長(zhǎng)水平段水平井機(jī)械水力延伸能力研究

任文希，王 煜，程純勇，聶秋露，何 謙

（1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610500；2.新疆貝肯能源工程股份有限公司，新疆克拉瑪依 834000；3.西南油氣田公司工程技術(shù)監(jiān)督中心，四川廣漢 618300；4.中國(guó)石油川慶油建公司，四川成都 610041；5.遼河石油勘探局曙光工程技術(shù)處，遼寧盤錦 124010）

長(zhǎng)水平段水平井技術(shù)可以有效提高低滲透致密油氣藏、縫洞發(fā)育油氣藏、薄層油氣藏、稠油油藏等復(fù)雜油氣藏的開發(fā)效果[1-2]。從增大儲(chǔ)層接觸程度和泄流面積的角度考慮，期望盡量增加儲(chǔ)層段的井眼長(zhǎng)度。然而，長(zhǎng)水平段水平井作業(yè)過程中井下摩阻扭矩問題比較突出，難以持續(xù)有效鉆進(jìn)。同時(shí)，隨著水平段井眼軌跡的延伸，循環(huán)壓力損耗增加，井底流動(dòng)壓力增大，容易引起井漏等井下復(fù)雜情況。研究表明，水平井水平段的延伸能力受諸多因素制約，如鉆井水力參數(shù)[3-4]、機(jī)械承載能力[5-6]、水平井產(chǎn)能[7]等。為此，綜合分析了鉆井水力參數(shù)和機(jī)械承載能力對(duì)水平段井眼軌跡延伸的影響，并提出了水平段井眼長(zhǎng)度的確定方法，以保證鉆井施工的順利進(jìn)行。

1 機(jī)械承載能力

鉆井設(shè)備的機(jī)械承載能力指其各部分的額定工作載荷，這里主要研究鉆井設(shè)備的最大鉤載和頂驅(qū)的最大持續(xù)輸出扭矩對(duì)水平段井眼軌跡延伸能力的限制，即井下摩阻扭矩的影響。為了保證長(zhǎng)水平段的順利作業(yè)，起下鉆和滑動(dòng)鉆進(jìn)過程中能夠克服摩擦阻力保證鉆具的上下運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過程中頂驅(qū)扭矩應(yīng)該克服所有阻力矩，并有效地傳遞至鉆頭處，即：

式中：Wr為最大鉤載，MPa；Wmax為作業(yè)過程中大鉤載荷的最大值，MPa；Tr為最大持續(xù)輸出扭矩，MPa；Tmax為作業(yè)過程中最大阻力扭矩，MPa。

1.1 摩阻扭矩計(jì)算模型

對(duì)于井下摩阻扭矩的計(jì)算采用剛桿模型[8]：

式中：K 為井眼曲率，rad/m；Ka為井斜變化率，rad/m；KΦ為方位變化率，rad/m；Kf為浮力系數(shù)；qm為鉆柱單位長(zhǎng)度質(zhì)量，N/m；N 為正壓力，N；Nn為主法方上的均布接觸立，N；Nb為副法向上的均布接觸力，N；R 為鉆柱的半徑，m；Mb為鉆柱微元段上的彎矩，N·m；α 為井斜角，rad；Φ 為方位角，rad；μa為滑動(dòng)摩擦系數(shù)；μt為滾動(dòng)摩擦系數(shù)；Mt為鉆柱所受扭矩，N·m；dT 為鉆柱微元段軸向力增量，N；T 為微元段上的軸向力，N。

2 鉆井水力參數(shù)

水平段作業(yè)過程中，地層壓力變化不大，而隨著水平段的延伸，循環(huán)壓力損耗不斷增加，井底流動(dòng)壓力不斷增大，極易出現(xiàn)井漏等井下復(fù)雜情況。此外，鉆井泵具有額定泵壓，作業(yè)過程中的總壓力損耗必須小于額定泵壓：

式中：pr鉆井泵額定泵壓，MPa；pb鉆頭壓力降，MPa；pg為地面管匯的壓力損耗，MPa；△pi為鉆柱內(nèi)的壓力損耗，MPa；△pa環(huán)空壓力損耗，MPa。

2.1 壓力損耗計(jì)算模型

根據(jù)范寧-達(dá)西公式，鉆柱內(nèi)壓力損耗計(jì)算模型為[9]：

式中：f 為摩阻系數(shù)；ρ 為鉆井液密度，kg/m3；L 為鉆柱長(zhǎng)度，m；v 為鉆柱內(nèi)鉆井液流速，m/s；ddi為鉆柱內(nèi)徑，m。摩阻系數(shù)f 可以通過下式確定。層流摩阻系數(shù)：

