鉆井工程中水平井鉆井提速技術研究

曲勝

大慶鉆探工程公司鉆井一公司 黑龍江 大慶 163254

鉆井是一種重要的油氣開采工藝，對我國各個領域的發展具有一定的影響，在時代發展背景下[1]，鉆井技術也在不斷升級，旨在提升油氣資源開發量，為工業化儲備作基礎[2]。研究表明，近幾年，我國的鉆井數量越來越多，對生產的貢獻量也越來越大。水平鉆井是鉆井技術的一種，其具有一定的鉆速優勢[3]，能提高鉆井效率，降低鉆井工程的風險。隨著油氣資源的枯竭，水平鉆井的環境也越來越復雜，嚴重影響了水平鉆井工藝的鉆速，極易造成地質塌陷[4]，不僅延長了鉆井的周期，降低了鉆井收益，還容易出現鉆井事故。為了解決上述問題，急需設計一種有效的鉆井提速技術。

事實上，大多數鉆井工程存在嚴重的擴徑問題，容易出現井下塌陷[5]，還有部分鉆井工程的井液安全密度狹窄，易出現井漏問題，若漏失地層為石炭系等堅硬、夾層較多的地層，會嚴重延長鉆井周期，降低鉆井生產的有效性。事實上，早在20世紀中期，相關研究人員就研究了以井噴式為基礎的鉆井提速技術，其主要根據井眼與鉆進面之間的距離進行定向測量，調整鉆具結構。還有提出將井下參數與鉆井可變因數結合，實現最優參數配合，從而提高鉆井速度，但大多數鉆井提速技術需要使用LWD+螺旋定向組合調整鉆進周期，易受水平振動作用影響，導致機械鉆速不符合鉆井工程標準，因此，本文將井身結構與鉆具相結合，共同優化，設計了一種全新的水平井鉆井提速技術。

1 鉆井工程中水平井鉆井提速技術優化設計

1.1 優化水平鉆井井身結構

為了降低鉆井阻力，提升水平井鉆井速度，本文建立了井中壓力體系，優化了現有的井身結構。事實上，在鉆井的過程中，經常會面臨井噴等復雜問題，因此需要保證井內的壓力體系始終平衡，此時井內的壓力梯度關系式如公式（1）所示。

式中，Gf代表井內破裂壓力梯度；Gm代表井內液柱壓力梯度；Gp代表地層孔隙壓力梯度。根據上述的井內壓力梯度關系，可以確定井壁的穩態條件，即設置的鉆井壓力必須大于地層塌陷壓力。

井段長度直接決定下鉆套管的深度，因此為了避免復雜的鉆進事故，需要設置有效的必封點。在正常的鉆進狀態下，井內的井涌復雜，此時的井鉆壓力條件式如公式（2）所示。

式中，ρm代表鉆井液最高當量密度，ρpmax代表地層壓力梯度最高當量密度[9]；Sb代表抽吸壓力系數。此時下鉆，得到的壓力體系如公式（3）所示。

式3中，ρfmin代表地層最小破裂壓力當量密度；Sg代表激動壓力系數。為了滿足鉆井安全需求，需要設置一個基礎安全系數，此時，設置的井身必封點深度關系如公式（4）所示。

式中，Sf代表破裂壓力安全值，此時，根據上述構建的水平井鉆井體系，可以有效設置井身的必封點，使其鉆進壓力處于平衡狀態。

根據上述設置的井身必封點深度及壓力平衡關系，本文設計的方法自上而下設計了不同的套管深度，首先使用三壓力剖面法計算了中間套管下入深度ΔP，如公式（5）所示。

式中，HN代表地層壓力最小深度。結合士農工商可以確定中間套管的下入深度，對井身結構進行有效調整與優化，本文優化的井身結構屬于三層結構，其應力關系式ESR如公式（6）所示。

式中，Shmin代表水平最小應力；ρp代表孔隙壓力；SV代表上層巖石壓力，結合上述關系式設置的井身機構如圖1所示。

圖1 井身優化結構

由圖1可知，上述的井身優化結構使用三開層次，一開使用鉆頭鉆至指定深度，設置表層套管，二開進行完鉆，三開重復下入套管。

1.2 優選水平鉆井鉆具組合

鉆井速度與鉆井鉆具有重要關系，因此本文設計的水平鉆井提速技術優選了水平鉆井鉆具組合。首先需要選取關鍵的鉆井鉆頭，研究發現，大多數鉆井工程的巖心都不完整，難以確定其力學參數，因此，本文設計的方法使用三軸試驗法，在常溫環境中選取有效的循環液，將選取的巖心樣本打磨完整，此時即可使用三軸試驗裝置進行檢測。該裝置可以根據補償關系傳感軸向數據荷載信號，統一傳輸至采集中心，從而繪制不同鉆頭的性能參數曲線。此時根據鉆深與傳感關系可以得到樣本的彈性模量及泊松比。

