致密砂巖小井眼水平井安全鉆井關鍵技術

許翔舒

（大慶鉆探鉆井四公司，吉林松原138000）

本文以國內油田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[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及難點，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鍵技術攻關。

1 致密砂巖小井眼水平井鉆機優(yōu)選

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

1.1 鉆機選擇主要原則

最大鉤載是鉆井重要的參數(shù)，API（美國石油協(xié)會標準）也將80%套管破斷強度或者是100%鉆桿破斷強度來計算最大鉤載值。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

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

①鉤載儲備系數(shù)盡量選大些（一般≥1.60）。

②井架高度hA，一般應滿足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)驗公式（3）選取。

式中：Ls——立柱長度，m;

z——游動系統(tǒng)有效繩數(shù);

b——系數(shù)，取3 或4，在機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力，減少起鉆時間，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 轉盤（旋轉系統(tǒng)）選擇原則

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

②轉盤轉速可調范圍大。

③轉盤最大靜載荷應與鉆機最大鉤載匹配。

④轉盤（頂驅）額定功率應滿足最大工作扭矩。

1.1.3 鉆井泵（循環(huán)系統(tǒng)）選擇原則

①根據(jù)設計井井身結構、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滿足鉆至設計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)場施工時應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范圍大。

1.2 F區(qū)塊致密砂巖小井眼水平井鉆機設備優(yōu)選結果

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

表1 F-1區(qū)塊鉆機選型統(tǒng)計表

2 小徑鉆桿優(yōu)選與應用

針對常規(guī)?152.4mm 井眼鉆井過程中存在機械鉆速慢、鉆井效率低、鉆井事故率高等特點，項目組在充分分析影響因素的基礎上，尋找現(xiàn)有技術的瓶頸。分析認為當前?152.4mm井眼鉆井所使用的?88.9mm鉆桿存在循環(huán)壓耗高、抗扭強度小、鉆壓傳遞困難、復合鉆進穩(wěn)斜效果差、滑動鉆井工具面調整困難等多方面不利因素，借鑒國外先進經(jīng)驗并結合F 區(qū)塊致密砂巖油氣藏鉆井的自身特點，決定使用?101.6mm 雙臺肩非標準鉆桿，因此需對?101.6mm 鉆具的使用工藝進行研究及其配套的實用工具進行改進。

2.1 工藝改進措施

2.1.1 螺紋參數(shù)優(yōu)選

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

國外以及國內其他地區(qū)鉆井作業(yè)使用的?101.6mm雙臺肩非標準鉆桿接頭型號多為NC40，其抗扭強度為31884N·m，管體的抗扭強度為56800N·m，接頭的抗扭強度低于管體的抗扭強度。針對深層致密砂巖油氣藏的鉆井特點，項目組設計了新型雙臺肩接頭的結構尺寸和螺紋牙型，經(jīng)改進后的新型接頭抗扭性能和管體抗扭性能得到平衡，接頭臺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。并且新型接頭的內徑經(jīng)過增大后能基本實現(xiàn)鉆桿內徑平滑過渡，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計合理，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)過多口井的試驗及改進，取得了良好的效果，綜合應用了雙臺肩連接、螺紋牙型優(yōu)化和增大鉆桿內徑的改進方案，確定了該型號鉆具使用時的鉆井參數(shù)，解決了提高扭矩和提高水力效率的矛盾。

2.2 現(xiàn)場應用情況

在F 區(qū)塊已完鉆的9 口試驗井中全部使用了?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行軟件模擬，對巖屑床厚度進行對比。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，機械鉆速6m/h，頂驅轉速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 鉆具在排量達到15L/s 時，巖屑床可完全清除；?88.9mm 鉆具在排量需達到18.3L/s 時，巖屑床可完全清除（圖1）。現(xiàn)場根據(jù)模擬結果及設備條件優(yōu)選14L/s 排量進行鉆進施工，配合定期短起下作業(yè)，保證了鉆井效率和井下風險。

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；采取的雙臺肩密封技術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，降低了鉆具內的循環(huán)壓耗，在相同泵壓的條件下可以實現(xiàn)更高的排量，從而實現(xiàn)更好的水力破巖效果和井底清潔效果；強管柱強度抵御井下風險的能力，大幅提高鉆井安全性。