紊流摩阻系數(shù)：

式中：He 為Hanks 準(zhǔn)數(shù)；Re 為雷諾數(shù)；τ0為鉆井液初切力，MPa；μp為鉆井液塑性黏度，mPa·s。

環(huán)空內(nèi)的壓力損耗計(jì)算模型，層流狀態(tài)下的環(huán)空壓力損耗：

紊流狀態(tài)下的環(huán)空壓力損耗：

式中：dw為井徑，m；ddo為鉆柱外徑，m；Qa鉆井液排量，L/s。

考慮巖屑床的環(huán)空壓力損耗經(jīng)驗(yàn)公式[10]：

式中：dao為環(huán)空外徑，m；dai為環(huán)空內(nèi)徑，m；H 為巖屑床高度，%；△pa0為無固相時(shí)的環(huán)空壓力損耗，MPa；Va為混合物環(huán)空平均流速，m/s；S 為巖屑密度與鉆井液密度之比；g 為重力加速度，m/s2。

3 實(shí)例計(jì)算與分析

X1 井實(shí)際井身結(jié)構(gòu)（見表1），該井水平段鉆進(jìn)時(shí)的鉆具組合為：Φ152.4 mm 鉆頭+Φ120 mm×1.25°高溫螺桿+Ф120.7 mm 箭形止回閥×2 只+井下壓力計(jì)短節(jié)+Φ89 mm 無磁抗壓鉆桿+MWD（高溫）+Φ89 mm 鉆桿（18°）×400 m+Φ89 mm 加重鉆桿×300 m+Φ89 mm鉆桿×900 m+配合接頭+Φ127 mm 鉆桿（18°）×若干+Ф165 mm 下旋塞×1 個(gè)。安全鉆井液密度窗口為0.9～1.2 g/cm3，鉆井設(shè)備的最大鉤載為4 500 kN，頂驅(qū)的最大持續(xù)輸出扭矩為50 kN·m。F-1600 鉆井泵具有23.1，25.9，29.2，33.2，34.5 MPa5 個(gè)額定壓力可供選擇，本文選擇額定壓力25.9 MPa，額定排量44.97 L/s進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算過程假定巖屑床高度為3 %[11]。

表1 X1 井實(shí)際井身結(jié)構(gòu)

3.1 機(jī)械承載能力的影響

在不同的水平段延伸長(zhǎng)度下，采用不同的鉆井液體系（見表2）計(jì)算水平段旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過程中井口扭矩，此處只討論扭矩對(duì)水平段延伸能力的影響，其結(jié)果（見圖1）。

表2 鉆井液性能

圖1 水平段極限延伸長(zhǎng)度與扭矩的關(guān)系

從圖1 中可以看出，隨著水平井井眼軌跡的延伸，旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過程中所需的井口扭矩不斷增大。此外，在頂驅(qū)最大持續(xù)輸出扭矩為50 kN·m 的條件下，采用油基鉆井液，可以實(shí)現(xiàn)5 000 m 長(zhǎng)度水平段的施工，遠(yuǎn)高于水基鉆井液條件下的3 500 m。因此，采用潤(rùn)滑性良好的油基鉆井液，只需用較小的動(dòng)力便可以轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具鉆進(jìn)，大幅度增加水平段進(jìn)尺。同時(shí)，配備更大功率的頂驅(qū)設(shè)備，可以進(jìn)一步增加水平段長(zhǎng)度。

3.2 鉆井水力參數(shù)的影響

取鉆井液密度為0.92 g/cm3，泵排量12 L/s，計(jì)算了水平段極限延伸長(zhǎng)度同地層破裂壓力當(dāng)量密度的關(guān)系（見圖2）。從圖2 中可以看出，地層破裂壓力梯度升高，水平段極限延伸長(zhǎng)度增加。隨著水平段的延伸，環(huán)空壓力損耗不斷增加，井底流動(dòng)壓力也不斷增加。但是鉆進(jìn)過程中的井底流動(dòng)壓力也不能超過地層的破裂壓力。此外由于鉆井泵的額定泵壓為定值，循環(huán)系統(tǒng)的總壓力損耗也不能超過鉆井泵所能承受的最大值。

