頁巖氣水平鉆井延伸極限預(yù)測與參數(shù)優(yōu)化

胡德高，黃文君，石小磊，劉堯文

(1.中國石化江漢油田分公司，潛江 433124；2.中國石油大學(xué)(北京)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；3.中國石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司，重慶 408014)

四川盆地地區(qū)多丘陵和山地，生態(tài)環(huán)境脆弱，如何在多重約束下高效開發(fā)頁巖氣資源是一個極具挑戰(zhàn)性的研究課題。高德利教授提出了大型“井工廠”的高效開發(fā)模式，通過大幅度增加井場布井?dāng)?shù)量和提高水平井的橫向延伸距離，從而減少平臺數(shù)量，達(dá)到降本增效的目標(biāo)[1]。為保障大型“井工廠”工程的順利實(shí)施，需要開展叢式水平井延伸極限預(yù)測與控制工作。國外對鉆井延伸極限的相關(guān)研究與應(yīng)用比較早，Meertens等[2]圍繞Tern平臺上鉆探的大位移評估/開發(fā)井的作業(yè)工況，考慮了評價/開發(fā)概念的選擇、井設(shè)計的關(guān)鍵問題和鉆井風(fēng)險，討論了實(shí)際鉆井作業(yè)的結(jié)果。Alfsen等[3]介紹了鉆井作業(yè)的歷史案例，包括獲得的經(jīng)驗(yàn)以及模擬鉆井參數(shù)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)之間的比較。Mason等[4]通過探索一些最近的案例，包括偏移量現(xiàn)場數(shù)據(jù)和先進(jìn)的分析技術(shù)，對未來大位移井的極限作業(yè)進(jìn)行了討論與展望。Allen等[5]從井深結(jié)構(gòu)、定向控制、水力及井眼清潔、摩阻扭矩等方面對大位移井突破10 km的作業(yè)極限進(jìn)行了全面分析，并對后續(xù)工作進(jìn)行展望。但大多屬于工程案例分析。國內(nèi)，高德利等[1,6]首次系統(tǒng)提出了鉆井延伸極限的基本理論概念，汪志明等[7]、連威等[8]、閆鐵等[9]分別建立了水力延伸極限和機(jī)械延伸極限的預(yù)測模型。近些年，高德利團(tuán)隊(duì)對三種延伸極限預(yù)測模型進(jìn)行了集成[10-16]。羅偉等[17]針對大位移井的鉆井實(shí)際，分析了鉆機(jī)承受能力、鉆柱強(qiáng)度、泵的額定泵壓、目的層承壓能力和井眼凈化能力對大位移井延伸能力的影響，并給出了相應(yīng)的計算公式。劉茂森等[18]根據(jù)長寧頁巖氣的鉆井實(shí)際情況，分析了鉆機(jī)承載能力、鉆柱安全系數(shù)、地層承壓能力及額定泵壓等因素對水平井延伸能力的影響，推導(dǎo)了相應(yīng)計算模型。許杰等[19]基于管柱平衡微分方程，綜合考慮接觸力、摩阻力、管柱內(nèi)外鉆井液等因素影響，建立了管柱摩阻扭矩計算模型；以井眼延伸長度為目標(biāo)，考慮地面和井下各種約束的影響，建立了管柱作業(yè)極限的預(yù)測模型。但模型相對來說都比較單一。目前，中國頁巖氣水平井的水平段長度呈逐漸增長的趨勢，水平井延伸極限的準(zhǔn)確預(yù)測以及如何提高延伸極限等問題顯得更加重要，急需開展該方面的研究?，F(xiàn)借助鉆柱力學(xué)模型，考慮約束參數(shù)、設(shè)計參數(shù)以及最優(yōu)約束參數(shù)，建立鉆井延伸極限的理論框架和預(yù)測模型，并將該理論應(yīng)用到涪陵地區(qū)頁巖氣水平井鉆井極限分析。

