淺析優選淺層水平井鉆井參數

衣利明

摘 ?要：鉆井參數的優選是用最優化理論來分析和處理鉆井中的數據和資料，從而獲得最佳鉆井效益的重要依據，它可使鉆井進程保持在最優的經濟狀態。而我們所討論的淺層水平井機械鉆速比較容易提高因而通過優化鉆井參數和鉆頭參數就可以大大縮短完井周期提高鉆井效率，從而節約成本達到降本增效的雙贏目的。本文著重分析淺層水平井的鉆頭參數鉆井參數選擇情況，并對鉆井所遇到的問題提出了一些建議。

關鍵詞：優選;鉆井參數;鉆頭參數;淺層水平井

引言

作者從事定向井施工多年，有機會在國內大部分油田實施過各種井型和不同深度的鉆井作業，其間先后在勝利油田、塔里木油田、華北油田和冀東油田的許多區塊進行過大量的淺層水平井的施工。作者從多年的施工經驗看來，淺層水平井既普通水平井的特性，又有其獨特的施工特點，因此在施工過程中淺層水平井體現出一定的鉆井工程的難點和復雜性，其主要表現在：

（1）直井段鉆柱重量輕，造斜段前期施加鉆壓困難。

（2）地層松軟，工具實際造斜率難以確定，部分油層落實不夠精確，要求井身剖面能夠對垂深誤差進行一定的調整，使井眼軌跡控制難度進一步增大;

（3）地層巖性不均質，表現為夾層多，鉆速時快時慢，且同一巖性結構特別復雜。

（4）設計造斜率高，施工井段短，鉆井液攜砂困難。

以上這些問題對淺層水平井鉆井的提速提出了嚴峻挑戰，能否解決鉆頭參數和鉆井參數的優選這個鉆井難題也關系到鉆井完成計劃和勘探開發的總體效益。

一、鉆井參數優選的基礎

1、優選參數的條件

1.1 配置有相應的鉆井技術裝備和鉆井參數采集系統;

1.2 有反映本地區鉆井特點的鉆井數據庫、程序庫;

1.3 配備有優選參數鉆井設計、計算的軟件包和相應的計算機及輔助設備。

2、優選參數的目的是根據不同地層、井段、及鉆頭類型，選擇合理的鉆壓、轉速及排量，以獲得最大鉆速同時根據經濟效果延長鉆頭使用壽命。

3、優選鉆井參數和鉆頭參數的依據是：

3.1選用的鉆井參數應保證鉆頭工作平穩，以不產生蹩跳鉆作為先決條件。

3.2調整鉆井參數時應以機械鉆速的提高作為參考依據進行，否則應適當退回原先的參數。

3.3 適應地層巖性，提高機械鉆速，適合定向施工。

3.4 提高鉆井液射流對井底巖屑的沖刷和攜帶作用。

二、鉆井參數的優選方法

1、機械參數

1.1 不同的地層需要不同的破巖的機械能量，但是淺層水平井由于整體井段比較短，相對來說定向施工井段長，復合鉆進井段短且控制要求嚴格，因此一般同一區塊采用一套的鉆具組合進行施工，因此鉆壓和鉆速在軌跡控制和提高鉆速方面起到非常重要的的作用。大量的施工資料統計表明，鉆壓和轉速在鉆速總變異中所占權重分別為21.84%和41.66%，這兩項共占63.5%，機械參數的重要性可見一斑。

1.2 牙輪鉆頭轉速的高低關系到牙輪齒接觸巖石的速度，關系到巖石的沖擊作用和齒間交替縱振頻率沖擊破巖的作用，對鉆進效率影響很大。當轉速增加時，輪齒對巖石產生的沖擊速度也增加，而沖擊功也隨著增加，可有效地提高鉆進效率;從安全角度來講，轉速超過了鉆頭的額定轉速，鉆頭的軸承、密封及鎖定裝置會加速磨損而提早失效;轉速偏低時，則會影響鉆進效率的提高;從軌跡控制來講，轉速的快慢影響水平段的方位變化，轉速快，方位增速快，轉速慢，方位增速慢。鉆頭轉速能保護鉆頭、提高鉆進效率及優化井眼軌跡。