圖2 水平段極限延伸長(zhǎng)度與扭矩的關(guān)系

水平段作業(yè)過程中，隨著鉆井泵排量的增加，循環(huán)系統(tǒng)總壓力損耗增加，井底流動(dòng)壓力不斷增大。對(duì)于已經(jīng)選定的鉆井泵，鉆井過程中的泵壓始終等于所選定的缸直徑的額定泵壓，工作排量必須小于鉆井泵的額定排量。為了定量分析施工排量和鉆井液密度對(duì)水平段極限延伸長(zhǎng)度的影響，計(jì)算了不同排量、不同鉆井液密度條件下的水平段極限延伸長(zhǎng)度，此處只討論鉆井液排量和密度對(duì)水平段延伸能力的影響，計(jì)算結(jié)果（見圖3）。

圖3 水平段極限延伸長(zhǎng)度與排量和鉆井液密度的關(guān)系

從圖3 中可以看出，隨著鉆井液密度和鉆井泵排量的增加，受地層破裂壓力和額定泵壓的雙重制約，水平段極限延伸長(zhǎng)度迅速減小。鉆井泵排量的上限是對(duì)應(yīng)于井底流動(dòng)壓力不超過地層的破裂壓力的最大值，下限是滿足環(huán)空攜巖要求的最小值。鉆井泵的排量越大，井底流動(dòng)壓力增加越快，因此水平段極限延伸長(zhǎng)度越小。在排量為11 L/s 的條件下，水平段極限延伸長(zhǎng)度可達(dá)2 500 m 左右。同等條件下，排量為15 L/s 時(shí)，水平段的極限巖石長(zhǎng)度僅為1 920 m 左右。此外，排量為13 L/s 時(shí)，采用密度為0.9 g/cm3的鉆井液可以實(shí)現(xiàn)2 120 m 水平段的施工，若將鉆井液密度上調(diào)為1.15 g/cm3，則水平段極限延伸長(zhǎng)度僅720 m 左右。低密度鉆井液可以有效地降低作業(yè)過程中的循環(huán)壓力損耗，沿程泵功率消耗較少，讓有限的泵功率充分用于井眼凈化，提高井眼清潔效率，而高密度鉆井液沿程流動(dòng)則需要消耗更多的泵功率。因此，水平段作業(yè)過程中，在滿足攜巖要求的條件下，應(yīng)盡量降低施工排量，并配合低密度鉆井液鉆進(jìn)，以提高水平段井眼軌跡的延伸能力。

4 水平段極限延伸長(zhǎng)度確定方法

綜上所述，水平段極限延伸長(zhǎng)度的確定方法為：根據(jù)井身剖面，安全鉆井液密度窗口，作業(yè)參數(shù)等數(shù)據(jù)分別計(jì)算機(jī)械承載能力和水力參數(shù)制約下的水平段極限延伸長(zhǎng)度LMechanical和LHydraulics，然后取兩者的較小值Lmin作為該井的水平段極限延伸長(zhǎng)度參考值。實(shí)際作業(yè)過程中，影響水平段極限延伸長(zhǎng)度的因素眾多，除了上述的機(jī)械承載能力和水力參數(shù)的影響，還應(yīng)該包括破巖門限壓力，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)能，地面管線的承壓能力等因素。因此，在進(jìn)行長(zhǎng)水平段水平井設(shè)計(jì)時(shí)，其水平段設(shè)計(jì)長(zhǎng)度應(yīng)小于Lmin。

5 結(jié)論

（1）分析了機(jī)械承載能力和鉆井水力參數(shù)對(duì)水平段極限延伸長(zhǎng)度的影響，并給出了水平段極限延伸長(zhǎng)度的確定方法。

（2）摩阻扭矩是制約水平段極限延伸長(zhǎng)度的重要因素，實(shí)際施工過程中可考慮采用潤(rùn)滑性能良好的油基鉆井液體系，并配合大功率的頂驅(qū)裝置，以滿足長(zhǎng)水平段作業(yè)的需要。

（3）鉆井泵額定壓力越大，地層破裂壓力越高，則允許的水平段長(zhǎng)度越長(zhǎng)。隨著鉆井泵排量和鉆井液密度的增加，水平段極限延伸長(zhǎng)度迅速減小。因此在鉆井泵已經(jīng)確定的情況下，應(yīng)選用低密度的鉆井液并配合較低的施工排量作業(yè)，以獲得盡可能長(zhǎng)的水平段。

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