長水平段水平井機械水力延伸能力研究

任文希，王 煜，程純勇，聶秋露，何 謙

（1.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，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監督中心，四川廣漢 618300；4.中國石油川慶油建公司，四川成都 610041；5.遼河石油勘探局曙光工程技術處，遼寧盤錦 124010）

長水平段水平井技術可以有效提高低滲透致密油氣藏、縫洞發育油氣藏、薄層油氣藏、稠油油藏等復雜油氣藏的開發效果[1-2]。從增大儲層接觸程度和泄流面積的角度考慮，期望盡量增加儲層段的井眼長度。然而，長水平段水平井作業過程中井下摩阻扭矩問題比較突出，難以持續有效鉆進。同時，隨著水平段井眼軌跡的延伸，循環壓力損耗增加，井底流動壓力增大，容易引起井漏等井下復雜情況。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[3-4]、機械承載能力[5-6]、水平井產能[7]等。為此，綜合分析了鉆井水力參數和機械承載能力對水平段井眼軌跡延伸的影響，并提出了水平段井眼長度的確定方法，以保證鉆井施工的順利進行。

1 機械承載能力

鉆井設備的機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備的最大鉤載和頂驅的最大持續輸出扭矩對水平段井眼軌跡延伸能力的限制，即井下摩阻扭矩的影響。為了保證長水平段的順利作業，起下鉆和滑動鉆進過程中能夠克服摩擦阻力保證鉆具的上下運動。旋轉鉆進過程中頂驅扭矩應該克服所有阻力矩，并有效地傳遞至鉆頭處，即：

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

1.1 摩阻扭矩計算模型

對于井下摩阻扭矩的計算采用剛桿模型[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；qm為鉆柱單位長度質量，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為滑動摩擦系數；μt為滾動摩擦系數；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

水平段作業過程中，地層壓力變化不大，而隨著水平段的延伸，循環壓力損耗不斷增加，井底流動壓力不斷增大，極易出現井漏等井下復雜情況。此外，鉆井泵具有額定泵壓，作業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為鉆柱內的壓力損耗，MPa；△pa環空壓力損耗，MPa。

2.1 壓力損耗計算模型

根據范寧-達西公式，鉆柱內壓力損耗計算模型為[9]：

式中：f 為摩阻系數；ρ 為鉆井液密度，kg/m3；L 為鉆柱長度，m；v 為鉆柱內鉆井液流速，m/s；ddi為鉆柱內徑，m。摩阻系數f 可以通過下式確定。層流摩阻系數：

紊流摩阻系數：

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

環空內的壓力損耗計算模型，層流狀態下的環空壓力損耗：

紊流狀態下的環空壓力損耗：

式中：dw為井徑，m；ddo為鉆柱外徑，m；Qa鉆井液排量，L/s。

考慮巖屑床的環空壓力損耗經驗公式[10]：

式中：dao為環空外徑，m；dai為環空內徑，m；H 為巖屑床高度，%；△pa0為無固相時的環空壓力損耗，MPa；Va為混合物環空平均流速，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 實例計算與分析

X1 井實際井身結構（見表1），該井水平段鉆進時的鉆具組合為：Φ152.4 mm 鉆頭+Φ120 mm×1.25°高溫螺桿+Ф120.7 mm 箭形止回閥×2 只+井下壓力計短節+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。安全鉆井液密度窗口為0.9～1.2 g/cm3，鉆井設備的最大鉤載為4 500 kN，頂驅的最大持續輸出扭矩為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進行計算。計算過程假定巖屑床高度為3 %[11]。

表1 X1 井實際井身結構

3.1 機械承載能力的影響

在不同的水平段延伸長度下，采用不同的鉆井液體系（見表2）計算水平段旋轉鉆進過程中井口扭矩，此處只討論扭矩對水平段延伸能力的影響，其結果（見圖1）。

表2 鉆井液性能

圖1 水平段極限延伸長度與扭矩的關系

從圖1 中可以看出，隨著水平井井眼軌跡的延伸，旋轉鉆進過程中所需的井口扭矩不斷增大。此外，在頂驅最大持續輸出扭矩為50 kN·m 的條件下，采用油基鉆井液，可以實現5 000 m 長度水平段的施工，遠高于水基鉆井液條件下的3 500 m。因此，采用潤滑性良好的油基鉆井液，只需用較小的動力便可以轉動鉆具鉆進，大幅度增加水平段進尺。同時，配備更大功率的頂驅設備，可以進一步增加水平段長度。

3.2 鉆井水力參數的影響

取鉆井液密度為0.92 g/cm3，泵排量12 L/s，計算了水平段極限延伸長度同地層破裂壓力當量密度的關系（見圖2）。從圖2 中可以看出，地層破裂壓力梯度升高，水平段極限延伸長度增加。隨著水平段的延伸，環空壓力損耗不斷增加，井底流動壓力也不斷增加。但是鉆進過程中的井底流動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，循環系統的總壓力損耗也不能超過鉆井泵所能承受的最大值。

圖2 水平段極限延伸長度與扭矩的關系

水平段作業過程中，隨著鉆井泵排量的增加，循環系統總壓力損耗增加，井底流動壓力不斷增大。對于已經選定的鉆井泵，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水平段極限延伸長度的影響，計算了不同排量、不同鉆井液密度條件下的水平段極限延伸長度，此處只討論鉆井液排量和密度對水平段延伸能力的影響，計算結果（見圖3）。

圖3 水平段極限延伸長度與排量和鉆井液密度的關系

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，水平段極限延伸長度迅速減小。鉆井泵排量的上限是對應于井底流動壓力不超過地層的破裂壓力的最大值，下限是滿足環空攜巖要求的最小值。鉆井泵的排量越大，井底流動壓力增加越快，因此水平段極限延伸長度越小。在排量為11 L/s 的條件下，水平段極限延伸長度可達2 500 m 左右。同等條件下，排量為15 L/s 時，水平段的極限巖石長度僅為1 920 m 左右。此外，排量為13 L/s 時，采用密度為0.9 g/cm3的鉆井液可以實現2 120 m 水平段的施工，若將鉆井液密度上調為1.15 g/cm3，則水平段極限延伸長度僅720 m 左右。低密度鉆井液可以有效地降低作業過程中的循環壓力損耗，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則需要消耗更多的泵功率。因此，水平段作業過程中，在滿足攜巖要求的條件下，應盡量降低施工排量，并配合低密度鉆井液鉆進，以提高水平段井眼軌跡的延伸能力。

4 水平段極限延伸長度確定方法

綜上所述，水平段極限延伸長度的確定方法為：根據井身剖面，安全鉆井液密度窗口，作業參數等數據分別計算機械承載能力和水力參數制約下的水平段極限延伸長度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度參考值。實際作業過程中，影響水平段極限延伸長度的因素眾多，除了上述的機械承載能力和水力參數的影響，還應該包括破巖門限壓力，經濟產能，地面管線的承壓能力等因素。因此，在進行長水平段水平井設計時，其水平段設計長度應小于Lmin。

5 結論

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

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

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

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