吐哈盆地中深水平井延伸能力分析與應用

班 和，趙 濤，葉國棟，趙久平，和亞舟

（1.吐哈油田分公司工程技術研究院，新疆吐魯番 838200；2.吐哈油田分公司鄯善采油管理區，新疆吐魯番 838200）

近年隨著該區塊油氣資源勘探的不斷深入，水平井技術在吐哈油田勝北區塊的優勢愈發凸顯，但區塊內油層埋深大，深層水平井造斜點深，造斜率偏大，已完鉆水平井水平段長在700～1000m，均未達到設計要求；井眼軌跡控制難度大，裸眼段長在1000～2000m，井眼粗糙不規則，造成活動鉆具與起下鉆摩阻增大。由于地質資料存在較大不確定性，在鉆進過程中要根據地質導向的需求，需要不斷地對水平段軌跡進行調整，增加了井眼軌跡的復雜程度，對提高水平段的延伸長度及油藏的綜合效益開發產生一定的影響。

本文基于鉆柱力學模型的方法，結合目前吐哈油田勝北區塊已鉆水平井造斜率、水平段長等因素與勝北深層水平井特點，對三開造斜段、水平段的摩阻與扭矩進行了建模分析；同時，還通過分析地層承壓、鉆桿安全系數、井眼清潔、鉆壓等影響水平段延伸的因素，提出了針對該區塊水平段延伸的技術措施。

1 水平段延伸能力影響因素分析

1.1 摩阻扭矩計算模型

針對鉆具在井下的摩阻與扭矩的研究，當前在世界范圍內已經開展了與鉆柱摩阻扭矩模型相關的計算以及建立，相關方面的專家學者開展了大量的研究。在世界范圍內相關的專家在1984年完成定向井摩阻扭矩模型的計算和創建，該模型的創建主要基于Johansick 研究出的軟桿模型[2]。現有的摩阻扭矩模型，主要有軟桿模型和剛桿模型兩大類。深層水平井具有深層井和水平井的雙重特征，易受鉆井裝備和工藝條件的制約，由于井眼尺寸小，所使用的鉆柱尺寸小，剛度不大，鉆柱橫截面上產生的剪切力較小，因此現場側鉆造斜段施工較符合軟桿模型的假設條件[3-5]。

假定在井下幾千米位置，在形狀方面井眼軌跡和鉆柱軸線是完全一致的，都屬于細長彈性體，經離散之后鉆柱會從整體上變為微單元段；鉆柱單位長度、摩擦因數以及重量完全一致的井段屬于同一鉆柱單元[6-7]。方位角以及井斜角都會導致鉆柱中軸向載荷發生改變。取一段長為dl的微元段，受力分析見圖1。

圖1 柱微元段受力解析

對單元為i 的鉆柱進行受力分析，由圖1可推導出以下計算模型[8]：

式中：Ti+1——第i鉆柱單元上端的軸向應力，下端代表的是第i鉆柱單元下端的軸向應力，N；

Mi+1——第i鉆柱單元上端的扭矩；

Mi——第i鉆柱單元下端的扭矩，N·m；

Ni——第i鉆柱單元與井壁的接觸正壓力,N；

μ——滑動摩擦系數；

r——鉆桿半徑，m；

Wg——單位長度鉆柱浮重,N；

F——阻力，N；

α——平均井斜角；

Δα——井斜角增量；

Δφ——方位角增量，鉆柱的運動方向為向上時，取“+”，向下運動時取“-”。

對摩擦阻力產生干擾的因素主要包括鉆柱的側向正壓力以及摩擦阻力系數兩個。干擾到摩擦阻力系數的因素相對更多，通常情況下都選擇應用以區塊鄰井鉆井數據作為依據進行反演獲得經驗值的方式[9]。參考勝北區塊已鉆水平井造斜段與水平段鉆具組合、摩阻數據，同時考慮到鉆柱剛性的影響，對原有軟桿模型進行修正，引入附加剛性力Ng。

式中：EI——鉆桿的抗彎剛度；

K——井眼曲率，(°)/30m；

L——提供剛性壓力的鉆具長度，m；

ΔD——井眼環空間隙，m。

對于部分水平段以及造斜段，由于鉆具剛性和井眼曲率存在較大改變，因此需要將鉆柱剛性產生的影響考慮在內，在進行計算時選擇應用修正的軟桿模型完成，直井段采用軟桿模型進行計算，為了將計算精度進行提高，要求和在施工現場進行實際測量的扭矩以及大鉤載荷進行對比分析。

1.2 地層承壓能力

在鉆進時，相較于地層破裂壓力而言，鉆井液的當量密度(EDC)需要保持更小的水平，相反就會導致地層被壓破，出現井漏等復雜度更高的事故[10]。由于勝北區塊目的層存在井壁坍塌的風險，地層安全密度窗口窄，且伴隨有滲漏現象[11]，隨著水平井井深的增加，還需要將漏失以及坍塌壓力對鉆井液當量密度產生的干擾考慮在內。所以，鉆井液當量密度應滿足以下條件：