3 井下摩阻監(jiān)測控制技術

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，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，由于儲層滲透性強，如果鉆井液密度過高，會在井壁產(chǎn)生壓差，滑動鉆進時易產(chǎn)生粘卡現(xiàn)象。

（2）井身結構的因素。技術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，后期滑動鉆進非常困難，卡鉆風險極大；技術套管下至造斜點，水平段摩阻系數(shù)在0.48～0.50之間；技術套管下至A靶點，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，在實際摩阻增大，其他因素無法改變的情況下，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）鉆進參數(shù)的因素。鉆進參數(shù)中的鉆壓過大易導致鉆具發(fā)生屈曲，甚至自鎖；排量和轉速的大小直接影響鉆井液的攜巖效果，都會影響到井下摩阻的數(shù)值。

（6）井身軌跡的因素。設計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)較大的狗腿都會造成摩阻的迅速增加。

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

3.2 降低摩阻的技術措施

（1）提高地質預測能力，在水平段儲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；

（3）工程措施，鉆進時提高轉盤轉速和排量，采用小鉆壓、高轉速的鉆進方式，鉆時快的井段控制機械鉆速，確保所鉆巖屑及時清除，打完單根或立柱根據(jù)需要劃眼，必要時循環(huán)并進行短程起下鉆作業(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)超出設計的情況下，避免大幅度調整井眼軌跡、盡量減少滑動鉆進，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 摩阻計算軟件反算出安全鉆進的摩阻系數(shù)，然后再利用安全鉆進的摩阻系數(shù)，利用軟件計算制定出該井在不同長度的水平段時的摩阻控制目標，施工過程中，采取有效措施，使實際的摩阻盡量靠近事先制定的安全鉆進摩阻控制目標，從而達到安全高效鉆進的目的。

3.4 實時摩阻分析技術

使用Landmark軟件中的摩阻扭矩模塊對鉆井設計中的摩阻扭矩數(shù)據(jù)進行分析計算，再根據(jù)實際測量的摩阻扭矩來修訂出裸眼段摩阻系數(shù)。根據(jù)這個系數(shù)預測出最優(yōu)施工剖面，來指導工程鉆進和選擇合適的鉆井液，指導順利施工。

實例：XXX-P2 井設計軌道摩阻扭矩計算分析如下。

3.4.1 模擬計算條件

①井身結構：?339.7mm 套管×300m+?177.8mm技術套管×2969m（下至A靶點+?152.4mm裸眼；

②水平段鉆具組合：?152.40mm 鉆頭＋?120mm單彎動力鉆具×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)下的摩阻扭矩計算

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

表2 裸眼段不同摩阻系數(shù)下的摩阻扭矩數(shù)據(jù)表

3.4.3 分析結果

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算出，各種地層的裸眼段使用的計算數(shù)據(jù)，也就是摩阻系數(shù)不同，分析計算結果摩阻和扭矩會隨著摩阻系數(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整措施，盡量保證較小的摩阻系數(shù)，從而達到安全優(yōu)質的鉆井目的。

3.4.4 制定安全鉆進井下摩阻控制目標

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

表3 XXX-4井實際摩阻控制對比表

4 小結

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

（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。采取的雙臺肩密封技術降低了鉆具內的循環(huán)壓耗，在相同泵壓的條件下可以實現(xiàn)更高的排量，實現(xiàn)更好的水力破巖效果和井底清潔效果，增強了抵御井下風險的能力，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計中的摩阻扭矩數(shù)據(jù)進行分析計算，再根據(jù)實際測量的摩阻扭矩來修訂出裸眼段摩阻系數(shù)。根據(jù)這個系數(shù)預測出最優(yōu)施工剖面，來指導工程鉆進和選擇合適的鉆井液，指導順利施工。對XXX-P2 井設計軌道摩阻扭矩計算分析，通過不同裸眼段摩阻系數(shù)下的摩阻扭矩計算分析可以得出，各種地層的裸眼段使用的計算數(shù)據(jù)，也就是摩阻系數(shù)不同，分析計算結果摩阻和扭矩會隨著摩阻系數(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整措施，盡量保證較小的摩阻系數(shù)，從而達到安全優(yōu)質的鉆井目的。