致密砂巖小井眼水平井安全鉆井關(guān)鍵技術(shù)

許翔舒

（大慶鉆探鉆井四公司，吉林松原138000）

本文以國內(nèi)油田F 區(qū)塊為研究對象，該地區(qū)致密砂巖存在埋藏深、巖性致密、研磨性高、開采難度大等特點(diǎn)[1-2]，根據(jù)油田工作部署，致密砂巖油氣藏的開發(fā)將成為下一步主力增產(chǎn)油氣藏。根據(jù)致密砂巖開采過程中的特點(diǎn)及難點(diǎn)，保證致密砂巖鉆井安全高效，開展了致密砂巖油藏安全鉆井關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

1 致密砂巖小井眼水平井鉆機(jī)優(yōu)選

鉆機(jī)是鉆井工程中最重要的核心設(shè)備，鉆機(jī)的選擇直接影響鉆井施工的效率和質(zhì)量。一般來說，大部分鉆井施工單位都將鉆井的主參數(shù)設(shè)置為鉆機(jī)公稱鉆深或最大鉤載。這兩個(gè)參數(shù)能夠直接反映鉆機(jī)能夠鉆深的能力和載荷能力[3]。

1.1 鉆機(jī)選擇主要原則

最大鉤載是鉆井重要的參數(shù)，API（美國石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)）也將80%套管破斷強(qiáng)度或者是100%鉆桿破斷強(qiáng)度來計(jì)算最大鉤載值。即：

式中：Q套——套管在空氣中的重力，kN；

q套——套管柱單位長度，N/m；

L——套管柱長度，km。

1.1.1 絞車（或起升系統(tǒng)）選擇原則

鉆井設(shè)備中起升系統(tǒng)是重要的使用設(shè)備，包括動(dòng)力系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)（剎車、安全等）、各類吊裝工具等[4]。

①鉤載儲(chǔ)備系數(shù)盡量選大些（一般≥1.60）。

②井架高度hA，一般應(yīng)滿足hA≥1.7Ls（Ls為立柱長度，m）。

③大鉤的起升速度直接影響起下鉆速度，速度過高受立柱長度、快繩速度及操作安全的限制；速度過低，則起鉆速度過慢，影響起下鉆效率。一般要求將最低速度選在0.45～0.5m/s，最高速度可按經(jīng)驗(yàn)公式（3）選取。

式中：Ls——立柱長度，m;

z——游動(dòng)系統(tǒng)有效繩數(shù);

b——系數(shù)，取3 或4，在機(jī)械化操作水平高的條件下選用4。

④絞車的排擋數(shù)越高，就越能合理的分配絞車動(dòng)力，減少起鉆時(shí)間，但是對現(xiàn)場操作人員的能力要求越高，建議根據(jù)現(xiàn)場優(yōu)化選擇。