1 涪陵頁巖氣鉆完井的現(xiàn)狀

涪陵頁巖氣田是中國第一個投入商業(yè)化開發(fā)的頁巖氣田，其地表和地下地質(zhì)情況均十分復(fù)雜，與常規(guī)油氣藏和國外頁巖氣田相比，其開發(fā)過程中鉆井施工難度較大[20]。其主要鉆井技術(shù)難點(diǎn)有泥頁巖地層井壁穩(wěn)定性差、水平井眼軌道復(fù)雜、對生產(chǎn)套管強(qiáng)度和固井質(zhì)量要求高以及建井周期長等。自2012年2月以來，中國石化針對涪陵焦石壩區(qū)塊部署鉆探焦頁1井，井深3 320 m，水平段長1 001 m，實(shí)現(xiàn)了該區(qū)塊海相頁巖氣勘探突破。2013年1月，焦頁1HF井投入試采，該井井深3 653 m，水平段長1 407.5 m。同年，順利完鉆焦頁8-2HF井，井深4 088 m，水平段長1 530 m。隨后幾年內(nèi)，更是在該區(qū)塊鉆成井深5 295 m，水平段長2 053 m的焦頁188-1HF井。隨著鉆井技術(shù)的快速發(fā)展，近幾年內(nèi)在該地區(qū)進(jìn)行了12口開發(fā)調(diào)整井的作業(yè)，水平段長均超過2 500 m，其中6口井水平段長都超過2 800 m，焦頁2-5HF井水平段長3 065 m，創(chuàng)造了中國頁巖氣開發(fā)新紀(jì)錄?？梢婋S著井深增加，水平段長度也呈同步增長的趨勢。

一般來看，頁巖氣開發(fā)主要采用叢式水平井或大位移水平井，該井型的井眼軌道與常規(guī)油藏水平井的井眼軌道存在顯著差異，除大偏移距和大靶前位移外，長水平段也是目前井眼軌道設(shè)計的主要特點(diǎn)。一般頁巖氣水平段越長，單井儲層越大，儲量的控制和動用程度越高[21]，但是水平段并不是越長越好，水平段越長鉆井難度越大，會導(dǎo)致脆性頁巖垮塌和破裂等復(fù)雜問題，投資成本加大。同時由于井筒壓差作用，水平段抽汲壓力越大，產(chǎn)量反而降低[22]。針對涪陵地區(qū)鉆完井設(shè)計中面臨的水平段越來越長，考慮到其軌道的復(fù)雜性以及鉆井過程中摩阻和扭矩更大、工具面擺放與控制更為困難、鉆井難度加大等因素，迫切需要對頁巖氣水平井延伸極限工作展開深入研究。

2 延伸極限的預(yù)測模型方法

鉆井延伸極限包括機(jī)械延伸極限、裸眼延伸極限和水力延伸極限。所謂“機(jī)械延伸極限”，是指鉆機(jī)功率、管柱強(qiáng)度、導(dǎo)向控制模式等機(jī)械因素約束下可以安全鉆達(dá)的最大井深；所謂“裸眼延伸極限”，是指保證裸眼段井壁安全穩(wěn)定條件下，可以安全鉆達(dá)的最大井深；所謂“水力延伸極限”，是指保證流體正常循環(huán)且井眼清潔條件下，可以安全鉆達(dá)的最大井深。

三種極限模型都是在管柱力學(xué)模型、環(huán)空壓力模型和井壁穩(wěn)定模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步引入了“極限”的概念，因此鉆井延伸極限理論是鉆井力學(xué)理論的進(jìn)一步發(fā)展。鉆井延伸極限的定量預(yù)測模型可表達(dá)為

(1)

式(1)中：Llim為井眼延伸極限，m；L()為以鉆井力學(xué)模型表示的井眼延伸長度，m；p為約束參數(shù)，指大鉤載荷、轉(zhuǎn)盤扭矩、鉆頭鉆壓、鉆頭扭矩、環(huán)空壓力、巖屑床厚度等；d為設(shè)計參數(shù)，指泥漿性能、鉆具組合等；P為約束參數(shù)p的許用空間，以約束條件的形式給出；p*為最優(yōu)約束參數(shù)，在最優(yōu)約束參數(shù)下井深取得最大值；c為操作工況，包含正常鉆進(jìn)、倒劃眼、起下鉆等。

