致密砂巖小井眼水平井安全鉆井關鍵技術

許翔舒

（大慶鉆探鉆井四公司，吉林松原138000）

本文以國內油田F 區塊為研究對象，該地區致密砂巖存在埋藏深、巖性致密、研磨性高、開采難度大等特點[1-2]，根據油田工作部署，致密砂巖油氣藏的開發將成為下一步主力增產油氣藏。根據致密砂巖開采過程中的特點及難點，保證致密砂巖鉆井安全高效，開展了致密砂巖油藏安全鉆井關鍵技術攻關。

1 致密砂巖小井眼水平井鉆機優選

鉆機是鉆井工程中最重要的核心設備，鉆機的選擇直接影響鉆井施工的效率和質量。一般來說，大部分鉆井施工單位都將鉆井的主參數設置為鉆機公稱鉆深或最大鉤載。這兩個參數能夠直接反映鉆機能夠鉆深的能力和載荷能力[3]。

1.1 鉆機選擇主要原則

最大鉤載是鉆井重要的參數，API（美國石油協會標準）也將80%套管破斷強度或者是100%鉆桿破斷強度來計算最大鉤載值。即：

式中：Q套——套管在空氣中的重力，kN；

q套——套管柱單位長度，N/m；

L——套管柱長度，km。

1.1.1 絞車（或起升系統）選擇原則

鉆井設備中起升系統是重要的使用設備，包括動力系統、輔助系統（剎車、安全等）、各類吊裝工具等[4]。

①鉤載儲備系數盡量選大些（一般≥1.60）。

②井架高度hA，一般應滿足hA≥1.7Ls（Ls為立柱長度，m）。

③大鉤的起升速度直接影響起下鉆速度，速度過高受立柱長度、快繩速度及操作安全的限制；速度過低，則起鉆速度過慢，影響起下鉆效率。一般要求將最低速度選在0.45～0.5m/s，最高速度可按經驗公式（3）選取。

式中：Ls——立柱長度，m;

z——游動系統有效繩數;

b——系數，取3 或4，在機械化操作水平高的條件下選用4。

④絞車的排擋數越高，就越能合理的分配絞車動力，減少起鉆時間，但是對現場操作人員的能力要求越高，建議根據現場優化選擇。

1.1.2 轉盤（旋轉系統）選擇原則

①轉盤開口直徑應留有足夠大的安全直徑，通常情況下應該比鉆井最大使用鉆頭大1cm。

②轉盤轉速可調范圍大。

③轉盤最大靜載荷應與鉆機最大鉤載匹配。

④轉盤（頂驅）額定功率應滿足最大工作扭矩。

1.1.3 鉆井泵（循環系統）選擇原則

①根據設計井井身結構、鉆柱組合及鉆井液性能，確定滿足鉆井中攜帶鉆屑的最小流量。

②滿足鉆至設計井深允許的最高泵壓和攜帶鉆屑的最小流量。

③滿足鉆井水力參數優選中，最高泵壓和最優流量的選擇。

④泵壓和流量是一對相互制約的參數，現場施工時應該在滿足鉆井水力參數優選中優化選擇。

⑤能承受高泵壓且流量可調范圍大。

1.2 F區塊致密砂巖小井眼水平井鉆機設備優選結果

針對F 區塊致密砂巖小井眼水平井鉆井施工技術特點及難點[5]，通過以上技術分析，優選鉆機類型、優化設備配置。設計使用了三臺設備參與了F-1區塊的致密砂巖試驗井（表1），其中一臺70型鉆機，兩臺50型鉆機，均配備頂驅，全面提升了處理各種復雜工況的能力；并采用先進的固控設備，包括三聯振動篩，中、高速離心機等，保證鉆井液經過四級固控設備，確保鉆井液凈化能力。通過鉆機優選和設備優化配置，極大地提升了處理復雜情況的能力，最大限度地保證了施工安全，為致密砂巖試驗井的成功奠定了強有力的設備保證。

表1 F-1區塊鉆機選型統計表

2 小徑鉆桿優選與應用

針對常規?152.4mm 井眼鉆井過程中存在機械鉆速慢、鉆井效率低、鉆井事故率高等特點，項目組在充分分析影響因素的基礎上，尋找現有技術的瓶頸。分析認為當前?152.4mm井眼鉆井所使用的?88.9mm鉆桿存在循環壓耗高、抗扭強度小、鉆壓傳遞困難、復合鉆進穩斜效果差、滑動鉆井工具面調整困難等多方面不利因素，借鑒國外先進經驗并結合F 區塊致密砂巖油氣藏鉆井的自身特點，決定使用?101.6mm 雙臺肩非標準鉆桿，因此需對?101.6mm 鉆具的使用工藝進行研究及其配套的實用工具進行改進。