1.1.2 轉(zhuǎn)盤（旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)）選擇原則

①轉(zhuǎn)盤開口直徑應(yīng)留有足夠大的安全直徑，通常情況下應(yīng)該比鉆井最大使用鉆頭大1cm。

②轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍大。

③轉(zhuǎn)盤最大靜載荷應(yīng)與鉆機(jī)最大鉤載匹配。

④轉(zhuǎn)盤（頂驅(qū)）額定功率應(yīng)滿足最大工作扭矩。

1.1.3 鉆井泵（循環(huán)系統(tǒng)）選擇原則

①根據(jù)設(shè)計(jì)井井身結(jié)構(gòu)、鉆柱組合及鉆井液性能，確定滿足鉆井中攜帶鉆屑的最小流量。

②滿足鉆至設(shè)計(jì)井深允許的最高泵壓和攜帶鉆屑的最小流量。

③滿足鉆井水力參數(shù)優(yōu)選中，最高泵壓和最優(yōu)流量的選擇。

④泵壓和流量是一對相互制約的參數(shù)，現(xiàn)場施工時(shí)應(yīng)該在滿足鉆井水力參數(shù)優(yōu)選中優(yōu)化選擇。

⑤能承受高泵壓且流量可調(diào)范圍大。

1.2 F區(qū)塊致密砂巖小井眼水平井鉆機(jī)設(shè)備優(yōu)選結(jié)果

針對F 區(qū)塊致密砂巖小井眼水平井鉆井施工技術(shù)特點(diǎn)及難點(diǎn)[5]，通過以上技術(shù)分析，優(yōu)選鉆機(jī)類型、優(yōu)化設(shè)備配置。設(shè)計(jì)使用了三臺(tái)設(shè)備參與了F-1區(qū)塊的致密砂巖試驗(yàn)井（表1），其中一臺(tái)70型鉆機(jī)，兩臺(tái)50型鉆機(jī)，均配備頂驅(qū)，全面提升了處理各種復(fù)雜工況的能力；并采用先進(jìn)的固控設(shè)備，包括三聯(lián)振動(dòng)篩，中、高速離心機(jī)等，保證鉆井液經(jīng)過四級固控設(shè)備，確保鉆井液凈化能力。通過鉆機(jī)優(yōu)選和設(shè)備優(yōu)化配置，極大地提升了處理復(fù)雜情況的能力，最大限度地保證了施工安全，為致密砂巖試驗(yàn)井的成功奠定了強(qiáng)有力的設(shè)備保證。

表1 F-1區(qū)塊鉆機(jī)選型統(tǒng)計(jì)表

2 小徑鉆桿優(yōu)選與應(yīng)用

針對常規(guī)?152.4mm 井眼鉆井過程中存在機(jī)械鉆速慢、鉆井效率低、鉆井事故率高等特點(diǎn)，項(xiàng)目組在充分分析影響因素的基礎(chǔ)上，尋找現(xiàn)有技術(shù)的瓶頸。分析認(rèn)為當(dāng)前?152.4mm井眼鉆井所使用的?88.9mm鉆桿存在循環(huán)壓耗高、抗扭強(qiáng)度小、鉆壓傳遞困難、復(fù)合鉆進(jìn)穩(wěn)斜效果差、滑動(dòng)鉆井工具面調(diào)整困難等多方面不利因素，借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合F 區(qū)塊致密砂巖油氣藏鉆井的自身特點(diǎn)，決定使用?101.6mm 雙臺(tái)肩非標(biāo)準(zhǔn)鉆桿，因此需對?101.6mm 鉆具的使用工藝進(jìn)行研究及其配套的實(shí)用工具進(jìn)行改進(jìn)。

2.1 工藝改進(jìn)措施

2.1.1 螺紋參數(shù)優(yōu)選

螺紋牙型角、牙高、錐度、臺(tái)肩長度等螺紋參數(shù)的優(yōu)選，以及螺紋有限元模擬分析計(jì)算，其中螺紋錐度的確定和螺紋臺(tái)肩長度的控制是螺紋技術(shù)的關(guān)鍵[6]。

國外以及國內(nèi)其他地區(qū)鉆井作業(yè)使用的?101.6mm雙臺(tái)肩非標(biāo)準(zhǔn)鉆桿接頭型號(hào)多為NC40，其抗扭強(qiáng)度為31884N·m，管體的抗扭強(qiáng)度為56800N·m，接頭的抗扭強(qiáng)度低于管體的抗扭強(qiáng)度。針對深層致密砂巖油氣藏的鉆井特點(diǎn)，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了新型雙臺(tái)肩接頭的結(jié)構(gòu)尺寸和螺紋牙型，經(jīng)改進(jìn)后的新型接頭抗扭性能和管體抗扭性能得到平衡，接頭臺(tái)肩和螺紋的自身抗扭能力得到提高，整體抗扭屈服極限超過50000N·m。并且新型接頭的內(nèi)徑經(jīng)過增大后能基本實(shí)現(xiàn)鉆桿內(nèi)徑平滑過渡，使得鉆具的水力性能明顯提高。