式中：ρp——地層孔隙壓力當量密度，g/cm3;

ρm——鉆井液當量密度，g/cm3；

Cr——鉆屑百分比，%；

ΔP——循環壓耗，MPa；

H——井深，m；

ρt——地層破裂壓力當量密度，g/cm3。

1.3 鉆桿安全系數

在鉆進過程中，如果相較于工程標準中規定的安全系數的限定值而言，鉆桿的抗拉安全系數更小的情況下，鉆具就有可能失效，甚至是鉆具扭斷，導致井下事故。所以，在水平段延伸的過程中，有必要對鉆具的抗拉安全系數進行校驗。根據《鉆井手冊》中提供的鉆桿最大抗拉載荷[12]，可推導出抗拉安全系數Fs：

式中：Te——鉆桿屈服強度，daN；

LDP——鉆桿長度，m；

K——浮力因數。

1.4 井眼清潔影響

隨著水平位移的不斷增大，巖屑的堆積開始影響扭矩和摩擦阻力，而且這種影響作用越來越明顯。井斜角、鉆井液排量與轉盤轉速等都屬于對井眼清潔產生干擾的主要因素[13]。常規水平井鉆進施工中，認為井斜角在不小于50°時，最容易形成巖屑床，出于對以上因素產生干擾的規律進行研究的目的，選擇應用軟件Landmark 進行模擬仿真。在勝北區塊水平段鉆進時，井斜角均在80°以上，且鉆具組合多采用LWD+螺桿動力鉆具，所以假定井斜角為80°，轉盤轉速為60r/min，鉆井液塑動比為0.5，得出以下巖屑床厚度、懸浮鉆井液濃度與鉆井液排量的關系圖，見圖2。

從圖中可以看出，巖屑床厚度與鉆井液排量密切相關，提高鉆井液排量，可以有效降低巖屑床厚度，緩解井眼的清潔狀況。

1.5 鉆壓影響因素

鉆井在對水平井延伸能力產生影響時主要間接性借助于對其摩擦阻力產生影響實現。對于其井段的下部分而言，摩擦阻力太大時會導致出現自鎖，因此鉆壓傳到井底就會比較困難，水平段延伸就會受到約束[14]。根據所鉆地層的情況，選擇合適的鉆壓可以增加鉆壓的傳遞效率，提高機械鉆速，有利于水平段的延伸。

根據鉆井理論可以得出，鉆壓增大到一個臨界值時，鉆具會發生屈曲變形[15]，鉆具與井壁的接觸面積增大，從而增加鉆具與井壁間的摩阻。當屈曲變形小時，鉆壓還可以部分傳遞至鉆頭，但是如果鉆具屈曲為螺旋狀態的情況下，鉆壓傳遞到鉆頭就會比較困難，嚴重影響鉆進施工。因此，合理地選擇鉆壓，控制鉆具的屈曲狀態，是影響水平井水平段延伸至關重要的一個因素（如圖3所示）。

2 實例計算與應用

2.1 勝北5s13-1H井概況

勝北5s13-1H是一口部署在吐哈油田勝北區塊的開發水平井，在之前同區塊鄰井鉆進施工時，位于上部地層的侏羅系七克臺組曾遇到高壓異常段，發生不同程度的井涌、水侵現象，根據前期鉆井資料及導眼井測井解釋，優選三層套管結構，具體井身結構見表1。

在三開進入造斜段與水平井段鉆進，由于油氣層起伏不定，軌跡調整頻繁，起下時鉆具摩阻異常增大，通過前期對造斜段與水平段摩阻、扭矩、地層承壓、井眼巖屑濃度的模擬計算，和對鉆具組合進一步優化完善，將鉆井參數控制在合理范圍之內，最終順利完鉆，水平段長829m。

2.2 摩阻、扭矩實鉆分析

根據勝北5s13-1H 井水平段鉆進時的實際情況，對在井斜角35°以上的井段采用軟桿模型計算模擬；下部井段鉆具多以鉆桿和加重鉆桿為主，考慮到加重鉆桿的剛性影響，采用如下鉆井參數：鉆壓80kN，轉數55r/min，鉆頭扭矩2.5kN·m，鉆井液密度1.53g/cm3，套管摩擦系數0.2，裸眼段摩擦系數0.3，起下鉆時鉆具運動速度為0.15m/s，修正軟桿模型進行模擬計算，在施工前通過Landmark 軟件進行實鉆推演，得出圖4 與圖5中的計算數據。

圖4 鉆進時計算扭矩與實鉆扭矩對比

圖5 起下鉆時鉤載計算與實測對比

在鉆壓與頂驅轉速一致的情況下，測得實際扭矩和大鉤載荷與之前的模擬計算數據基本吻合，見圖4和圖5，由此說明計算模型較為準確，選擇應用套管以及裸眼摩擦阻力系數更具合理性，結合鉆機與鉆井設備的承載能力范圍，可作為對該區塊水平井水平段延伸的有力依據。

