小井眼鉆井提速技術在徐深氣田的試驗與分析

劉美玲 朱健軍 李杉 潘榮山 王智鑫

大慶油田有限責任公司采油工程研究院

小井眼鉆井提速技術在徐深氣田的試驗與分析

劉美玲 朱健軍 李杉 潘榮山 王智鑫

大慶油田有限責任公司采油工程研究院

引用格式： 劉美玲，朱健軍，李杉，潘榮山，王智鑫. 小井眼鉆井提速技術在徐深氣田的試驗與分析［J］.石油鉆采工藝，2016，38（4）：438-441.

?152.4 mm小井眼鉆井技術是提高采收率和綜合經濟效益的有效途徑，大慶徐深氣田Xushen9-Ping4井首次在三開水平段開展了小井眼鉆井試驗，但機械鉆速并不理想，制約了深層氣井鉆井提速和降成本的目標。以?152.4 mm小井眼鉆井現場試驗為例，分析了現場試驗中的儲層特征、鉆頭進尺、純鉆時間和機械鉆速，并利用通用機械鉆速方程，結合徐深氣田儲層及小井眼鉆井試驗情況，得出了小井眼機械鉆速的影響因素，并對小井眼鉆井過程中存在的問題進行了探討，為大慶油田深層氣井下步開展小井眼鉆井試驗提供了依據和參考。

小井眼；鉆井；徐深氣田；機械鉆速；影響因素

大慶油田首次在徐深氣田的水平井三開水平段開展了?152.4 mm小井眼鉆井技術，但由于徐深地區目的層以營城組營一段火山巖儲層為主，同時也存在致密砂巖、砂礫巖、花崗巖及變質巖風化殼等地層，營城組流紋巖地層蘊含石英，研磨性強、可鉆性差。隔層發育高角度構造縫、微裂縫和誘導縫，裂縫發育程度高，封隔性能差，鉆井過程中易發生井漏。盡管小井眼鉆井試驗中應用了抗高溫螺桿配合PDC、液動錘配合孕鑲PDC鉆頭、扭力沖擊器、液動旋沖工具和旋轉導向等提速工具和提速技術，但是三開小井眼的平均機械鉆速仍低于鄰井的平均水平，嚴重制約了徐深氣田小井眼鉆井技術的發展。

1　Xushen9-Ping4井基本情況Basic data of Well Xushen 9-Ping 4

Xushen9-Ping4井是部署在松遼盆地東南斷陷區徐家圍子斷陷豐樂低凸起構造上的一口天然氣水平開發井，設計井深5 275.76 m，實際完鉆井深4 795 m，實際完鉆垂深3 883.4 m，設計水平段長1 301.62 m，實鉆水平段長892.56 m，本井鉆進周期303.52 d，建井周期373.08 d。井身結構設計見表1。

表1　井身結構設計數據Table 1 Data used for design of casing program

Xushen9-Ping4井三開小井眼鉆具組合為：?152.40 mm鉆頭×0.19 m+?126.00 mm抗高溫螺桿×6.32 m+?127.00 mm止回閥×0.44 m+?120.00 mm螺旋扶正器×0.90 m+?120.00 mm無磁鉆鋌×9.54 m+?88.90 mm無磁鉆桿×9.33 m+?127.00 mm加重鉆桿×341.58 m+?88.90 mm鉆桿。三開鉆井液體系為油包水鉆井液體系，密度為1.15～1.20 g/cm3。三開油層套管固井方式采用尾管懸掛完井液充填，油層套管下深至3 525.76～4 702.46 m井段，水平段采用分段裸眼封隔器完井液填充完井方式，完井施工順利。三開鉆井過程中未發生復雜事故。

2　鉆井提速技術在小井眼中的應用分析Application of ROP enhancement technologies in drilling slim holes