2.1.2 井口工具、鉆井工具和井下防磨工具等配套工具的研制

研制開發(fā)了與新型接頭配套使用的鉆井工具，經(jīng)多口井使用表明，配套的井口及井下工具設(shè)計(jì)合理，安全可靠。

2.2.3 確定了配合?101.6mm鉆具的鉆井施工工藝

經(jīng)過多口井的試驗(yàn)及改進(jìn)，取得了良好的效果，綜合應(yīng)用了雙臺(tái)肩連接、螺紋牙型優(yōu)化和增大鉆桿內(nèi)徑的改進(jìn)方案，確定了該型號(hào)鉆具使用時(shí)的鉆井參數(shù)，解決了提高扭矩和提高水力效率的矛盾。

2.2 現(xiàn)場應(yīng)用情況

在F 區(qū)塊已完鉆的9 口試驗(yàn)井中全部使用了?101.6mm 鉆具，取得了良好效果。以XXX-1井為例，對相同井深、相同鉆井條件下，使用兩種不同鉆具進(jìn)行軟件模擬，對巖屑床厚度進(jìn)行對比。模擬條件：井深4916m，泥漿密度1.25g/cm3，?177.8mm套管下深2900m，摩擦系數(shù)0.25～0.3，機(jī)械鉆速6m/h，頂驅(qū)轉(zhuǎn)速90r/min。隨著鉆井排量的提高，巖屑床厚度逐漸降低，在完全清除巖屑床之前，相同排量下?88.9mm 鉆具產(chǎn)生的巖屑床始終高于?101.6mm 鉆具。?101.6mm 鉆具在排量達(dá)到15L/s 時(shí)，巖屑床可完全清除；?88.9mm 鉆具在排量需達(dá)到18.3L/s 時(shí)，巖屑床可完全清除（圖1）?，F(xiàn)場根據(jù)模擬結(jié)果及設(shè)備條件優(yōu)選14L/s 排量進(jìn)行鉆進(jìn)施工，配合定期短起下作業(yè)，保證了鉆井效率和井下風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 水平段長1500m不同靶前位移情況下摩阻、扭矩發(fā)展趨勢對比

多口井的使用結(jié)果表明，?101.6mm鉆具與?88.9mm鉆具相比提高了水力功率，增加鉆頭壓降，提高鉆頭水力破巖能量，提高鉆井效率；采取的雙臺(tái)肩密封技術(shù)避免了鉆井液在流經(jīng)每根鉆桿節(jié)箍出現(xiàn)的紊流現(xiàn)象，降低了鉆具內(nèi)的循環(huán)壓耗，在相同泵壓的條件下可以實(shí)現(xiàn)更高的排量，從而實(shí)現(xiàn)更好的水力破巖效果和井底清潔效果；強(qiáng)管柱強(qiáng)度抵御井下風(fēng)險(xiǎn)的能力，大幅提高鉆井安全性。

3 井下摩阻監(jiān)測控制技術(shù)

3.1 引起井下摩阻增大的因素分析

（1）地層巖性的因素。水平段穿越泥巖段時(shí)，由于泥巖的摩阻系數(shù)大，使得全井摩阻迅速增加；穿越砂巖層時(shí)，由于儲(chǔ)層滲透性強(qiáng)，如果鉆井液密度過高，會(huì)在井壁產(chǎn)生壓差，滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)易產(chǎn)生粘卡現(xiàn)象。

（2）井身結(jié)構(gòu)的因素。技術(shù)套管的下深直接影響水平段的摩阻大小，二開長裸眼的水平井水平段摩阻系數(shù)在0.50～0.55 之間，后期滑動(dòng)鉆進(jìn)非常困難，卡鉆風(fēng)險(xiǎn)極大；技術(shù)套管下至造斜點(diǎn)，水平段摩阻系數(shù)在0.48～0.50之間；技術(shù)套管下至A靶點(diǎn)，水平段摩阻系數(shù)在0.43～0.46之間。

（3）鉆井液性能因素。鉆井液的潤滑性能是影響摩阻系數(shù)最直接的因素，在實(shí)際摩阻增大，其他因素?zé)o法改變的情況下，增加鉆井液的潤滑性能都能夠起到立竿見影的效果。

