南川地區復雜儲層水平井大彎角螺桿提速技術

鄭德帥

（中國石化石油工程技術研究院，北京 102260）

南川頁巖氣儲層以龍馬溪組為主，龍馬溪組包含十幾個小層，單小層上下厚度僅有5 m 左右，且起伏較大。長水平段儲層需要根據實鉆的自然伽馬數據進行實時軌跡調整，這就需要較高的造斜率來提高復雜儲層鉆遇率[1]。儲層上下小層一般為硅質含量較高的頁巖，若鉆進軌跡偏離目標層，不僅會降低頁巖氣產量[2]，而且鉆頭由于受到硅質頁巖的磨損其壽命大幅度降低，造成頻繁起下鉆，增加鉆井成本。目前國內水平段鉆進常用彎角1.25°螺桿鉆具[3]，其造斜率不能完全適應南川地區儲層鉆進頻繁的軌跡調整要求[4]，水平段鉆進的滑動定向比例較高，滑動鉆進時摩阻高、工具面擺放困難[5]，機械鉆速低，甚至發生托壓現象導致無法正常鉆進[6]。

針對上述技術難題，通過分析螺桿鉆具組合造斜特性，調整結構參數，優化鉆具組合以及鉆井參數等技術措施，優選無穩定器的1.50°螺桿鉆具組合。1.50°大彎角螺桿鉆具技術在南川某平臺5 井進行了應用，實現了高造斜率、高鉆速。

1 鉆具組合造斜能力分析

南川某平臺5 井水平段鉆進至900 m 時出現造斜率不夠、托壓嚴重、工具面調節效率低等問題，采用的單彎螺桿鉆具組合是目前頁巖氣水平段常用的導向組合，具體的鉆具組合配置為：φ215.9 mmPDC鉆頭+1.25°φ172.0 mm 單彎螺桿（近鉆頭穩定器φ208.00 mm）+φ127.00 mm 無磁承壓鉆桿2 根+MWD定向接頭+φ127.00 mm 加重鉆桿6 根+φ127.00 mm鉆桿（數量根據水平段的長度確定）+φ127.00 mm加重鉆桿6 根+φ127.00 mm 鉆桿。

底部鉆具組合在鉆頭處產生的造斜力是評價造斜性能[7]和近鉆頭穩定器受力的重要參數，目前獲取造斜力的常用方法是基于三彎矩方程的縱橫彎曲連續梁理論[8]：

對底部鉆具組合進行了分析，主要分析了近鉆頭穩定器直徑和螺桿彎角度數對造斜力的影響（圖1）。從圖中可以看出來，近鉆頭穩定器直徑越大，其杠桿支點作用越強，在鉆頭處產生的造斜力越大，造斜能力更強；當鉆頭直徑小于207 mm 時，鉆頭直徑尺寸對造斜力的影響變小，主要是因為近鉆頭穩定器距離鉆頭只有1～2 m，當直徑過小時，可能被懸空導致無法發揮支點作用。

圖1 近鉆頭穩定器直徑和螺桿彎角度數對造斜力的影響

鉆頭造斜力越大，近鉆頭穩定器與井壁之間的作用力就越大，鉆進時會產生較高的摩阻。大量的鉆井實踐表明，近鉆頭穩定器對摩阻影響很大，是脫壓、卡鉆的重要因素[9]。彎外殼旋轉時會產生交變應力，較高的造斜力提高了交變應力的幅度，存在疲勞破壞的風險[10]。

為了既提高鉆具組合的造斜力，又降低鉆頭和近鉆頭穩定的側向力，根據圖1 計算結果，在相同造斜力的條件下，大彎角螺桿可采用更小的穩定器直徑。由于設計水平段長度超過2 600 m，為了進一步降低水平段后段的摩阻，采用無穩定器1.50°螺桿鉆具，可達到1.25°彎角螺桿配合φ208 mm 穩定器的造斜效果。

2 鉆井參數優化

鉆壓參數不僅是影響機械鉆速的關鍵因素，對螺桿鉆具的造斜能力也有很大的影響。根據已用鉆頭的鉆壓統計數據，φ215.9 mmPDC 鉆頭的鉆壓為50～200 kN，常用鉆壓為80～120 kN。當量造斜力是衡量造斜能力的指標[11]，根據鉆壓、螺桿彎角、鉆頭造斜力以及鉆頭側向各向異性，可計算鉆具組合的當量造斜力，計算公式為：

式中：EF為鉆頭當量造斜力，N；sF為鉆頭造斜力，N；Ib為鉆頭切削各向異性，無因次；WOB為鉆頭鉆壓，N；θ為螺桿的彎角，（°）。

從圖2 中可以看出，單彎螺桿鉆壓越大，當量造斜力越大，造斜能力越強；螺桿彎角度數越大，鉆壓對造斜能力的影響越敏感。由于1.25°螺桿鉆具帶有φ210 mm 穩定器，當量造斜力比不帶穩定器的1.50°螺桿鉆具略高。當鉆壓小于80 kN 時，1.25°螺桿鉆具造斜能力更強，但當鉆壓大于80 kN 時，1.50°螺桿鉆具的造斜能力更高。不帶穩定器的1.50°螺桿鉆具在中高鉆壓條件下，其造斜能力要高于帶穩定器的1.25°螺桿鉆具，這是因為由于沒有穩定器，其摩阻和阻卡的風險大大降低，兼顧造斜能力和機械鉆速。

圖2 鉆壓對當量造斜力的影響

分析結果表明，對于不帶穩定器的1.50°螺桿鉆具而言，更高的鉆壓是更大造斜力能力的必要條件，在保證鉆頭安全和壽命的前提下，提高機械鉆速和造斜能力，因此確定鉆壓為160～200 kN。

3 應用及效果

針對1.25°螺桿鉆具鉆進時造斜率低、摩阻大鉆速低的技術難題，在井深4 772 m 之后采用1.50°無穩定器螺桿鉆具進行鉆進，完成了2 610 m 水平段鉆進。圖3 是為實鉆水平段狗腿度，結果顯示，1.50°無穩定器螺桿鉆具其造斜能力明顯提高，達到了水平段復雜的軌跡控制要求，儲層鉆遇率達到92%。相比鄰井3 井、4 井，5 井在水平段更長、井眼狗腿度更高的不利條件下，平均機械鉆速達到9.21 m/h，與之接近。以1.50°無穩定器螺桿鉆具組合來提高機械鉆速和造斜能力，取得良好的效果。

圖3 實鉆水平段狗腿度

4 結論與建議

（1）采用1.50°無穩定器螺桿鉆具組合可降低疲勞應力，提高鉆具組合壽命，適合儲層變化大的長水平段鉆進，可發揮大彎角高造斜率優勢，提高復雜儲層的鉆遇率。

（2）高鉆壓是大彎角螺桿鉆具組合重要的配套鉆井參數，既能提高機械鉆速，又能提高造斜率。

（3）建議從鉆具組合優化和鉆頭選型等方面，對1.50°無穩定器螺桿鉆具組合疲勞破壞的預測及控制措施，進行深化研究，提高井下預測可靠性。