Xushen9-Ping4井三開?152.4 mm小井眼鉆井試驗于井深3 579 m開始造斜鉆進，小井眼鉆井盡管應用了抗高溫螺桿配合瑞德PDC及休斯牙輪、液動錘配合孕鑲PDC鉆頭、阿特拉扭力沖擊器、液動旋沖工具和哈里伯頓旋轉導向等提速工具和提速技術，但是三開小井眼的平均機械鉆速僅為0.87 m/h，只達到深層氣井?215.9 mm常規井眼三開平均機械鉆速（1.21 m/h）的72%。

2.1抗高溫螺桿配合PDC及牙輪的應用

Joint application of temperature-resistant screw with PDC and roller bit

?152.4 mm小井眼在4 097～4 143.98 m使用?127 mm抗高溫螺桿分別配合PDC及牙輪鉆頭施工，由于PDC鉆頭不適應營城組火山巖硬地層，鉆頭磨損較為嚴重，平均機械鉆速只有0.80 m/h（見表2），未達到預期提速效果。其中抗高溫螺桿現場使用時間近200 h，從造斜率、抗高溫和耐油性能方面發揮了螺桿的高效率作用，降低了起下鉆時間和減少了復雜事故的發生。

表2　抗高溫螺桿使用情況Table 2 Performance of temperature-resistant screws

2.2液動錘配合孕鑲PDC鉆頭的應用

Joint application of hydraulic hammer and impregnated PDC bit

Xushen9-Ping4井三開?152.4 mm小井眼鉆井在井深4 362～4 425.87 m水平段嘗試了液動錘配合個性化孕鑲PDC鉆頭的提速試驗，進尺63.87 m，純鉆時間54.66 h，平均機械速度1.17 m/h，與常規牙輪+彎螺桿相比平均機械鉆速提高28.47%，雖然機械鉆速得到提高，但PDC鉆頭使用效果較差，單只鉆頭進尺只有21.29 m，從外觀來看，鉆頭磨損較嚴重。

2.3國外旋轉導向的應用

Application of rotary steerable tools in other countries

?152.4 mm小井眼在井深4 445.51～4 480.50 m水平井段，使用的是國外旋轉導向配合國外牙輪和PDC鉆頭，兩次累計進尺34.99 m， 平均鉆速0.76 m/ h，平均單只鉆頭進尺17.5 m，單只純鉆22.92 h（見表3），鉆進中返砂效果好，托壓現象減輕，但由于井底溫度較高，旋轉導向儀器出現了問題，起鉆后發現起出的PDC鉆頭復合片磨損約20%。

表3　旋轉導向使用情況Table 3 Application of rotary steering tools

2.4國外扭力沖擊器及國內液動旋沖提速工具的應用

Application of torsion impacters in other countries and application of hydraulic rotary ROP-enhancement tools in China

?152.4 mm小井眼在井深4 523.90～4 537.98 m水平段應用國外扭力沖擊器配合國外 PDC鉆頭鉆進，鉆速只有1.01 m/h（見表4），因提速效果不明顯起鉆，起出鉆頭后發現鉆頭磨損嚴重，分析原因可能是由于國外PDC鉆頭不適應地層。在井深4713.49～ 4 795.00 m水平段應用國內液動旋沖工具配合PDC鉆頭鉆進，開始時平均鉆速1.93 m/h，但鉆進20 m后鉆速明顯變慢，起出后發現鉆頭磨損嚴重，單只鉆頭進尺較短，主要是由于PDC鉆頭不適應地層造成。

表4　扭力沖擊器和液動旋沖工具使用情況Table 4 Performances of torsion impactors and hydraulic rotary tools

本井生產時間6 861.67 h，生產時率82.21%，進尺工作時間4 233.25 h，進尺時率50.72%，純鉆進時間2 002.5 h，鉆進時率23.99%；非生產時間1485.33 h，非生產時率17.79%。本井在二開常規井眼采用國外鉆頭以及液動旋沖工具鉆井提速效果顯著，而三開由于地層特點和井眼軌跡的限制，應用抗高溫螺桿、液動錘、旋轉導向以及扭力沖擊器提速效果不明顯，需進行深入優選和試驗研究，達到水平段提速工具利用率的最大化。

