長寧氣田水平段鉆井參數強化必要性淺析

伍 葳，曹 權，李 斌，沈欣宇，秦章晉，張玉婷.

(1.中國石油西南油氣田分公司工程技術研究院，四川成都 610017；2.中國石油西南油氣田分公司勘探事業部，四川成都 610000)

國內頁巖氣區塊已就鉆井提速取得進展，但從參數強化入手尚且不多[1-3]。北美頁巖氣水平井多采用強水力參數，此舉極大提高了鉆井速度。以美國Delaware區塊為例，其Φ215.9 mm井眼在使用1.55 g/cm3油基鉆井液且平均排量35 L/s、泵壓35 MPa的條件下，僅耗費14天完成全井5 754 m進尺。對比可知，長寧區塊與北美相比，整體上泵壓(25～29 MPa)、排量(20～25 L/s)偏低，導致該區塊平均機械鉆速(6～7 m/h)大幅低于美國頁巖氣區塊(30～80 m/h)，表明長寧區塊在鉆井水力參數方面存在較大強化空間。本文結合鉆井施工工藝、配套鉆井硬件等方面，開展Φ215.9 mm井眼水平段參數強化必要性分析，以期指導長寧區塊頁巖氣井相關設計及現場施工，進一步實現工區鉆井提速。

1 單井概況

A井為一口直改平井，鉆井周期為51.13天，平均機械鉆速為3.57 m/h。其采用工區四開四完成熟鉆井施工工藝，其中Φ215.9 mm鉆頭從主井筒井深1 800 m(韓家店組)開始側鉆，在油基鉆井液條件下鉆至井深4 650 m(龍馬溪組)完鉆，水平段長1 500 m，下Φ139.7 mm套管到位后注水泥固井。

2 設計強化參數執行情況

《A井鉆井工程設計》中對頁巖氣鉆井提速明確提出要求并相應強化設計鉆井參數，而水平段實鉆參數總體處于設計參數范圍下限甚至不及強化設計參數，未能較好執行設計，見圖1。其中：

1)鉆壓：施工鉆壓60～150 kN，設計鉆壓120～250 kN；

2)轉速：施工轉速多為90 rpm，設計轉速80～100 rpm；

3)排量：施工排量方面，水平段前100 m為33～34 L/s，后續為26～30 L/s；設計排量為35～40 L/s；

4)泵壓：施工泵壓為15～25 MPa，設計泵壓為30～35 MPa；

5)鉆井液密度：實鉆密度1.70～1.88 g/cm3，設計密度1.70～2.20 g/cm3。

圖1 A井實鉆參數與設計參數對比圖Fig.1 Parameter comparisons between designing and practical ones of well A

3 參數強化必要性分析

3.1 機械破巖參數

由實鉆綜合錄井數據可知，機械破巖參數中轉速基本按設計執行，故主要分析鉆壓參數。將整米深度對應施工鉆壓與機械鉆速作圖，得圖2。可知，大部分井段(3 150～3 500 m、3 600～4 400 m、4 500～4 650 m)整米機械鉆速與瞬時鉆壓同步變化，即機械鉆速隨著鉆壓變化趨勢同步增高或降低，尤其是若干井深處機械鉆速與鉆壓曲線同時處于波峰或波谷，表明機械鉆速在局部井段區域內最大/最小鉆壓對應井深處達到最高/最低值。由此可知，提高鉆壓一定程度上可增加井底機械能量從而實現提速[4-7]。考慮到A井水平段實鉆鉆壓未達到設計強化水平，故可知實鉆中鉆壓偏低而應按設計大鉆壓執行以進一步提高破巖效率實現提速。

圖2 A井實鉆鉆壓-機械鉆速整米關系圖Fig.2 The relationship of actual WOB-ROP of well A

3.2 水力參數

利用Landmark Wellplan軟件水力模塊分別對A井實鉆與設計參數條件展開水力模擬計算。根據《A井直改平鉆井井史》等資料相應輸入井眼軌跡、井身結構等工程地質條件，其中:

(1)鉆具組合：簡化實鉆鉆具組合，Φ215.9 mmPDC鉆頭+旋轉導向工具(LWD)+Φ127 mm加重鉆桿2柱+Φ127 mm鉆桿+Φ139.7 mm鉆桿。其中，旋轉導向工具(LWD)在排量取30 L/s、32 L/s情況下所對應壓降分別為4.5 MPa、5.0 Mpa[8]。

(2)鉆井液：白油基鉆井液，密度1.78 g/cm3，流變模型選赫歇爾-巴克利，并輸入范式黏度計現場實測600轉、300轉、3轉讀數求得塑性黏度、動切力等流變參數，見表1。