（4）鉆具組合的因素。鉆具組合的剛度和倒裝鉆具的位置都對井下摩阻有一定的影響。

（5）鉆進(jìn)參數(shù)的因素。鉆進(jìn)參數(shù)中的鉆壓過大易導(dǎo)致鉆具發(fā)生屈曲，甚至自鎖；排量和轉(zhuǎn)速的大小直接影響鉆井液的攜巖效果，都會(huì)影響到井下摩阻的數(shù)值。

（6）井身軌跡的因素。設(shè)計(jì)中存在較大的扭方位施工、造斜段過長，或者在施工過程中出現(xiàn)較大的狗腿都會(huì)造成摩阻的迅速增加。

（7）機(jī)械鉆速的因素。機(jī)械鉆速過快的井段給鉆井液的攜巖工作帶來困難，砂子返出不及時(shí)形成巖屑床，導(dǎo)致摩阻增大。

3.2 降低摩阻的技術(shù)措施

（1）提高地質(zhì)預(yù)測能力，在水平段儲(chǔ)層中盡可能避免鉆遇大段泥巖層；

（2）處理鉆井液，提高潤滑性和攜砂能力，原油含量保持在8%～15%；密度、粘度和失水控制在合理的范圍內(nèi)；

（3）工程措施，鉆進(jìn)時(shí)提高轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速和排量，采用小鉆壓、高轉(zhuǎn)速的鉆進(jìn)方式，鉆時(shí)快的井段控制機(jī)械鉆速，確保所鉆巖屑及時(shí)清除，打完單根或立柱根據(jù)需要?jiǎng)澭?，必要時(shí)循環(huán)并進(jìn)行短程起下鉆作業(yè)；

（4）下入減摩工具，套管防磨，裸眼減摩；在下部鉆具組合中加入水力加壓器，上部鉆具中加入水力振蕩器和套管防磨套，降低全井摩阻；

（5）在摩阻已經(jīng)超出設(shè)計(jì)的情況下，避免大幅度調(diào)整井眼軌跡、盡量減少滑動(dòng)鉆進(jìn)，在穩(wěn)斜段可采用常規(guī)穩(wěn)斜鉆具組合；

（6）下部鉆具組合盡量簡單，采取柔性的導(dǎo)向鉆具組合，倒裝鉆具選取合適位置，改善水平段摩阻。

3.3 井下摩阻監(jiān)測及控制方法

在施工之前，根據(jù)該區(qū)塊完成的同類型致密砂巖水平井的摩阻控制情況，利用Landmark 摩阻計(jì)算軟件反算出安全鉆進(jìn)的摩阻系數(shù)，然后再利用安全鉆進(jìn)的摩阻系數(shù)，利用軟件計(jì)算制定出該井在不同長度的水平段時(shí)的摩阻控制目標(biāo)，施工過程中，采取有效措施，使實(shí)際的摩阻盡量靠近事先制定的安全鉆進(jìn)摩阻控制目標(biāo)，從而達(dá)到安全高效鉆進(jìn)的目的。

3.4 實(shí)時(shí)摩阻分析技術(shù)

使用Landmark軟件中的摩阻扭矩模塊對鉆井設(shè)計(jì)中的摩阻扭矩?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，再根據(jù)實(shí)際測量的摩阻扭矩來修訂出裸眼段摩阻系數(shù)。根據(jù)這個(gè)系數(shù)預(yù)測出最優(yōu)施工剖面，來指導(dǎo)工程鉆進(jìn)和選擇合適的鉆井液，指導(dǎo)順利施工。

實(shí)例：XXX-P2 井設(shè)計(jì)軌道摩阻扭矩計(jì)算分析如下。

3.4.1 模擬計(jì)算條件

①井身結(jié)構(gòu)：?339.7mm 套管×300m+?177.8mm技術(shù)套管×2969m（下至A靶點(diǎn)+?152.4mm裸眼；

②水平段鉆具組合：?152.40mm 鉆頭＋?120mm單彎動(dòng)力鉆具×1根+?148mm欠尺寸扶正器+?120mm無磁鉆鋌×1 根+MWD+?88.9mm 斜坡鉆桿×1700m＋?88.9mm 加重鉆桿×600m＋?88.9mm斜坡鉆桿；

