蘇里格氣田小井眼定向井快速鉆井技術(shù)

尹敬軍 楊 敏

中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采技術(shù)研究院, 陜西 西安 710018

0 前言

從蘇里格致密氣藏的開發(fā)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論分析,井眼大小與單井產(chǎn)量關(guān)系不大。小井眼定向井單井容量縮小,施工中套管、鉆具尺寸以及各種入井液量、機(jī)械耗油量等都會相應(yīng)縮減,大幅降低了鉆完井成本,經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著。2011年蘇里格氣田進(jìn)行了3口Φ 155.6 mm井眼的定向井試驗(yàn),但效果不理想,主要存在機(jī)械鉆速低、井壁穩(wěn)定性差、地層造漿重、鉆頭泥包等問題[1]。此后數(shù)年,未再進(jìn)行過此類問題的專項(xiàng)研究。2016～2017年在蘇南區(qū)塊針對小井眼定向井鉆井?dāng)y砂困難、漏失嚴(yán)重、電測成功率低等問題,優(yōu)化了鉆井液體系和施工參數(shù),技術(shù)水平穩(wěn)步提高。小井眼定向井鉆進(jìn)過程中部分地層造漿嚴(yán)重同時(shí)受限于低排量、高泵壓等鉆井參數(shù),存在機(jī)械鉆速低、鉆頭泥包等問題[2]。在日益嚴(yán)峻的降本增效和環(huán)保壓力下,2018年針對大位移小井眼定向井進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān),取得了重大突破,形成了一套蘇里格致密氣藏小井眼定向井強(qiáng)化參數(shù)快速鉆井技術(shù),并成功完成了300口大位移小井眼定向井。

大位移小井眼定向井鉆井技術(shù)難點(diǎn):1)井眼小造成泵壓高、攜砂困難;2)小井眼鉆具柔性大,方位不穩(wěn)定;3)劉家溝組地層承壓能力低,小井眼鉆進(jìn)參數(shù)受限；托壓嚴(yán)重、機(jī)械鉆速慢;4)大位移小井眼定向井摩阻扭矩大、軌跡控制難度大[3]。

通過收集現(xiàn)場數(shù)據(jù),分析地層傾角對軌跡的影響,總結(jié)影響電測成功率的主要因素并制定相應(yīng)解決措施,優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)、剖面、小井眼鉆具參數(shù),從而形成了一套適應(yīng)蘇里格氣田的小井眼定向井快速鉆進(jìn)配套技術(shù)。

1 大位移小井眼定向井快速鉆井技術(shù)

1.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

蘇里格小井眼定向井井身結(jié)構(gòu)簡單,機(jī)械鉆速快,單趟進(jìn)尺多,但巖屑不易及時(shí)攜帶出井眼,鉆井液對井壁修復(fù)不夠,造成鉆進(jìn)、起下鉆正常,電測遇阻問題突出,嚴(yán)重影響了整體鉆速[4],前期電測成功率只有30%左右。分析認(rèn)為電測遇阻主要由直羅、延長組井壁垮塌引起,而制約鉆井提速的主要因素為井深300～1 000 m的易斜井段,即志丹、安定、直羅、延安等上部地層[5]。

安定、直羅、延安、延長組地層含有大段泥巖,礦物成分中蒙脫石、伊利石含量較高(離子交換能力強(qiáng),鉆進(jìn)過程中振動篩上呈極黏泥糊狀砂樣),微裂縫比較發(fā)育,晶間微裂縫相連通[6]。兩千多米裸眼井段在鉆井液浸泡和沖刷下,易剝落掉塊形成“大肚子”或“糖葫蘆”不規(guī)則井眼[7]。掉塊容易形成砂橋,導(dǎo)致電測遇阻。加之遇阻后用原鉆具通井,斜井段垮塌層泥、砂交界處形成的“臺階”難以破壞,導(dǎo)致電測“定點(diǎn)”頻頻遇阻[8]。通過加深表層、封固直羅等復(fù)雜地層實(shí)現(xiàn)井身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,有效提高電測成功率及整體鉆速。

靖104-26井采用表層封固直羅的井身結(jié)構(gòu),在實(shí)現(xiàn) 1 440 m位移的情況下,電測一次成功。部分區(qū)塊通過封固直羅優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)的方法,將電測成功率快速提高到75%以上。

1.2 剖面優(yōu)化

根據(jù)位移大小優(yōu)選剖面是提高鉆井速度的重要環(huán)節(jié)。通過摸索出蘇里格地區(qū)Φ 165.1 mm井眼條件下地層造斜能力和方位自然漂移規(guī)律,順應(yīng)地層特點(diǎn),可大幅減少軌跡控制、提高鉆井速度[9]。

