激進鉆井技術在長慶致密油氣藏開發中的應用

王俊海 WANG Jun-hai；程華林 CHENG Hua-lin；信偉 XIN Wei

（川慶鉆探公司長慶鉆井總公司，西安 710018）

0 引言

美國頁巖氣開發中，依靠先進提速工具，通過強化鉆井措施，采用激進的鉆井參數，極大提高了鉆井速度。斯倫貝謝在兩年時間內，采用高鉆壓、高轉速、大排量，在水平段長增加400m 的情況下，平均鉆井周期從53 天縮短到28 天，幅度近50%。目前，長慶地區鉆井施工過程，由于受傳統鉆井參數理論認識、井下動力鉆具性能、鉆頭損壞機理等方面的認識限制，在鉆井參數優化與提速工具配套方面未做深入研究，采用的鉆井參數與國外相比較為保守。通過優選大功率螺桿、高性能鉆頭，在現有機泵條件下，最大限度強化鉆井參數，提高機械鉆速，實現致密油氣井鉆井持續提速提效。

1 激進鉆井參數確定

1.1 排量

二十世紀九十年代國內學者已經開展了PDC 鉆頭機械鉆速與排量的關系研究，總結出了排量與機械鉆速的關聯特性[1]，PDC 鉆頭與牙輪鉆頭相比，排量對機械鉆速的影響更明顯，排量與PDC 鉆頭鉆進機械鉆速近乎線性增長，其原因是鉆頭結構和破巖機埋不同，PDC 噴嘴距井底近需要較高漫流速度及時清除巖屑，避免泥包，PDC 鉆頭以刮削方式破巖，需要更大的排量冷卻復合片，需要較高漫流速度及時清除巖屑。基于這種理論認識，筆者在蘇里格氣田開展了大排量提速試驗，試驗使用常規轉盤鉆進鉆具組合，試驗表明，215.9mm 井眼，鉆進排量增加24%（34L/s 增加到42 L/s），七個層位機械鉆速平均提高67%，最高提高135%（圖1）。

圖1 大排量鉆進試驗對比圖

通過現場試驗，結合國內學者研究成果，在長慶致密油氣藏上部井段地層穩定，實施激進鉆進排量。以機泵可長時間穩定工作的最高泵壓為限，確定鉆進排量，以蘇里格定向井二開為例，216mm 井眼二開起始井深700m，以穩定工作泵壓14MPa 計算，鉆進排量可達到55L/s，環空返速達到2.29m/s，隨著井深增加，逐步降低，3000m 井深時排量39L/s（圖2）。

圖2 恒定泵壓鉆進排量隨井深變化

1.2 鉆壓

致密油氣藏鉆井現場試驗表明PDC 鉆頭的鉆速對鉆壓非常敏感，各地層鉆壓與鉆速幾乎成線性關系，但巖石強度不同，鉆速隨鉆壓變化速率也不同，軟地層更敏感，采用“PDC+螺桿”鉆具鉆進，鉆壓上限取決于螺桿鉆具最大工作壓降，從螺桿鉆具實際工作特性可知，負荷效率最大的工況為螺桿鉆具的工作點[2]，工作點對應的工作參數是螺桿鉆具工作的最優參數，現場應用中應通過加壓前后泵壓增量與機械鉆速的試驗確定最大鉆壓，蘇里格某井采用“216mmPDC+172mm 螺桿”鉆具復合鉆井試驗得到：和尚溝、石盒子、石千峰地層的最大工作鉆壓為140kN，劉家溝地層最大工作鉆壓為160kN（圖3）。

圖3 機械鉆速隨鉆壓大小變化敏感性試驗曲線

1.3 轉速

在長慶致密油氣鉆井中開展了PDC 鉆頭鉆速與鉆頭轉速關聯性試驗，在不同抗壓強度地層關系表現不同，在延安-延長組地層抗壓強度低，隨著鉆柱轉速增大，鉆速大幅增大（圖4）。“PDC+螺桿鉆具”復合鉆進鉆頭轉速由螺桿轉速和鉆柱轉速疊加。劉家溝以上地層抗壓強度低，機械鉆速對轉速敏感，根據鉆機性能，鉆柱轉速提高至可以長時間穩定的轉速（80rpm 以上），同時選用高轉速螺桿，鉆頭轉速達到280rpm 以上；劉家溝以下適當降低鉆頭轉速，提高鉆頭使用壽命。