③鉆井參數(shù)：鉆壓50kN，鉆頭扭矩2kN·m，排量14L/s；

④套管內(nèi)摩阻系數(shù)0.25，裸眼段摩阻系數(shù)分別取0.35、0.40、0.45、0.50；

⑤水基鉆井液密度1.25g/cm3；

⑥井眼完全凈化，裸眼段井眼擴(kuò)大率為5%。

3.4.2 水平段裸眼段不同摩阻系數(shù)下的摩阻扭矩計(jì)算

水平段裸眼段不同摩阻系數(shù)下的摩阻扭矩計(jì)算數(shù)據(jù)詳見表2。

表2 裸眼段不同摩阻系數(shù)下的摩阻扭矩?cái)?shù)據(jù)表

3.4.3 分析結(jié)果

以上分析可知，在鉆井過程中摩阻扭矩通過模擬軟件可以計(jì)算出，各種地層的裸眼段使用的計(jì)算數(shù)據(jù)，也就是摩阻系數(shù)不同，分析計(jì)算結(jié)果摩阻和扭矩會(huì)隨著摩阻系數(shù)的變化而變化。所以鉆井施工過程中要通過工程或鉆井液上的調(diào)整措施，盡量保證較小的摩阻系數(shù)，從而達(dá)到安全優(yōu)質(zhì)的鉆井目的。

3.4.4 制定安全鉆進(jìn)井下摩阻控制目標(biāo)

例如：根據(jù)XXX-1、XXX-2 和XXX-3 井的實(shí)際摩阻大小，反算出安全鉆進(jìn)的摩阻系數(shù)在0.4 左右，然后制定出XXX-4井的摩阻控制目標(biāo)，實(shí)鉆中采取有效措施，降低摩阻系數(shù)，使實(shí)際摩阻盡量靠近安全鉆進(jìn)的摩阻控制目標(biāo)，如表3所示。

表3 XXX-4井實(shí)際摩阻控制對比表

4 小結(jié)

（1）針對F 區(qū)塊致密砂巖小井眼水平井鉆井施工技術(shù)特點(diǎn)及難點(diǎn)，優(yōu)選鉆機(jī)類型、優(yōu)化設(shè)備配置。參與了F-1區(qū)塊的致密砂巖試驗(yàn)井，其中一臺(tái)70型鉆機(jī)，兩臺(tái)50型鉆機(jī)，均配備頂驅(qū)，全面提升了處理各種復(fù)雜工況的能力。

（2）優(yōu)選了?101.6mm鉆桿，與?88.9mm鉆桿相比提高了水力功率，增加鉆頭壓降，提高鉆頭水力破巖能量，提高鉆井效率。采取的雙臺(tái)肩密封技術(shù)降低了鉆具內(nèi)的循環(huán)壓耗，在相同泵壓的條件下可以實(shí)現(xiàn)更高的排量，實(shí)現(xiàn)更好的水力破巖效果和井底清潔效果，增強(qiáng)了抵御井下風(fēng)險(xiǎn)的能力，大幅提高鉆井安全性。

（3）施工過程中，使用Landmark軟件中的摩阻扭矩模塊對鉆井設(shè)計(jì)中的摩阻扭矩?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，再根據(jù)實(shí)際測量的摩阻扭矩來修訂出裸眼段摩阻系數(shù)。根據(jù)這個(gè)系數(shù)預(yù)測出最優(yōu)施工剖面，來指導(dǎo)工程鉆進(jìn)和選擇合適的鉆井液，指導(dǎo)順利施工。對XXX-P2 井設(shè)計(jì)軌道摩阻扭矩計(jì)算分析，通過不同裸眼段摩阻系數(shù)下的摩阻扭矩計(jì)算分析可以得出，各種地層的裸眼段使用的計(jì)算數(shù)據(jù)，也就是摩阻系數(shù)不同，分析計(jì)算結(jié)果摩阻和扭矩會(huì)隨著摩阻系數(shù)的變化而變化。所以鉆井施工過程中要通過工程或鉆井液上的調(diào)整措施，盡量保證較小的摩阻系數(shù)，從而達(dá)到安全優(yōu)質(zhì)的鉆井目的。