式(1)的數(shù)學(xué)含義是指對于某一特定的鉆井系統(tǒng)，在某設(shè)計參數(shù)d以及操作工況c下，約束參數(shù)p在其約束空間P內(nèi)所能取得的井眼長度最大值。所以鉆井延伸極限等于機(jī)械延伸極限、水力延伸極限和裸眼延伸極限這三者中的最小值，即

Llim=min(Llim,mec,Llim,hyd,Llim,open)

(2)

式(2)中：Llim,mec、Llim,hyd和Llim,open分別為機(jī)械延伸極限、水力延伸極限和裸眼延伸極限，其計算都要利用式(1)，只是里面考慮的約束因素和作業(yè)工況不同。

3 頁巖氣水平井案例分析

以涪陵地區(qū)一口頁巖井為例進(jìn)行分析。該井完鉆井深4 734.00 m，水平位移2 421.45 m，垂深2 362.95 m，水垂比為1.02，井身結(jié)構(gòu)和井眼軌道的結(jié)果如圖1所示。該井三開8-1/2″井眼是井眼延伸極限最重要的井段，后續(xù)以該井段為主要研究對象。

圖1 井身結(jié)構(gòu)和井眼軌道圖

3.1 鉆柱整體受力結(jié)果分析

大鉤載荷隨井深的變化結(jié)果如圖2所示。對于滑動上提工況，大鉤載荷隨井深的增大而增大，且隨摩阻系數(shù)λ的增大而增大。假定地面額定提拉力為2 250 kN，井眼延伸極限大于8 000 m。對于滑動鉆進(jìn)工況，大鉤載荷隨井深的增大而減小，且減小的速率增大，這是由于鉆柱屈曲導(dǎo)致的。當(dāng)?shù)孛娲筱^載荷為零為時，無法繼續(xù)滑動鉆進(jìn)，此時井深為井眼延伸極限。當(dāng)裸眼段摩阻系數(shù)和套管段摩阻系數(shù)分別0.25和0.15時，滑動鉆進(jìn)延伸極限僅為4 400 m，小于設(shè)計井深4 734 m。通過對比分析，滑動鉆進(jìn)是滑動導(dǎo)向作業(yè)下限制井眼延伸極限的工況。

圖2 大鉤載荷隨著井深變化

地面扭矩隨著井深的變化結(jié)果如圖3所示。對于旋轉(zhuǎn)上提工況和鉆柱鉆進(jìn)工況而言，地面扭矩隨井深的增大而增大，且隨摩阻系數(shù)的增大而增大。假定地面額定扭矩為27.5 kN·m，當(dāng)裸眼摩阻系數(shù)為0.20時，旋轉(zhuǎn)上提工況對應(yīng)的井眼延伸極限大于8 000 m，旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工況對應(yīng)的井眼延伸極限為7 700 m，因此旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向作業(yè)下限制井眼延伸極限的工況。

圖3 地面扭矩隨著井深變化

3.2 鉆機(jī)性能參數(shù)優(yōu)選

不同鉆機(jī)性能參數(shù)下的延伸極限如圖4所示。

圖4 不同額定提拉力和地面扭矩下機(jī)械延伸極限

其中，鉆機(jī)1的額定提拉力T為1 500 kN，額定扭矩M為20 kN·m；鉆機(jī)2的額定提拉力為2 250 kN，額定扭矩為27.5 kN·m；鉆機(jī)3的額定提拉力為3 000 kN，額定扭矩為35 kN·m。對于滑動鉆進(jìn)工況而言，高摩阻是限制延伸極限的主要因素，因此提升鉆機(jī)性能對提高井眼延伸極限是無效的；而對于旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工況而言，高扭矩成為限制延伸極限的主要因素，因此提升鉆機(jī)額定扭矩可有效提高井眼延伸極限。

