大排量超高壓噴射鉆井技術(shù)

蔣金寶

（中國石化集團(tuán)中原石油勘探局塔里木鉆井公司，新疆 庫爾勒 841000）

0 引言

從20世紀(jì)60年代，國內(nèi)外就開始了噴射鉆井技術(shù)研究與現(xiàn)場試驗。結(jié)果表明，高壓噴射不僅利于清洗井底，還能輔助破巖，大幅度提高機(jī)械鉆速。國外超高壓噴射鉆井技術(shù)研究經(jīng)歷了3個階段：第1階段是地面全排量增壓，因地面機(jī)泵承受不了長時間超高壓運轉(zhuǎn)而終止；第2階段是地面局部排量增壓，即地面2套機(jī)泵組，井下是內(nèi)外雙管，但因承受高壓的內(nèi)管密封可靠性和安全性問題而終止；第3階段是井下局部排量增壓，即地面是常規(guī)機(jī)泵組，在鉆頭上方安裝增壓器，但受增壓器壽命的限制，目前還沒有得到工業(yè)化應(yīng)用。

國內(nèi)從1978年開始應(yīng)用高壓噴射鉆井技術(shù)，在相同地層和鉆進(jìn)參數(shù)條件下，噴射鉆井比普通鉆井速度提高1倍以上，而且隨著泵壓增加，效果更加顯著。泵壓從20世紀(jì)70年代的10～12 MPa逐漸提升到21世紀(jì)初的 20～22 MPa，機(jī)械鉆速提高了 2 倍［1-3］。20 世紀(jì) 90年代初，開始探索25 MPa以上的高壓噴射鉆井技術(shù)，并在中原油田、江蘇油田等地進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，取得了較好的提速效果，但受壓裂泵等裝備限制，出現(xiàn)高鉆速、低時效的局面，迫使高壓噴射試驗終止。隨著鉆井裝備的改進(jìn)，2009年以來在中原油田開展了35 MPa大排量高壓噴射鉆井技術(shù)的研究及應(yīng)用，取得了較好的提速提效效果。

1 技術(shù)方案制定

高壓噴射鉆井中，水力能量一方面破碎巖石，另一方面有助于清洗井底。常規(guī)高壓噴射鉆井理論研究表明，在機(jī)泵條件允許的情況下，應(yīng)盡量提高噴嘴射流壓力梯度或鉆頭水功率，以提高水力破巖效果。泵以額定功率工作時，只有當(dāng)泵排量最小時，循環(huán)壓耗最低，噴嘴水功率最大，水力破巖效果最好［4］。

由于塔河油田中上部地層極易發(fā)生阻卡，需要采用大排量沖刷以減少阻卡，因此在進(jìn)行水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計時，文獻(xiàn)［4］推薦的方案不適合塔河油田。綜合考慮水力破巖和防阻卡的要求，采用“強(qiáng)化水力參數(shù)+適當(dāng)鉆頭壓降”的原則進(jìn)行水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計［5-7］。

結(jié)合地層物性參數(shù)，依據(jù)井眼尺寸、深度和鉆井液性能的不同，確定排量為40～80 L/s。在一開和二開井段使用的牙輪鉆頭，結(jié)束鉆進(jìn)時鉆頭壓耗不低于整個循環(huán)壓耗的30%或10 MPa；二開的PDC鉆頭由于鉆進(jìn)井段較長，且上部地層易發(fā)生阻卡，需要采用大排量鉆進(jìn)，建議鉆頭的壓降在5～8 MPa。

2 鉆井裝備配套

目前，制約高壓噴射鉆井的關(guān)鍵因素是鉆井裝備，尤其是鉆井泵。現(xiàn)有鉆井泵基本是1600型，壓力級別和功率不能完全滿足35 MPa以上高壓噴射鉆井的需求，因此對現(xiàn)有裝備進(jìn)行了升級配套［5-6］。

由于塔河油田重點開發(fā)區(qū)塊（12區(qū)及托甫臺等）的儲層埋藏較深，井深通常在6 200～7 000 m，為此優(yōu)選70D鉆機(jī)，配備額定壓力52 MPa（額定功率1 617 kW）的F-2200HL鉆井泵2臺、耐壓52 MPa的SL450H水龍頭、耐壓70 MPa的水龍帶、耐壓70 MPa的高壓雙立管及高壓閥門組、全新的S135鉆桿，并對可控硅進(jìn)行擴(kuò)容，對電傳動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計改造。

3 參數(shù)優(yōu)化

依據(jù)大排量高壓噴射鉆井方案和裝備性能，對不同地層的鉆井液排量和鉆頭壓降2個關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化了不同地層的鉆進(jìn)參數(shù)。為了便于現(xiàn)場應(yīng)用，開發(fā)了水力學(xué)計算軟件。