2.3 鉆井液當量密度與地層承壓分析

取勝北5s13-1H 井現場數據進行分析：鉆井液當量密度1.53g/cm3，動切15Pa，塑性粘度58MPa·s，鉆井液屬于水基鉆井液種類，地層漏失以及地層破裂壓力當量密度分別為1.6g/cm3、1.67g/cm3。

由圖6可以看出，鉆井液密度隨水平段的增加而增大，在4932m處達到了1.55g/cm3，雖然和地層破裂壓力當量密度相比較而言非常小，然而已經和地層漏失壓力當量密度之間的差距非常小，且在此處發生了輕微滲漏，繼續延伸水平段可能會導致井漏等復雜情況。

圖6 鉆井液密度隨井深變化

2.4 井眼清潔狀況分析

根據上文巖屑床厚度、懸浮鉆井液濃度與鉆井液排量的關系（圖2）可知，提高排量至35L/s以上，可有效緩解巖屑床沉積。如果鉆井液排量維持不變的條件下，隨著水平段的不斷延伸循環空壓耗也會有所提高。如圖7所示，隨著水平段的伸長，循環壓耗也在隨之增大，在水平段達到800m 時，循環壓耗已接近泥漿泵的額定泵壓。

消除巖屑床，提高水平段的延伸能力，需要更大功率的鉆井液循環設備。現場施工中，勝北5s13-1H 井將二開使用的F-1600型泥漿泵更換為F-1600HL型高壓泥漿泵，最大工作壓力可達到52MPa，承壓能力較之前提高了50.7%。提高排量后，配合巖屑床破壞器的作用（圖8），巖屑床厚度得到有效控制，鉆具上提下放過程中摩阻也有相應的降低。

圖8 巖屑床破壞器

2.5 優化鉆壓與鉆具組合

通過前期分析臨井資料，在鉆壓超過60kN，水平段超過600m后，機械鉆速明顯下降，且泵壓無起伏變化，由此判斷鉆具已發生螺旋屈曲。勝北5s13-1H井由于造斜段設計造斜率偏高（表2），在水平段施工中，為有效緩解這種情況的發生，對鉆壓與鉆具組合進行了匹配。

表2 勝北5s13-1H井眼軌跡數據

進入水平段后，前400m 將限定鉆壓規定至80～100kN，鉆具組合為：?216mmPDC+?172mm 螺桿（1.25°208mm 扶）+?212mm 井壁修復器（螺旋）+單流閥+?170mm LWD 電阻率無磁+?171mm 轉換接頭+?172mm 無磁鉆鋌+?170mm 限流接頭+?127mm 加重鉆桿×3根+?127mm斜坡鉆桿×21根+?172mm水力振蕩器+?127mm鉆桿×114根+?127mm加重鉆桿×27根+139.7mm斜坡鉆桿。

在剩余的429m 施工中，將限定鉆壓下降至60～80kN，同時通過調整一定比例的加重鉆桿位置，已達到緩解井下鉆具屈曲：?216mmPDC+?172mm 螺桿（1.25°208mm 扶）+?212mm 井壁修復器（螺旋）+單流閥+?170mm LWD電阻率無磁+?171mm轉換接頭+?172mm 無磁鉆鋌+?170mm 限流接頭+?127mm 加重鉆桿×12 根+?127mm 斜坡鉆桿×12 根+?172mm 水力振蕩器+?127mm鉆桿×114根+?127mm加重鉆桿×27 根+139.7mm 斜坡鉆桿。通過降低鉆壓與調整鉆具組合，該井在水平段鉆進過程中平均機械鉆速12.57m/h，較周邊臨井提高14.61%。

3 結論

（1）由于勝北區塊的水平井在造斜段下部與水平段施工鉆進時，摩阻與扭矩均較吐哈盆地其他區塊偏高，出于對鉆壓進行傳遞的目的，大部分都選擇使用倒裝鉆具組合。因此，根據井眼曲率與鉆具剛性的不同，結合軟桿模型與剛桿模型的特點，分段選擇不同的數學模型計算，可有效提高計算預測精度。

（2）勝北區塊在鉆進過程中，對水平段延伸產生約束性作用的主要因素也包括地層承壓能力。當鉆井液密度偏低時，該區塊井壁易發生垮塌；緩慢提高鉆井液密度1～2 點后，鉆進過程中易發生滲漏，因此，合理地選擇鉆井液體系與性能，同時與對應的堵漏方式進行配套使用，有助于地層承壓能力的提高。

（3）在起下鉆、鉆進時應根據實測的摩阻與扭矩等數據，對鉆具進行安全系數計算，確保鉆具符合施工條件，保證井下施工安全。

（4）對水平段延伸起到約束性作用的重要因素中也包括鉆井循環設備的壓力的額定值。巖屑床越高，不但會對水平段的延伸產生較大干擾，同時對井下安全造成隱患。在對該范圍內的水平井進行鉆井施工的過程中，需要對鉆井液的性能進行適度完善，改善循環設備的承壓能力，提高循環排量，盡可能緩解與消除巖屑床。