靖104-26和蘇14-03-31分別是位移 1 500 m和500 m的定向井,通過相同鉆具組合、全角變化率條件下不同軌跡的摩阻、扭矩和側(cè)向力模擬計(jì)算,優(yōu)選適合不同位移的最優(yōu)剖面，其不同軌跡受力分析見表1～2。

表1 靖104-26不同軌跡受力分析表(位移 1 500 m)

Tab.1 Jing104-26 force analysis of different trajectories(Displacement 1 500 m)

工況名稱軌跡地面扭矩/(kN·m)摩阻/t最大側(cè)向力/((t·(10 m)-1)直增穩(wěn)700 m造斜直增穩(wěn)1 200 m造斜直增穩(wěn)降700 m造斜直增穩(wěn)700 m造斜直增穩(wěn)1 200 m造斜直增穩(wěn)降700 m造斜直增穩(wěn)700 m造斜直增穩(wěn)1 200 m造斜直增穩(wěn)降700 m造斜起鉆00024.4625.5028.362.2461.9782.390下鉆00018.9418.5920.651.1860.8871.211滑動00018.1717.6519.361.0730.7781.096旋轉(zhuǎn)15.815.9216.950001.5201.2201.566

表2 蘇14-03-31不同軌跡受力分析表(位移500 m)

Tab.2 Su14-03-31 force analysis of different trajectories(Displacement 500 m)

工況名稱軌跡地面扭矩/(kN·m)摩阻/t最大側(cè)向力/((t·(10 m)-1)直增穩(wěn)900 m造斜直增穩(wěn)1 500 m造斜直增穩(wěn)降900 m造斜直增穩(wěn)900 m造斜直增穩(wěn)1 500 m造斜直增穩(wěn)降900 m造斜直增穩(wěn)900 m造斜直增穩(wěn)1 500 m造斜直增穩(wěn)降900 m造斜起鉆0008.138.828.201.3411.1141.352下鉆0007.477.887.501.1300.8851.130滑動0007.197.527.151.0420.7981.045旋轉(zhuǎn)7.427.747.440001.1320.9101.133

大位移高造斜點(diǎn)直增穩(wěn)與低造斜點(diǎn)直增穩(wěn)剖面受力相差較小,而低造斜點(diǎn)會引起井段變長113 m。高造斜點(diǎn)直增穩(wěn)降剖面摩阻、扭矩和側(cè)向力均會增大[10],不利于施工。因此理論上,大位移小井眼定向井優(yōu)選高造斜點(diǎn)直增穩(wěn)剖面。

中小位移定向井造斜點(diǎn)高低對鉆具受力影響不大。直增穩(wěn)和直增穩(wěn)降剖面受力差別也較小,順應(yīng)延長組地層降斜特點(diǎn)可減少軌跡控制,提高鉆速。由于低造斜點(diǎn)剖面會帶來較大防碰壓力,因此中小位移定向井優(yōu)選高造斜點(diǎn)直增穩(wěn)降剖面[11]?，F(xiàn)場實(shí)施統(tǒng)計(jì)與理論計(jì)算基本吻合。

1.3 小井眼鉆具配套及強(qiáng)化參數(shù)

通過大量實(shí)踐摸索出適合蘇里格小井眼的鉆具組合:

Ф 165.1 mmPDC+Ф 135 mmLZ+SDC+Ф 160 mm STAB+回壓閥+MWD+Ф 120 mmNDC+Ф 120 mmDC+311*HLST+Ф 101.6 mmHWDP+Ф 101.6 mmDP+方鉆桿。

分析鉆井大數(shù)據(jù):鉆頭使用情況對比見表3,通過優(yōu)選6刀翼19 mm切削齒短冠部長拋物線中密度布齒流道寬度均勻的鋼體PDC鉆頭、大功率大扭矩多級數(shù)7 LZ 135單彎螺桿、Φ 106.1 mm雙臺階高強(qiáng)度鉆桿[12],配合短鉆鋌、扶正器增加鉆具適應(yīng)性,完成防斜打直、定向、微增、穩(wěn)斜、微降“一趟鉆五聯(lián)作”,復(fù)合鉆進(jìn)比例達(dá)到95%以上[13]。

表3 鉆頭使用情況對比圖

Tab.3 Comparison of bit usage

鉆頭型號井口數(shù)量/口機(jī)械鉆速/(m·h-1)CZS 1962B1427.54SD 6523ZC927.09M 516 KS823.78CZS 1952 BS619.71SD 6521 ZC523.96SD 6431 ZC524.37CZS 1642 BR519.51SD 6522 ZC426.67M 416 KS423.32CZS 1952 B318.09