不同鉆井泵額定泵壓Ppump下的井眼延伸極限如圖5所示。其中鉆機(jī)1、2和3的額定泵壓分別為25、30、35 MPa。隨著鉆機(jī)額定泵壓的提高，水力延伸極限不斷增大，因此鉆機(jī)額定泵壓是限制水力延伸極限的主要因素。隨著排量的增大，水力延伸極限不斷降低，這是由于排量增大導(dǎo)致泵壓升高。

圖5 不同額定泵壓下的水力延伸極限

3.3 鉆具組合優(yōu)選

不同鉆具組合(bottom hole assembly，BHA)下的滑動和旋轉(zhuǎn)延伸極限如圖6所示。鉆具組合主要包括5″鉆柱、下部5″鉆柱和上部5-1/2″鉆柱三種類型。在滑動鉆進(jìn)工況下，采用5-1/2″鉆柱可增大垂直段鉆柱質(zhì)量，從而增大滑動鉆進(jìn)極限，但是增大的效果非常有限。在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工況下，采用線重小的鉆具可降低管柱上的扭矩，從而提高旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)極限。

圖6 不同鉆具組合下機(jī)械延伸極限

3.4 井眼曲折度影響分析

井眼曲折度是指實(shí)鉆軌跡與設(shè)計軌道的差別。水平裸眼段鉆進(jìn)中頻繁調(diào)整軌跡，井眼軌跡不平滑，井眼曲折度高，產(chǎn)生附加的摩阻和扭矩，限制了井眼的延伸極限。由圖7可知，尤其對于滑動模式而言，當(dāng)井眼曲折度比較大時，無法達(dá)到設(shè)計井深。因此，在鉆井設(shè)計中要考慮井眼曲折度的影響，實(shí)鉆過程中要盡量降低狗腿度，提高軌跡光滑度。

圖7 井眼曲折度對井眼延伸極限的影響

3.5 鉆井液密度優(yōu)化

鄰井壓裂作業(yè)會導(dǎo)致地層壓力上升。當(dāng)鄰井距離比較近時，地層壓力上升的幅度比較大，如果采用的鉆井液密度偏低時，將發(fā)生井筒溢流；如果采用的鉆井液密度偏高，將發(fā)生井漏，造成井下事故。鉆井設(shè)計中必須考慮地層壓力變化來對鉆井液密度窗口進(jìn)行合理優(yōu)化，圖8為旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)進(jìn)情況下對泥漿密度的優(yōu)化。由圖8可知，本口井的鉆井液密度建議取1.475～1.50 g/cm3。

圖8 泥漿密度對井眼延伸極限的影響

4 結(jié)論

(1)隨著井深的增加，頁巖氣開采所需的水平段越來越長。與常規(guī)油藏水平井相比，鉆井過程中摩阻和扭矩更大、工具面擺放與控制更為困難。因此，延伸極限預(yù)測可作為頁巖氣水平井安全高效開發(fā)的有效手段。

(2)滑動鉆進(jìn)模式是約束水平段延伸的主要工況，當(dāng)摩阻系數(shù)比較高時，螺旋屈曲鎖死導(dǎo)致無法鉆達(dá)設(shè)計井深。因此一方面要采取降低摩阻的措施，另一方面要采用全復(fù)合鉆進(jìn)或者旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)模式。

(3)水平段鉆進(jìn)中頻繁調(diào)整軌跡，導(dǎo)致井眼軌跡不平滑，井眼曲折度高，產(chǎn)生附加的摩阻扭矩限制了井眼延伸長度，因此在鉆井設(shè)計中要考慮井眼曲折度的影響，在鉆進(jìn)作業(yè)中要盡量減少軌跡調(diào)整次數(shù)，保證軌跡平滑。

(4)鄰井壓裂作業(yè)可能導(dǎo)致正鉆井地層壓力上升，當(dāng)鄰井距離比較近時，地層壓力上升的幅度比較大，此時鉆井液的安全密度窗口較窄，需要對鉆井液的密度進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計。