2.1 工藝改進措施

2.1.1 螺紋參數優選

螺紋牙型角、牙高、錐度、臺肩長度等螺紋參數的優選，以及螺紋有限元模擬分析計算，其中螺紋錐度的確定和螺紋臺肩長度的控制是螺紋技術的關鍵[6]。

國外以及國內其他地區鉆井作業使用的?101.6mm雙臺肩非標準鉆桿接頭型號多為NC40，其抗扭強度為31884N·m，管體的抗扭強度為56800N·m，接頭的抗扭強度低于管體的抗扭強度。針對深層致密砂巖油氣藏的鉆井特點，項目組設計了新型雙臺肩接頭的結構尺寸和螺紋牙型，經改進后的新型接頭抗扭性能和管體抗扭性能得到平衡，接頭臺肩和螺紋的自身抗扭能力得到提高，整體抗扭屈服極限超過50000N·m。并且新型接頭的內徑經過增大后能基本實現鉆桿內徑平滑過渡，使得鉆具的水力性能明顯提高。

2.1.2 井口工具、鉆井工具和井下防磨工具等配套工具的研制

研制開發了與新型接頭配套使用的鉆井工具，經多口井使用表明，配套的井口及井下工具設計合理，安全可靠。

2.2.3 確定了配合?101.6mm鉆具的鉆井施工工藝

經過多口井的試驗及改進，取得了良好的效果，綜合應用了雙臺肩連接、螺紋牙型優化和增大鉆桿內徑的改進方案，確定了該型號鉆具使用時的鉆井參數，解決了提高扭矩和提高水力效率的矛盾。

2.2 現場應用情況

在F 區塊已完鉆的9 口試驗井中全部使用了?101.6mm 鉆具，取得了良好效果。以XXX-1井為例，對相同井深、相同鉆井條件下，使用兩種不同鉆具進行軟件模擬，對巖屑床厚度進行對比。模擬條件：井深4916m，泥漿密度1.25g/cm3，?177.8mm套管下深2900m，摩擦系數0.25～0.3，機械鉆速6m/h，頂驅轉速90r/min。隨著鉆井排量的提高，巖屑床厚度逐漸降低，在完全清除巖屑床之前，相同排量下?88.9mm 鉆具產生的巖屑床始終高于?101.6mm 鉆具。?101.6mm 鉆具在排量達到15L/s 時，巖屑床可完全清除；?88.9mm 鉆具在排量需達到18.3L/s 時，巖屑床可完全清除（圖1）?，F場根據模擬結果及設備條件優選14L/s 排量進行鉆進施工，配合定期短起下作業，保證了鉆井效率和井下風險。

圖1 水平段長1500m不同靶前位移情況下摩阻、扭矩發展趨勢對比

多口井的使用結果表明，?101.6mm鉆具與?88.9mm鉆具相比提高了水力功率，增加鉆頭壓降，提高鉆頭水力破巖能量，提高鉆井效率；采取的雙臺肩密封技術避免了鉆井液在流經每根鉆桿節箍出現的紊流現象，降低了鉆具內的循環壓耗，在相同泵壓的條件下可以實現更高的排量，從而實現更好的水力破巖效果和井底清潔效果；強管柱強度抵御井下風險的能力，大幅提高鉆井安全性。

3 井下摩阻監測控制技術

3.1 引起井下摩阻增大的因素分析

（1）地層巖性的因素。水平段穿越泥巖段時，由于泥巖的摩阻系數大，使得全井摩阻迅速增加；穿越砂巖層時，由于儲層滲透性強，如果鉆井液密度過高，會在井壁產生壓差，滑動鉆進時易產生粘卡現象。

（2）井身結構的因素。技術套管的下深直接影響水平段的摩阻大小，二開長裸眼的水平井水平段摩阻系數在0.50～0.55 之間，后期滑動鉆進非常困難，卡鉆風險極大；技術套管下至造斜點，水平段摩阻系數在0.48～0.50之間；技術套管下至A靶點，水平段摩阻系數在0.43～0.46之間。

（3）鉆井液性能因素。鉆井液的潤滑性能是影響摩阻系數最直接的因素，在實際摩阻增大，其他因素無法改變的情況下，增加鉆井液的潤滑性能都能夠起到立竿見影的效果。

（4）鉆具組合的因素。鉆具組合的剛度和倒裝鉆具的位置都對井下摩阻有一定的影響。

（5）鉆進參數的因素。鉆進參數中的鉆壓過大易導致鉆具發生屈曲，甚至自鎖；排量和轉速的大小直接影響鉆井液的攜巖效果，都會影響到井下摩阻的數值。

（6）井身軌跡的因素。設計中存在較大的扭方位施工、造斜段過長，或者在施工過程中出現較大的狗腿都會造成摩阻的迅速增加。

（7）機械鉆速的因素。機械鉆速過快的井段給鉆井液的攜巖工作帶來困難，砂子返出不及時形成巖屑床，導致摩阻增大。

3.2 降低摩阻的技術措施

（1）提高地質預測能力，在水平段儲層中盡可能避免鉆遇大段泥巖層；

（2）處理鉆井液，提高潤滑性和攜砂能力，原油含量保持在8%～15%；密度、粘度和失水控制在合理的范圍內；

（3）工程措施，鉆進時提高轉盤轉速和排量，采用小鉆壓、高轉速的鉆進方式，鉆時快的井段控制機械鉆速，確保所鉆巖屑及時清除，打完單根或立柱根據需要劃眼，必要時循環并進行短程起下鉆作業；