3　小井眼鉆井機械鉆速影響參數及影響因素分析Influence parameters and factors about ROP of slim hole drilling

?152.4 mm小井眼鉆井技術與?215.9 mm常規井眼鉆井技術的區別主要是：井眼和鉆具尺寸的不同，導致鉆井過程中鉆井參數和鉆具受力等發生變化，從而影響了鉆頭對巖石動載荷發生變化，最終反映了機械鉆速的不同。該井三開營城組一段巖性研磨性強，可鉆性差，?152 mm鉆頭受力復雜，磨損嚴重，影響鉆頭壽命，三開設計使用28只?152.4 mm鉆頭，實際使用38只?152.4 mm 鉆頭，其中PDC鉆頭7只，牙輪鉆頭31只，單只鉆頭進尺最小的只有21.29 m。為了探討小井眼鉆井技術在大慶深層氣鉆井的可行性，有必要對影響該井鉆井機械鉆速的影響因素進行分析。

3.1小井眼機械鉆速影響參數的理論分析

Theoretical analysis of parameters influencing ROP in slim hole drilling

利用通用鉆速方程可以得到小井眼和常規井眼的機械鉆速，并可以分析小井眼鉆井機械鉆速的影響因素，通用鉆速方程［1-4］為

式中，A為鉆壓指數，A=0.5366+0.1993 Kd；B為轉數指數，B=0.9250 - 0.0375 Kd；C為地層水力指數，C=0.7011 - 0.05682 Kd；D為鉆井液密度系數，D=0.97673 Kd- 7.2703；地層統計可鉆性梯度公式Kd=EH+F （E，F為回歸系數）；H為平均井深（設計井段、驗證井段或預測井段的平均深度），m；W為比鉆壓，kN；N為轉速，r/min； HEI為有效鉆頭比水功率，W/mm2；MW為實際或設計鉆井液密度，g/cm3；V為機械鉆速，m/h。

將小井眼和常規井眼的相應參數帶入公式（1）后進行對比，可以得出小井眼機械鉆速和常規井眼機械鉆速的比值。

大慶深層氣營城組火山巖可鉆性極值平均為9.42，驗證井段平均深度為3 600 m，則鉆壓指數A=2.42，轉速指數B=0.57，地層水力指數C=0.17，由表5可以看出：?152.4 mmPDC鉆頭的機械鉆速只有?215.9 mm的70.4%，與實際的72%基本相符，由此可以得出，影響小井眼和常規井眼機械鉆速的主要因素有鉆壓、轉速和鉆頭比水功率。

表5　小井眼和常規井眼機械鉆速影響因素對比Table 5 Comparison of factors affecting ROP of slim holes and those of conventional boreholes

3.2現場應用中小井眼機械鉆速的影響因素分析

Factors affecting ROP of slim hole drilling in on-site application

（1）?152.4 mm環空間隙小，僅為12.7 mm，而?215.9 mm環空間隙為44.5 mm，由于環空間隙小，環空壓耗急劇增加，泵壓上升較快，導致小井眼井在較低的排量下有較高的巖屑攜帶能力（表6），但過高的環空返速會對井壁造成強烈的沖刷和破壞［5-7］，增加了井壁的不規則性，影響了水平段鉆進時鉆壓的傳遞，在小井眼中環空間隙小，鉆柱的偏心、旋轉和鉆柱接頭對環空壓力損耗有顯著影響，這些嚴重制約了小井眼的機械鉆速。

表6　小井眼和常規井眼環空凈化參數對比Table 6 Comparisons of annulus cleaning parameters between slim holes and conventional boreholes