改進(jìn)的PDC鉆頭、大功率螺桿、Φ 106.1 mm雙臺階高強(qiáng)度鉆桿為強(qiáng)化參數(shù)提供了必備基礎(chǔ)[14]。PDC鉆頭通過優(yōu)化井底流場更高效地將巖屑帶離復(fù)合片的切削區(qū)域,并對復(fù)合片進(jìn)行有效冷卻,減小鉆頭泥包風(fēng)險(xiǎn)。7 LZ 135螺桿較常用的7 LZ 127螺桿功率、扭矩及使用壽命提高[15]。Φ 106.1 mm雙臺階高強(qiáng)度鉆桿在提高排量的同時(shí)降低了泵壓,同比鉆柱壓耗降低39%,抗扭強(qiáng)度提高48.4%,減少了鉆具刺漏失效風(fēng)險(xiǎn)[16]。

強(qiáng)化參數(shù)即采用高鉆壓、高轉(zhuǎn)速、大排量提高機(jī)械鉆速。高鉆壓使鉆頭切削齒深入巖石產(chǎn)生較深裂縫;高轉(zhuǎn)速使鉆頭破巖更快[17];大排量形成的水力沖擊對破碎坑產(chǎn)生沖蝕和水楔作用擴(kuò)展裂紋,二者交互作用提高破巖效率,且大排量利于提高攜巖能力而避免因高轉(zhuǎn)速形成的大量巖屑下沉,防止鉆頭泥包,鉆速更快[18]。鉆壓與轉(zhuǎn)速對井眼凈化的影響見圖1。

Φ 165.1 mm井眼較常規(guī)Φ 215.9 mm井眼環(huán)空間隙,特別是鉆桿接頭間隙更小,詳細(xì)間隙數(shù)據(jù)見表4。從而增加了環(huán)空壓耗、降低了鉆井液攜巖能力[19]。因此對Φ 165.1 mm井眼的凈化提出了較高要求。

a)鉆壓對井眼凈化的影響a)The effect of WOB on wellbore cleaning

b)轉(zhuǎn)速對井眼凈化的影響b)The effect of rotation speed on wellbore cleaning

表4 Φ 165.1 mm井眼與Φ 215.9 mm井眼間隙對比表

Tab.4 Comparison of Φ 165.1 mm and Φ 215.9 mm hole gaps

井眼/mm鉆桿/mm環(huán)空間隙/mm鉆桿接頭尺寸/mm鉆桿接頭間隙/mm215.9127.044.5162.026.95165.0101.631.7133.415.8

綜合考慮地層破裂梯度、泵機(jī)額定排量、攜巖能力,根據(jù)環(huán)空壓耗、當(dāng)量密度、環(huán)空返速及環(huán)空凈化能力確定Φ 165.1 mm井眼排量20～23 L/s?，F(xiàn)場通過采用大排量離心機(jī)、高目數(shù)篩布及巖屑清除器,最大限度清除有害固相[20],已在多個(gè)區(qū)塊成功實(shí)現(xiàn)了二開一趟鉆,獲得了較高的機(jī)械鉆速?，F(xiàn)場施工數(shù)據(jù)見表5。

表5 優(yōu)化后現(xiàn)場實(shí)施數(shù)據(jù)表

Tab.5 Optimized field implementation data

井號井深/m密度/(g·cm-3)鉆壓/kN轉(zhuǎn)速/(r·min-1)排量/(L·S-1)機(jī)械鉆速/(m·h-1)泵壓/MPa桃2-22-153 4241.1815080+螺桿2348.2325桃2-22-15 C 23 6121.1812060+螺桿2422.4322桃2-22-15 C 83 7841.1614080+螺桿2222.8023桃2-3-33 6021.1812080+螺桿2346.1820蘇東23-28 C 13 2821.1812070+螺桿2232.1821蘇東45-483 3581.1712060+螺桿2128.4226

2 結(jié)論及建議

1)研究形成了蘇里格致密氣藏小井眼定向井強(qiáng)化參數(shù)快速鉆井技術(shù),該技術(shù)的鉆速比常規(guī)井鉆速略有提高,米進(jìn)尺費(fèi)用下降12.5%,巖屑減少約48%,大幅降低了生產(chǎn)成本,節(jié)能和環(huán)保效果顯著。

2)針對導(dǎo)致小井眼定向井電測成功率低的因素,通過優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)、提高泥漿性能、強(qiáng)化固控管理等措施,電測一次成功率達(dá)到75%以上。

3)通過激進(jìn)參數(shù)機(jī)理分析,完成鉆頭水功率、循環(huán)壓降及井眼凈化能力等計(jì)算,形成小井眼定向井快速鉆進(jìn)技術(shù),大幅提高鉆井速度。

4)該技術(shù)成功應(yīng)用了最大位移 1 440 m、位垂比近0.5大位移小井眼定向井,2018年蘇里格氣田共完成了300口大位移小井眼定向井。