鉆井的層次較多，為了滿足實際鉆探要求，需要進行分類比對，對鉆具組合選取提供依據，本文使用灰色關聯聚類法處理了選型數據，降低了數據約束值，確定了此時的聚類系數。根據該系數可以構造優選聚類向量，確定不同鉆頭的優劣順序，從而完成鉆具優選，常見的高性能鉆頭包括ST115G、ST127G、RA114、HT2565等。

鉆頭選取完畢后，需要為其配置合適的單彎螺桿鉆具組合，該鉆具組合對鉆孔預測和井眼軌跡判斷十分重要。因此，在選取鉆具組合時，本文使用了縱橫彎曲法，確定了不同鉆具的組合受力，將初始組合看成一個簡單的支座。比選時，需要建立三彎矩方程進行求解，確定不同鉆具組合的受力效果，進行受力簡化處理。此時可以進行優選假設，即不考慮方位的變化，判斷不同鉆具組合對井斜變化的影響，或確定不同鉆具剛度與螺桿剛度的關系，排除轉動震動等動態因素進行綜合選擇。若存在2組相似的組合，需要假設一個初始的井眼軌跡曲線，將其轉換為二維最優組合問題，進行綜合比選。在實際鉆井速度提升過程中，需要根據鉆井工程的地層條件按照上述步驟進行選擇，確定水平鉆井鉆具的最優組合。

2 實例分析

2.1 概況及準備

為了研究設計的鉆井提速技術的提速效果，本文以X鉆井工程為例，進行了實例分析。已知X鉆井工程位于多個逆沖階梯狀控制斷裂帶，具有較強的東西分帶特點，其主要油氣分布于X鉆井工程的西北部，屬于單斜構造，X鉆井工程存在的含油帶集中于井區中部，與上下發育地層作用有關，受多帶斷裂作用影響，地層剝蝕作用嚴重，存在多期噴發火山巖體。該井區存在大面積灰色泥巖及粉質砂巖，容易垮塌，嚴重影響鉆井鉆速，且易出現漏失問題，對X鉆井工程進行勘探，得到該井區的地層壓力表，如表1所示。

表1 X鉆井工程地層壓力

由表1可知，X鉆井工程自2018年起鉆，整體鉆速較低，水平鉆速差異明顯，因此，該鉆井工程漏失頻繁。除此之外，X鉆井工程的成本較高，堵漏成功率偏低。

根據X鉆井工程的井徑曲線可知，其擴徑嚴重，易出現垮塌，多個鉆井井位存在縮徑問題，重點擴徑段為1750～2000m。X鉆井工程的井漏相對復雜，存在較強的過渡因素。除此之外，其壓力系數較高，部分微裂縫發育明顯，整體漏失嚴重，X鉆井工程存在多個漏失點，其中479井號的漏失點深度約3058m，漏失量為158m3，損失時間已經超過了120h。CHHW4705井號的漏失點深度約4097m，漏失量為320m3，損失時間已經超過了174h。

對X鉆井工程的巖心進行觀察發現，其巖心區存在多種天然裂縫，不同裂縫的密度不一致。除此之外，其安全密度窗口相對較窄，難以與地層壓力抵消，因此容易出現井塌問題。X鉆井工程大部分為石炭系地層，機械鉆速差距較高，存在嚴重的尺度分化問題，且整體鉆井周期較長，難以選擇有效的鉆頭。井號車479、CHHW4705、CHHW4706、CHHW4707目前的平均轉速均較低。

2.2 鉆進效果及討論

結合上述的概況及準備，可以進行鉆井提速技術分析，即在相同的運行條件下，使用本文設計的鉆井提速技術進行鉆井優化，記錄優化后不同鉆井周期下的機械轉速，并將其與鉆進要求的標準機械轉速對比，鉆進效果如表2所示。

表2 鉆進效果

由表2可知，使用本文設計的鉆井提速技術提速后X鉆井工程不同鉆井周期的機械鉆速均符合鉆進要求標準，證明設計的水平井鉆井提速技術的提速效果較好，具有可靠性，有一定的應用價值。

3 結束語

在工業化發展背景下，我國的油氣資源開采難度日漸增加。鉆井技術是一種特殊的油氣開采工藝，對工業油氣資源儲備作出了一定的貢獻。受復雜的開采環境影響，常規的水平鉆井工藝出現了鉆進速度慢，工期延長等嚴重問題，難以有效地進行油氣開采，因此，本文設計了一種全新的水平井鉆井提速技術。實例分析表明，設計的水平井鉆井提速技術的提速效果較好，具有可靠性，有一定的應用價值，為降低水平井鉆井風險作出了一定的貢獻。