（2）三開小井眼鉆具尺寸小，鉆具組合中最小尺寸為?88.9 mm鉆桿，外徑尺寸小則柔性加大，隨著三開水平井段增長，摩阻、扭距逐漸增大，小尺寸鉆具抗拉、抗扭強度小，容易疲勞失效。

（3）試驗井設計水平段長1 301.62 m，實鉆水平段長892.56 m，水平段提前409.06 m完鉆，主要是由于小井眼軌跡控制難，不易穩斜，滑動鉆進時小尺寸鉆具脫壓現象嚴重。

（4）井控要求高，相同條件下小井眼油氣上竄速度快，油氣易上竄發生溢流。

（5）進入三開裸眼段以后由于井底返砂不好，鉆具不能夠在井底靜止時間過長，容易發生黏卡，所以對鉆井設備要求非常嚴格，鉆進期間不允許停止循環來修理設備，特別是鉆井泵。

（6）進入小井眼后期施工階段，預防井漏是重中之重，因此要求嚴格坐崗觀察鉆井液液面高度和鉆井液密度等性能參數。

4　結論Conclusions

（1）要提高小井眼機械鉆速，就要優化水力參數，尤其要優化鉆壓、轉速和鉆頭比水功率，最大程度地提高鉆頭水力能量效率。

（2）從小井眼鉆井試驗來看，應該優選水平段小于900 m的水平井開展小井眼鉆井技術。

（3）需通過現場試驗優選新型小井眼鉆頭和提速工具，增大鉆頭的有效鉆壓。應用新型小井眼鉆頭，比如短翼薄底刃刮刀鉆頭和全尺寸PDC鉆頭可以提高小井眼機械鉆速。本井試驗表明，鉆具組合中提速工具的優化對于提高小井眼機械鉆速至關重要。

（4）由于小井眼鉆具尺寸小，在一定的鉆壓下鉆具易彎曲，易造成井斜過大，因此小井眼鉆井需應用大功率螺桿來增加鉆頭轉速，提高破巖效率。

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（修改稿收到日期 2016-06-23）

〔編輯 景 暖〕

Tests and analyses of ROP enhancement technique for slim holes drilling in the Xushen Gasfield

LIU Meiling， ZHU Jianjun， LI Bin， PAN Rongshan， WANG Zhixin
Petroleum Engineering Research Institute， PetroChina Daqing Oilfield Limited Company， Daqing， Heilongjiang 163453， China

The ?152.4 mm slim hole drilling technique can effectively enhance EOR and overall economic performance of oilfield development. Slim hole drilling was tested first in the third drilling section of Well Xushen 9-Ping 4 in the Xushen Gasfield of Daqing Oilfield， but the ROP was lower than expected， failing to fulfill ROP enhancement and cost reduction in drilling deep gas wells. Taking the on site ?152.4 mm slim hole drilling as an example， reservoir features， footages drilled per bit， pure drilling time and ROP have been analyzed， and based on the universal ROP equation， features of reservoir formations in the Xushen Gasfield， and experiences in drilling slim hole， factors affecting ROP in slim holes have been figured out， and problems encountered during drilling of such slim holes have been analyzed， which can provide basis and guideline for slim hole drilling in deep gas development of the Daqing Gasfield.

slim hole； drilling； Xushen Gasfield； ROP； affecting factors

TE246

B

1000 - 7393（ 2016 ） 04- 0438- 04

10.13639/j.odpt.2016.04.006

LIU Meiling， ZHU Jianjun， LI Bin， PAN Rongshan， WANG zhixin. Tests and analyses of ROP enhancement technique for slim holes drilling in the Xushen Gasfield［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（4）: 438-441.

劉美玲（1984-）。2010年畢業于東北石油大學油氣井工程專業，獲碩士學位，現從事鉆井設計與科研工作。通訊地址：（163453）黑龍江省大慶市讓胡路區西賓路9號采油工程研究院5號樓215室。 電話：13644596580，0459-5960701。 E-mail：liushunliliumeili@126.com