3.1 鉆井液排量和鉆頭壓降優(yōu)化設(shè)計

3.1.1 鉆井液排量

考慮到塔河油田三疊系以上地層易發(fā)生阻卡問題，在鉆井液排量設(shè)計時，考慮了3方面因素：一是攜巖問題，主要考察了鉆井液返速、密度、黏度、切力及巖屑濃度、顆粒大小、沉降速度等因素對攜巖的影響；二是防阻卡要求，主要考察了鉆井液流型、環(huán)空巖屑濃度、巖屑在環(huán)空中的運動規(guī)律、巖屑的水化特性、砂巖地層滲漏等對起下鉆阻卡的影響；三是機(jī)泵條件，主要考察了泵排量、泵壓、泵功率等因素。在考慮上述因素的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有水力學(xué)模型進(jìn)行了優(yōu)化完善［6，8-16］。

3.1.2 鉆頭壓降

鉆頭壓降的大小直接關(guān)系到鉆頭水功率、噴射速度的大小，該參數(shù)與噴嘴直徑和鉆井液排量、密度、黏度等參數(shù)密切相關(guān)。在排量一定的條件下，噴嘴直徑過大，鉆頭壓降較低，同時鉆頭水功率也較低；噴嘴直徑太小就會導(dǎo)致鉆頭壓降過大，開泵困難。因此，優(yōu)選合適的鉆頭壓降，對大排量高壓噴射鉆井技術(shù)的成敗意義重大。

鉆頭壓降計算公式為

式中：Δpb為鉆頭壓降，MPa；ρ為鉆井液密度，g/cm3；Q為鉆井液排量，L/s；d為鉆頭噴嘴當(dāng)量直徑，cm；C為噴嘴流量系數(shù)，無因次。

3.1.3 水力計算軟件編制

為了便于現(xiàn)場應(yīng)用，開發(fā)了超高壓噴射鉆井優(yōu)化軟件。計算程序流程見圖1，軟件界面見圖2。

圖1 計算程序流程

圖2 水力參數(shù)優(yōu)化軟件界面

3.2 鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)化

為了提高水力-機(jī)械聯(lián)合破巖的效果，在水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上，結(jié)合地層物性參數(shù)，對鉆壓、轉(zhuǎn)速等鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。

2 000 m以上地層一般采用牙輪鉆頭，以高轉(zhuǎn)速（120～180 r/min）、適當(dāng)鉆壓（120～200 kN）鉆進(jìn)，一方面可以提高機(jī)械破巖效果，另一方面有助于提高井身質(zhì)量。在中下部地層，對于強(qiáng)度較高的泥巖地層，PDC鉆頭采用高鉆壓（80～140 kN）鉆進(jìn)，以提高牙齒的吃入能力，從而實現(xiàn)泥巖地層快速鉆進(jìn)；對于砂巖（或含礫）地層，采用低轉(zhuǎn)速（40～60 r/min）、適當(dāng)鉆壓（40～80 kN）鉆進(jìn)，以保護(hù)PDC鉆頭為主，為后續(xù)泥巖地層的高速鉆進(jìn)提供保障［6-8］。

4 鉆井液技術(shù)

由于鉆井液性能參數(shù)（包括密度、黏度和切力等）是制約排量和鉆頭壓降的關(guān)鍵參數(shù)，對循環(huán)壓耗影響較大，因此在大排量高壓噴射鉆井中，對鉆井液性能參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。

國內(nèi)外多年噴射鉆井研究和實踐表明，鉆井液密度、流變性、亞微米離子含量和瞬時失水，對噴射鉆井的提速效果影響較大；因此，噴射鉆井要求盡量使用低密度低固相鉆井液體系，同時有較好的剪切稀釋性、相對較高的瞬時失水和較低的累積失水?，F(xiàn)有的聚合物低固相不分散鉆井液體系基本滿足噴射鉆井的要求。

在滿足設(shè)計要求的條件下，大排量噴射鉆井技術(shù)應(yīng)盡量降低鉆井液的密度、固相含量（尤其是亞微米離子含量），調(diào)節(jié)好鉆井液的流變性能（尤其是剪切稀釋特性），控制黏切在設(shè)計下限，控制相對較高的瞬時失水和較低的累積失水，同時要充分發(fā)揮包被劑對巖屑等劣質(zhì)固相的包被作用。充分發(fā)揮地面固控設(shè)備的作用，最大程度地清除無用固相，確保入井鉆井液的清潔。振動篩篩布不低于180目，除砂除泥一體機(jī)、離心機(jī)的開啟效率不低于70%，為高壓噴射鉆井提速提效創(chuàng)造有利條件。

5 安全試驗方案制定

大排量35 MPa及以上的泵壓給地面管線的安全性帶來很大挑戰(zhàn)，為了保證試驗安全，制定了一系列安全保障措施，主要包括裝備安全和施工操作安全2個方面。

5.1 裝備安全

設(shè)備配套按標(biāo)準(zhǔn)加工、驗收和試驗，由專門的安全工程師把關(guān)；鉆井泵之間安裝防護(hù)墻，固定牢靠；立管、水龍帶、水龍頭等40 MPa動壓試驗30 min及70 MPa靜壓不刺不漏；地面高壓管匯分段分點固定，消除振動，防止松脫。