1.3以新疆油田某淺層水平井為實例進行說明，此井創造了同類型同區塊鉆井周期最短紀錄。此井采取的機械參數如下：

鉆頭順利到達井底，先小鉆壓20kN進行鉆頭的井底造型，進入造斜段，前期采用40kN鉆壓定向鉆進，機械鉆速為21.45m/h，造斜率滿足設計要求，后期120kN高鉆壓定向鉆進，機械鉆速為12.14m/h，造斜率高，復合井段較多;進入水平段，開始使用鉆壓60kN、轉速20r/min復合鉆進，機械鉆速為15.23 m/h，井斜微降，方位小飄，后調整鉆壓到100kN，轉速40r/min復合鉆進，機械鉆速為23.37m/h，井斜微增，方位穩定，后滑動鉆進3m，而后調整鉆壓到80kN，轉速40r/min復合鉆進，機械鉆速為20.19m/h，此后井斜較穩，方位也較穩，此后只滑動微調了3次，并以此機械參數施工完450m水平段。

2、水力參數

2.1 對不同的地層破巖機械能存在一個最低值，提高破巖能力還要相應提高井底水馬力，才能獲得較高的轉速，從而達到提高鉆速目的。

2.2 當泵的條件受到限制時，根據滿足環空返速條件選擇鉆片泵的額定泵壓。現場最優泵壓就是在用泵的最高工作泵壓，一般取額定泵壓的75%左右。

三、鉆頭參數選擇

1、根據地層可鉆性選擇鉆頭，就會取得鉆速高、進尺多、降成本的效果。為此，建立淺層水平井地層級別與鉆頭類型的對應關系，就可以確定所鉆井段的級值與適合于這種級別地層的鉆頭類型。充分考慮巖石特性與鉆頭的相互關系，就可以選好在每一個區塊所使用的鉆頭類型。

2、淺層水平井選用高轉速的鑲齒滑動軸承牙輪鉆頭或鑲齒滾動軸承牙輪鉆頭，配合高轉速、大壓降、大扭矩的螺桿鉆具，使用時注意以下幾點：

（1）牙輪鉆頭的排量30L/m-50 L/m，鉆壓40～120kN左右為宜。

（2）在扭矩不太大和運轉平穩的條件下，高轉速為宜。

（3）地層硬度較高，鉆頭工作不平穩，鉆頭縱向振動和橫向擺動力都會加劇鉆頭磨損，要從鉆具結構和轉速來調整。

（4）鉆頭使用前期采用小鉆壓、中后期用大鉆壓。

（5）鉆頭使用前期不要隨意增大鉆壓，遇到低鉆速時要考慮可能是硬夾層的影響，如果鉆壓過大會嚴重損壞鉆頭，這時用小鉆壓鉆進有利于減小鉆頭磨損，增加單只鉆頭進尺，只要機械鉆速不低，鉆壓越小越好。

（6）鉆頭純鉆時間不宜超過50小時（當然不同廠家不同型號使用壽命不盡相同，以使用手冊為準），最長進尺不宜超過400m。

3、鉆頭噴嘴是在鉆頭體的適當位置開出的孔道，與鉆頭體內腔流道相連通，構成了鉆井液由鉆桿內部進入井底的通道。

3.1鉆頭水眼大小的選擇應滿足以下三個條件

3.1.1井底獲得最大能量。鉆井流體通過鉆頭時，能量損失最小，有助于水力破巖或水力與機械聯合破巖。

3.1.2合理分配井底能量。噴嘴射流到達井底時，流體流動要滿足巖屑脫離基巖、運移和舉升三個基本動作的協調配合，從而獲得最佳的井底凈化效果。

3.1.3有效排屑的通道。

3.2淺層水平井一般采用“一大兩小（等徑）”三個噴嘴組合，比如新疆油田淺層水平井一般造斜段采用14+14+16，水平段采用12+14+14的水眼組合。

四、結論

（1）對于淺層水平井的鉆井參數優選，應建立起具有科學性、可行性、可操作性的區塊鉆井模式。從區域地層可鉆性分析入手，根據巖性特點找出合適的鉆井參數組合是提高機械鉆速的有效途徑。

（2）保持排量、轉速等參數不變的情況下，在不同地層、井段，采用不同的鉆壓實現鉆壓的優選。如果機械鉆速與鉆壓呈直線關系，說明該排量已滿足或超過清潔井底所需的排量，會有利于提高鉆井速度。同理，單參數變，其他不變的分析方法特別適用于淺層水平井的施工。

（3）為達到快速優質鉆井速度的目的，根據設備具體情況，探索合理的鉆壓、排量、轉速、泵壓及噴嘴組合等，使鉆井參數最優化。

（4）從滿足水平井施工方面來看，強化鉆井參數、鉆頭參數是優質快速鉆井最佳手段。

參考文獻

[1] ?《鉆井工藝原理》

[2] ?《勝利油田淺海地區探井優化鉆井技術的實踐與認識》

[3] ?《江漢鉆頭使用手冊》

[4] ?《鉆井手冊（甲方）》

[5] ?《優選參數鉆井基本方法及應用》