表1 A井油基鉆井液實測性能參數表Table 1 Laboratory parameters of oil-based mud in well A

(3)循環系統：地面管匯壓耗取定1 MPa；寶石機械廠F-1600HL三缸單作用鉆井泵，容積效率取90%，機械效率取90%。

(4)鉆頭水眼：噴嘴組合11 mm*2+12 mm*1+13 mm*1+15 mm*1，過流面積6.36 cm2；

(5)模擬井深：完鉆井深4 650 m；

(6)排量：根據實鉆與設計排量情況，分別取26、27、28、29、30與35、36、37、38、39、40 L/s兩組排量。

通過正常鉆進水力模塊中壓力損耗與功率損耗計算，可得不同鉆進排量條件下對應的鉆頭壓降、鉆頭水功率、泵壓、泵輸出功率及鉆頭壓降/水功率占比，見表2、圖3。

由上述可知，隨著排量增加，泵輸出功率與泵壓、鉆頭水功率與鉆頭壓降、鉆頭壓降/水功率占比均相應增大，表明較實鉆參數而言，設計強化參數條件下機泵動用不斷加強而鉆頭所分配水力能量同步增大，有助于提高井底破巖效率[9-11]。其中，實鉆上限排量30 L/s條件下鉆頭壓降、水功率比設計下限排量35 L/s分別低33.33% 、57.90%。另外，當鉆進排量按設計執行35～40 L/s時，泵壓為35.04～44.1 MPa，現場設備滿足施工要求。其中：循環系統、鉆井泵額定壓力為52 MPa，考慮安全系數取1.1后折算為47.27 MPa，滿足壓力要求；需同時啟用2臺F-1600 HL高壓泵供液并更換相應壓力等級的小尺寸Φ120 mm缸套[12]。

表2 A井實鉆/設計參數水力模擬結果表Table 2 Simulation results under practical and designing circumstances of well A

圖3 A井實鉆/設計水力參數模擬結果對比圖Fig.3 The hydraulic simulation comparison between practical and designing circumstances of well A

4 鉆井硬件適應性分析

從實鉆參數實施情況來看，鉆井硬件適應性不理想成為限制參數強化的關鍵因素之一，主要包括鉆井裝備、地面設備及鉆井工具本身規格型號不匹配、長期服役硬件老化以及相關易損配件質量未滿足要求等，導致鉆井參數難以強化或強參數工況下硬件較難保證長時間正常運行。根據鉆井參數類別，相關硬件的局限性如下[12]：

(1)鉆壓。

a.螺桿：工具最大工作鉆壓相對較低。如A井所用立林LZ*172*7.0-XISF螺桿的最大工作鉆壓為170 kN，則低于設計強化鉆壓上限250 kN；

b.鉆頭：Φ215.9 mmPDC鉆頭的工作鉆壓上限多小于150 kN，如A井所用史密斯MDi519PDC鉆頭的最大工作鉆壓為140 kN，遠低于設計強化鉆壓上限250 kN。

(2)轉速/扭矩。

a.頂驅：轉速范圍、連續工作扭矩等工作參數滿足要求，但因設備老化、施工理念保守等因素存在人為限制轉速和輸出扭矩等情況導致設備未能充分動用。比如，A井實鉆轉速控制在100 rpm以內，低于其額定工作狀態，見表3；

b. MWD/LWD：實鉆中高轉速易造成井底“噪音”，導致MWD/LWD儀器信號傳輸故障，相當比例工時用于循環、起下鉆等輔助作業。

表3 A井頂驅工作參數對比表Table 3 Top-drive parameter comparisons between rating and practical ones of well A

(3)排量/泵壓。

a.鉆具：A井所用常規Φ127 mAPI鉆桿較之Φ139.7 mm、Φ127 mm非API大水眼鉆桿而言，相同條件下沿程壓耗更大，鉆頭壓降更低，施工泵壓更高，不利于水力參數強化；

b.鉆頭：受限于施工泵壓上限，同時為保證水平段攜巖所需排量，A井采用大尺寸噴嘴組合，見表5。其弊端為相同參數條件下鉆頭所分配的水力能量較低而不利于水力破巖，如前述A井實鉆水力模擬結果，鉆頭水功率/鉆頭壓降占比僅為11～11.5%；

表4 Φ127 mm/Φ139.7 mm非標大水眼鉆桿規格參數表Table 4 Parameters of Φ127 mm/Φ139.7 mm drill pipes

c. 鉆井泵：機泵本身規格等級雖匹配高壓力等級要求，但現場實踐表明高泵壓工況下活塞、凡爾、缸套等易損件維修頻繁，實鉆中井隊多人為降低排量以維持泵壓處于較低水平。如A井的施工排量低于35 L/s，泵壓低于25 MPa，遠不及設計與額定工況水平；

表5 鉆頭噴嘴組合及過流面積統計表Table 5 Utilization statistics of bit nozzle and flow area in well A

5 結論與建議

(1)A井實鉆機械破巖參數與水力參數均處于設計強化鉆井參數范圍下限甚至弱于強化設計參數，未能較好執行設計；

(2)通過對A井的鉆壓-機械鉆速進行數據統計分析可知，機械鉆速隨著鉆壓變化趨勢同步增高或降低；同時對實鉆與設計參數展開鉆頭水力能量計算，可知設計強化參數條件下機泵動用不斷加強而鉆頭所分配水力能量同步增大。其中，設計下限排量35 L/條件下的鉆頭壓降、水功率比實鉆上限排量30 L/s分別高33.33% 、57.90%；

(3)實鉆參數低于設計參數將導致井底破巖能量不足，進而影響機械鉆速不及預期，表明工區對鉆井機械破巖及水力參數展開強化是必要的；

(4)鉆井硬件適應性不理想成為限制參數強化的關鍵因素之一，主要包括鉆井裝備、地面設備及鉆井工具本身規格型號不匹配、長期服役硬件老化以及相關易損配件質量不合格等，應相應完成優選強力鉆頭及螺桿、鉆井泵改造升級及缸套等易損件質量加強、配置非標大水眼鉆具、加強隨鉆測量儀器對井下工作環境的適應性等硬件匹配改良工作。