圖4 延安組-延長組地層機械鉆速隨轉速大小變化曲線

2 激進鉆井關鍵工具優選配套

2.1 PDC 鉆頭分段優選

長慶致密油氣定向井、水平井鉆井優選PDC 鉆頭的原則是適應激進鉆井參數、滑動定向工具面穩定、攻擊性強、兼顧穿含礫硬夾層耐磨性。致密油定向井、水平井“直+斜”段采用六刀翼、19mm 復合片、低密度布齒、設計深水道大排屑空間、短軸雙拋鋼體鉆頭；水平段選用中密度或高密度布齒16mm 復合片。致密氣定向井、水平井“直+糾偏”段選用IADC 代碼S423 系列鉆頭，設計六刀翼、16mm復合片、中密度布齒、深水道水力結構、雙圓弧冠部剛體鉆頭；定向井下部井段、水平井增斜入窗井段選用IADC 代碼S323 系列鉆頭，設計五刀翼、復合切削結構16mm 復合片、中密度布齒、深水道水力結構、短拋物線冠部剛體鉆頭。致密氣小井眼一趟鉆工程選用非平面正角抗沖PDC鉆頭。

2.2 螺桿鉆具優選

依據螺桿鉆具理論特性，螺桿鉆具的輸出轉速和扭矩是兩個各自獨立的參數，即：理論轉矩與馬達進出口壓差成正比，工作扭矩與螺桿馬達壓降和結構有關，而與轉速無關。正常工作過程螺桿鉆具的轉速只與排量有關，并具有硬轉速特性，即鉆進過程螺桿鉆具的輸出轉速基本不變，不因加大鉆壓而造成鉆頭轉速明顯下降，壓差增大工作扭矩變大。螺桿鉆具的輸出扭矩、轉速與其自身的偏心距、頭數、導程、級數有關，依據理論輸出扭矩、理論輸出轉速、每轉排量的決定式[3]選擇螺桿鉆具規范，其計算公式分別為公式（1）、（2）、（3）。

式中：q—螺桿每轉排量，L/r；Δp—螺桿壓降，MPa；A—為螺桿通過流體橫截面面積，m2；Dh—定子直徑，m；n—轉子頭數；T—理論輸出扭矩，kN·m；N—理論輸出轉速，rpm；Q—排量，L/s。

長慶致密油氣鉆井整體選用大功率螺桿，針對鉆井參數與機械鉆速敏感性特點，中生界三疊系以上地層鉆進匹配高轉速、5-6 級螺桿鉆具；劉家溝以下地層，地層可鉆性差、研磨性較強，匹配中低轉速、3-4 級大導程大扭矩螺桿鉆具，各井型分井段螺桿鉆具選型如表1。

3 激進鉆井參數模板建立及現場試驗

在鉆井參數強化相關理論認識的基礎上，結合現場鉆井參數敏感性試驗，根據不同鉆機類型機泵配置特點，建立了不同井型最優鉆井參數組合模板。

致密油氣定向井“Φ311-Φ216”二開次鉆頭程序，建立激進鉆進參數模板（表2），油井定向井試驗124 口井，機械鉆速平均提高13.91%；氣井定向井強化參數試驗119口，機械鉆速平均提高16.26%。致密氣6-1/2″小井眼定向強化參數試驗41 口，機械鉆速平均提高15.52%。

表2 致密油氣定向井激進鉆井參數模板

致密氣水平井采用“Φ346-Φ228-Φ152”三開次鉆頭程序，建立激進鉆進參數模板（表3），現場試驗96 口井，整體機械鉆速平均提高12.13%；228mm“直+糾偏”井眼機械鉆速平均提高14.86%；216mm 斜井段，機械鉆速平均提高10.64%；152mm 水平段，機械鉆速平均提高10.89%。

表3 致密氣水平井激進鉆井參數模板

4 結論

①推行“大排量、大鉆壓、高轉速”激進鉆井參數，在長慶致密油氣鉆井提速中取得顯著效果，在地層穩定性較好的蘇里格區域劉家溝以上采用“PDC+螺桿鉆具”大排量（環空返速1.8m/s 以上）鉆進，大幅度了提高了機械鉆速。②配套大功率螺桿鉆具、高性能PDC 鉆頭是實現激進鉆井的關鍵，施工過程根據地層可鉆性分級匹配高轉速大功率螺桿、低轉速大扭矩螺桿等不同特性螺桿鉆具，可實現不同地層機械鉆速最大化。③實際施工過程，結合配套工具開展不同地層的鉆井參數敏感性對比試驗，優選出達到最高機械鉆速的參數組合。