉆井液上返速度不夠而使巖屑下沉，下環(huán)空太窄易造成流型不理想而使鉆井液滯流不動情況，認(rèn)真開展鉆柱上下寬窄環(huán)空流態(tài)分析，為鉆進參數(shù)和優(yōu)化鉆具組合提供指導(dǎo)，如設(shè)計高轉(zhuǎn)速、大排量，應(yīng)用清潔鉆桿及巖屑床攪拌器和倒劃眼等措施來攪動、破壞和驅(qū)動巖屑上移。

(3)強化鉆井液流變性設(shè)計，合理設(shè)計機械鉆速和適時設(shè)計加入攜巖劑，以減少環(huán)空鉆井液中的巖屑濃度和有效地將巖屑粘裹帶出井眼。

1.4 井眼延伸極限分析

大位移井極限延伸能力分析是大位移井鉆井設(shè)計決策指導(dǎo)性參數(shù)，盡管受井眼軌道類型與參數(shù)、井眼清潔、鉆柱組合、鉆井液性能、巖石的可鉆性、摩阻扭矩控制和鉆機的負(fù)荷能力與機泵條件等多因素的影響且計算復(fù)雜，南堡灘海大位移鉆井實踐過程中選擇性地進行了一些影響因素的分析研究，有效地指導(dǎo)了在常規(guī)經(jīng)濟技術(shù)條件下大位移井設(shè)計與施工。

(1)通過對設(shè)計軌道進行實鉆化模擬，以及假設(shè)不同摩阻系數(shù)代表不同井眼環(huán)境來綜合分析不同開次中鉆進、起下鉆、倒劃眼等工況下的摩阻扭矩，做出相應(yīng)圖版，同時開展鉆具優(yōu)化設(shè)計及安裝降摩減扭工具力學(xué)分析，綜合得出待鉆井眼在已確定的設(shè)備條件下安全鉆進各開次的力學(xué)延伸極限，合理確定了鉆進目標(biāo)、井身結(jié)構(gòu)或所需的設(shè)備條件。

(2)對鉆井液性能、鉆進參數(shù)及巖屑狀況等進行實鉆性模擬，分析不同開次情況下巖屑床形成情況及清潔所需的排量與泵壓，從而確定安全鉆進時各開次的水力延伸極限及所需的機泵條件。

(3)針對不同層位的大位移井開展地層安全鉆進密度窗口分析，從井眼壓力平衡角度定量評估大位移鉆井不同開次裸眼延伸極限。

(4)針對不同層位的大位移井結(jié)合地層可鉆性，開展套管磨損及其剩余強度分析，從井筒完整性角度定量評估大位移鉆井不同開次裸眼延伸極限，并為井筒安全提供技術(shù)支持，通過綜合分析評價，在常規(guī)技術(shù)條件下，得出在冀東南堡灘海應(yīng)用70D鉆機可使中深層、深層大位移井水平位移延伸值達(dá)到了4000～5000 m。

2 現(xiàn)場實施效果

針對冀東南堡灘海地面環(huán)境和不同勘探開發(fā)層位的地質(zhì)特征，通過井眼軌道與井身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、摩阻扭矩精細(xì)分析與控制、井眼延伸極限分析及鉆井液體系的優(yōu)選等常規(guī)技術(shù)的優(yōu)化集成，近年來，利用50D和70D型鉆機完成了完鉆層位從館陶組、東營組、沙河街至奧陶系潛山、垂深為2000～4500 m、水平位移為3000～5000 m的大位移井20口(見表1)，其中完鉆最大水平位移達(dá)到了4940 m、最大井深為6387 m、最大垂深為4848 m、最高井溫為172.4 ℃、實際最大扭矩達(dá)50 kN·m，形成了一套基于常規(guī)技術(shù)條件下5000 m以內(nèi)的南堡灘海中深層、深層大位移井鉆井優(yōu)化設(shè)計與施工技術(shù)。

表1 冀東油田部分已鉆大位移井基本數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

(1)精細(xì)的軌道設(shè)計與軌跡控制是大位移井高效實施的前提，但應(yīng)綜合考慮和優(yōu)化選擇所實施井所面臨的經(jīng)濟技術(shù)條件和目的。

(2)精心的摩阻扭矩預(yù)測分析與有效的摩阻扭矩預(yù)測控制是大位移井水平位移不斷延伸的關(guān)鍵，尤其是深層大位移井，但應(yīng)結(jié)合經(jīng)濟有效開發(fā)的原則來優(yōu)選確定其相關(guān)鉆井方案。

(3)井眼延伸極限分析可為大位移井方案制定，以及現(xiàn)場施工中復(fù)雜問題的分析與解決提供理論支持。

(4)通過精細(xì)論證、策劃、設(shè)計及高效的組織施工，應(yīng)用常規(guī)鉆井技術(shù)優(yōu)化與集成可以有效地保證水平位移為5000 m以內(nèi)的大位移井安全鉆進。

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Key Drilling Factors Optimization Design for the Extended Reach Well in Nanpu Oilfield/

Torque and drag are major problems in extended reach well drilling, which restrict the effective well trajectory extension, especially in the application of conventional drilling and completion technologies. In Jidong oilfield, based on the conventional drilling and completion technologies, by the detailed study and optimization of well trajectory design, BHA optimization, accurate prediction and control of the torque and drag and the comprehensive evaluation of extension limit in recent years, the stimulation analysis and verification are made on the wellbore mechanical behavior of middle-deep extended well in Nanpu beach area, the feasibility knowledge of extended well drilling practice is enhanced to guide the design of drilling and completion program. Dozens of extended wells with horizontal displacement more than 3000m have been constructed in Nanpu beach, the maximum horizontal displacement reaches 4940m, which provides technical support for the extended reach well drilling of Nanpu beach under the conventional economic and technological conditions.

extended reach well; conventional technology; optimum design; wellbore mechanics; limit analysis; Nanpu beach

2016-06-14

國家科技重大專項“渤海灣盆地黃驊坳陷灘海開發(fā)技術(shù)示范工程”(編號：2011ZX05050)

朱寬亮，男，漢族，1967年生，高級工程師，鉆井工程專業(yè)，主要從事鉆井技術(shù)研究及管理工作，河北省唐山市路北區(qū)光明西里冀東油田第一科研樓，zkl@petrochina.com.cn。

TE243

A

1672-7428(2017)01-0033-04

(1.Drilling and Production Technology Institute, PetroChina Jidong Oilfield Company, Tangshan Hebei 063004, China; 2.Drilling and Production Technology Institute, PetroChina Liaohe Oilfield Company, Panjin Liaoning 124010, China)