（4）下入減摩工具，套管防磨，裸眼減摩；在下部鉆具組合中加入水力加壓器，上部鉆具中加入水力振蕩器和套管防磨套，降低全井摩阻；

（5）在摩阻已經超出設計的情況下，避免大幅度調整井眼軌跡、盡量減少滑動鉆進，在穩斜段可采用常規穩斜鉆具組合；

（6）下部鉆具組合盡量簡單，采取柔性的導向鉆具組合，倒裝鉆具選取合適位置，改善水平段摩阻。

3.3 井下摩阻監測及控制方法

在施工之前，根據該區塊完成的同類型致密砂巖水平井的摩阻控制情況，利用Landmark 摩阻計算軟件反算出安全鉆進的摩阻系數，然后再利用安全鉆進的摩阻系數，利用軟件計算制定出該井在不同長度的水平段時的摩阻控制目標，施工過程中，采取有效措施，使實際的摩阻盡量靠近事先制定的安全鉆進摩阻控制目標，從而達到安全高效鉆進的目的。

3.4 實時摩阻分析技術

使用Landmark軟件中的摩阻扭矩模塊對鉆井設計中的摩阻扭矩數據進行分析計算，再根據實際測量的摩阻扭矩來修訂出裸眼段摩阻系數。根據這個系數預測出最優施工剖面，來指導工程鉆進和選擇合適的鉆井液，指導順利施工。

實例：XXX-P2 井設計軌道摩阻扭矩計算分析如下。

3.4.1 模擬計算條件

①井身結構：?339.7mm 套管×300m+?177.8mm技術套管×2969m（下至A靶點+?152.4mm裸眼；

②水平段鉆具組合：?152.40mm 鉆頭＋?120mm單彎動力鉆具×1根+?148mm欠尺寸扶正器+?120mm無磁鉆鋌×1 根+MWD+?88.9mm 斜坡鉆桿×1700m＋?88.9mm 加重鉆桿×600m＋?88.9mm斜坡鉆桿；

③鉆井參數：鉆壓50kN，鉆頭扭矩2kN·m，排量14L/s；

④套管內摩阻系數0.25，裸眼段摩阻系數分別取0.35、0.40、0.45、0.50；

⑤水基鉆井液密度1.25g/cm3；

⑥井眼完全凈化，裸眼段井眼擴大率為5%。

3.4.2 水平段裸眼段不同摩阻系數下的摩阻扭矩計算

水平段裸眼段不同摩阻系數下的摩阻扭矩計算數據詳見表2。

表2 裸眼段不同摩阻系數下的摩阻扭矩數據表

3.4.3 分析結果

以上分析可知，在鉆井過程中摩阻扭矩通過模擬軟件可以計算出，各種地層的裸眼段使用的計算數據，也就是摩阻系數不同，分析計算結果摩阻和扭矩會隨著摩阻系數的變化而變化。所以鉆井施工過程中要通過工程或鉆井液上的調整措施，盡量保證較小的摩阻系數，從而達到安全優質的鉆井目的。

3.4.4 制定安全鉆進井下摩阻控制目標

例如：根據XXX-1、XXX-2 和XXX-3 井的實際摩阻大小，反算出安全鉆進的摩阻系數在0.4 左右，然后制定出XXX-4井的摩阻控制目標，實鉆中采取有效措施，降低摩阻系數，使實際摩阻盡量靠近安全鉆進的摩阻控制目標，如表3所示。

表3 XXX-4井實際摩阻控制對比表

4 小結

（1）針對F 區塊致密砂巖小井眼水平井鉆井施工技術特點及難點，優選鉆機類型、優化設備配置。參與了F-1區塊的致密砂巖試驗井，其中一臺70型鉆機，兩臺50型鉆機，均配備頂驅，全面提升了處理各種復雜工況的能力。

（2）優選了?101.6mm鉆桿，與?88.9mm鉆桿相比提高了水力功率，增加鉆頭壓降，提高鉆頭水力破巖能量，提高鉆井效率。采取的雙臺肩密封技術降低了鉆具內的循環壓耗，在相同泵壓的條件下可以實現更高的排量，實現更好的水力破巖效果和井底清潔效果，增強了抵御井下風險的能力，大幅提高鉆井安全性。

（3）施工過程中，使用Landmark軟件中的摩阻扭矩模塊對鉆井設計中的摩阻扭矩數據進行分析計算，再根據實際測量的摩阻扭矩來修訂出裸眼段摩阻系數。根據這個系數預測出最優施工剖面，來指導工程鉆進和選擇合適的鉆井液，指導順利施工。對XXX-P2 井設計軌道摩阻扭矩計算分析，通過不同裸眼段摩阻系數下的摩阻扭矩計算分析可以得出，各種地層的裸眼段使用的計算數據，也就是摩阻系數不同，分析計算結果摩阻和扭矩會隨著摩阻系數的變化而變化。所以鉆井施工過程中要通過工程或鉆井液上的調整措施，盡量保證較小的摩阻系數，從而達到安全優質的鉆井目的。