5.2 施工操作安全

整個鉆臺、泵房循環(huán)罐、四周設(shè)立警戒線，嚴(yán)禁無關(guān)人員逗留；機(jī)房人員要及時與司鉆溝通泵壓、電流、功率等參數(shù)的變化情況；嚴(yán)禁在泵高壓運轉(zhuǎn)過程中檢查設(shè)備；泵壓如有異常，司鉆要迅速發(fā)出信號，同時停泵、上提鉆具；及時給泵空氣包充氣，減少泵壓波動和設(shè)備及管線疲勞損壞。

6 現(xiàn)場試驗

6.1 試驗情況

利用上述研究成果，在托甫臺地區(qū)開展了超高壓噴射鉆井技術(shù)現(xiàn)場試驗［17］，下面以TP308X井為例介紹試驗情況。該井屬于斜直開發(fā)井，為4級結(jié)構(gòu)井，由于其三開井段進(jìn)行定向作業(yè)，不適合高壓噴射試驗，在一開和二開井段進(jìn)行了高壓噴射試驗。表1給出了推薦的水力參數(shù)。

表1 推薦水力參數(shù)

497.00～4 000.00 m采用聚合物鉆井液體系，密度1.08～1.18 g/cm3，黏度 35～45 s，失水 6～15 mL，含砂量低于0.2%，膨潤土質(zhì)量濃度15～35 g/L，切力1/2 Pa，塑性黏度 6～10 mPa·s，動切力 2～3 Pa，pH 值 8～9。鉆井液維護(hù)重點包括：保持含砂量低于0.2%，及時清除亞微米泥巖顆粒，控制鉆井液黏度和切力。

4 000.00 m以下井段采用聚磺鉆井液體系，密度1.18～1.30 g/cm3，黏度 45～60 s，失水 4～6 mL，含砂量不高于0.2%，膨潤土質(zhì)量濃度40 g/L，切力2/8 Pa，塑性黏度 12～25 mPa·s，動切力 4～8 Pa，pH 值 8～9。 與鄰井相比，密度、黏度和切力偏低，但當(dāng)量循環(huán)密度相當(dāng)，有助于井壁穩(wěn)定，同時有助于鉆井提速。

一開使用ST117G鉆頭，泵壓24～25 MPa，排量76 L/s，進(jìn)尺 447.00 m（50.00～497.00 m），用時 9.5 h，純鉆4 h，平均機(jī)械鉆速111.75 m/h，與鄰井相比提高200%。

二開497.00～2 226.55 m井段選用HAT127牙輪鉆頭，泵壓 35 MPa，排量 70～80 L/s，進(jìn)尺 1 729.55 m，機(jī)械鉆速200.88 m/h，創(chuàng)塔河油田日進(jìn)尺1 350 m的最高紀(jì)錄。2 226.55 m至中完井深4 673 m，選用PDC鉆頭，進(jìn)尺約2 446 m，平均機(jī)械鉆速36.7 m/h，與鄰井相比提高262%。整個試驗段進(jìn)尺4 176 m，用時15.33 d，比設(shè)計節(jié)約30.79 d。較常規(guī)工藝鉆至相同井深縮短18.8 d，縮短率42.2%。

在試驗過程中，對開發(fā)的水力學(xué)軟件進(jìn)行了測試，計算值與實測值吻合較好，精度可達(dá)96%。二開短起下鉆用時15 h，同比該地區(qū)短起時間（220 h）縮短93%，防阻卡效果顯著。二開井斜在1°以內(nèi)，平均井徑擴(kuò)大率2.25%，井身質(zhì)量較好。

6.2 提速提效效果

目前共試驗5口井（見表2），與常規(guī)鉆井技術(shù)相比，35 MPa高壓噴射鉆井的機(jī)械鉆速可提高50%～260%，鉆井周期可縮短38%～58%。

7 結(jié)束語

綜合考慮高效破巖與井下安全，制定了適合塔河油田的大排量高壓噴射鉆井技術(shù)方案，并據(jù)此優(yōu)化升級了鉆井裝備。依據(jù)試驗方案，優(yōu)化了鉆井液排量、鉆頭壓降等核心水力參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化了鉆進(jìn)參數(shù)；針對高壓噴射鉆井特點，優(yōu)選了鉆井液體系及性能參數(shù)。在現(xiàn)場應(yīng)用5口井，總進(jìn)尺24 952 m，與常規(guī)鉆井技術(shù)相比，機(jī)械鉆速可提高50%～260%，鉆井周期縮短了38%～58%，提速提效顯著，同時具有較好的防阻卡效果，井身質(zhì)量滿足要求。

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