李乾 王磊 王喜杰 李興 雷磊
(1.中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司 上海 200120;2.中海石油(中國)有限公司上海分公司 上海 200335)
中國東海油氣資源主要儲(chǔ)藏在花港組和平湖組地層,花港組和平湖組地層的巖石抗壓強(qiáng)度普遍超過70 MPa,其中,花港組下段軟硬交錯(cuò)夾層頻繁且含礫石,平湖組地層存在泥巖與細(xì)砂巖、粉砂巖的不等厚互層,另外還存在多套薄煤層。“十三五”期間,隨著東海油氣田勘探開發(fā)進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn),相繼發(fā)現(xiàn)了一些邊際油氣田,這些油氣田儲(chǔ)層物性總體表現(xiàn)為低孔低滲,且距離已建導(dǎo)管架平臺超過3 000 m,需要采用大位移水平井實(shí)現(xiàn)高效開采[1-3]。近期在X氣田布置了一口大位移水平井X4H,該井垂深4 393 m,水平位移3 074 m,水平段長1 144 m,井底溫度高達(dá)152℃,鉆前預(yù)測φ212.73 mm井段鉆進(jìn)摩阻高扭矩大,基本達(dá)到鉆井平臺作業(yè)能力上限。為保證本井順利作業(yè),本文從鉆井液與鉆井參數(shù)兩方面入手,通過對常規(guī)ZEFLOW鉆井液體系改進(jìn),制定鉆井參數(shù)優(yōu)選方案,旨在降低大位移水平井鉆進(jìn)過程中的摩阻扭矩。本文提出的大位移井降摩減阻新技術(shù)已在東海新鉆的大位移水平井中取得成功應(yīng)用,有效降低了鉆進(jìn)摩阻扭矩,具有較好地應(yīng)用推廣價(jià)值。
東海區(qū)域與大位移井實(shí)施較多的南海區(qū)域相比,存在儲(chǔ)層埋藏深(3 500~5 000 m)、井眼軌道長、地層可鉆性差等特點(diǎn),“十三五”期間,東海共計(jì)實(shí)施了9口大位移井(表1)。
表1 東海已鉆大位移井統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of drilled extended reach wells in East China Sea
結(jié)合東海已鉆大位移井實(shí)鉆情況[4-7],目前東海大位移水平井實(shí)施主要存在以下技術(shù)難點(diǎn):
1)摩阻扭矩大。由于大位移水平井具有水平位移大、大井斜長穩(wěn)斜井段長、水平裸眼段長等特點(diǎn),鉆柱躺在下井壁,摩擦阻力大,鉆進(jìn)扭矩高,有可能超過鉆柱上扣扭矩甚至是平臺頂驅(qū)設(shè)備的連續(xù)輸出扭矩,導(dǎo)致鉆井無法正常進(jìn)行。
2)鉆柱易產(chǎn)生螺旋屈曲。對于大位移水平井,鉆壓主要是由上部鉆柱的重量提供的,如果鉆柱受到的軸向載荷超過其正弦屈曲臨界載荷,將發(fā)生正弦屈曲,隨著鉆壓繼續(xù)增加,鉆柱所受軸向載荷將持續(xù)增大,一旦超過鉆柱螺旋屈曲臨界載荷,鉆柱將會(huì)沿井眼盤成螺旋狀,變?yōu)槁菪@具無法正常傳遞鉆壓和扭矩。
3)鉆具易疲勞、套管易磨損。東海大位移水平井井深大、作業(yè)難度高、鉆井周期長,鉆具易發(fā)生疲勞損壞(BYX-A1X井發(fā)生鉆具疲勞斷裂)。另外,由于上部造斜段鉆具側(cè)向力大,鉆具與套管摩擦劇烈,易引發(fā)套管磨損和鉆具刺漏等問題。
4)井眼難清潔。在大位移水平井鉆井施工中,由于大位移的特點(diǎn),35°~65°井斜井段長,該井斜范圍內(nèi)攜巖困難,易形成巖屑床。由于水平井的特點(diǎn),鉆柱躺在下井壁,形成偏心環(huán)空,巖屑逐漸堆積形成巖屑床,鉆具旋轉(zhuǎn)反復(fù)研磨鉆屑,鉆屑顆粒變細(xì),鉆井液固相含量上升,摩阻扭矩增大。
通過上述對大位移水平井技術(shù)難點(diǎn)的分析,針對摩阻扭矩大和井眼難清潔問題,考慮從東海水平段常用的EZFLOW鉆井液入手,著力解決鉆井液潤滑性與流變性問題;針對鉆柱易產(chǎn)生螺旋屈曲和鉆具易疲勞、套管易磨損,考慮從鉆井參數(shù)入手,著力解決鉆具疲勞與屈曲問題。
目前,東海水平井主要使用無固相EZFLOW鉆井液體系,該體系相比于PRD鉆井液,無需破膠可直接返排,能最大限度地保護(hù)儲(chǔ)層[8]。EZFLOW鉆井液主要是通過體系中分子鍵間的相互纏繞作用,形成了空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)的形成與拆散是可逆的,能迅速建立靜切力,具有很好的巖屑懸浮能力[9-10]。該體系動(dòng)塑比高,具有很好的巖屑攜帶能力。低剪切速率下具有較高的黏度和動(dòng)切力,可以保證在低泵速或停泵時(shí)有效懸浮巖屑,減少巖屑床的堆積。
常規(guī)EZFLOW鉆井液體系中通過加入PF-LUBE來提高鉆井液潤滑性,但是針對大位移水平井,需要進(jìn)一步提高鉆井液潤滑性以降低摩阻扭矩,常規(guī)EZFLOW鉆井液體系潤滑性難以滿足要求。使用油基鉆井液雖然能夠進(jìn)一步降低摩擦系數(shù)減小鉆進(jìn)摩阻扭矩,但對水平段儲(chǔ)層保護(hù)存在不利影響[11-12]。因此,需要進(jìn)一步提高EZFLOW鉆井液潤滑性以滿足鉆井作業(yè)和儲(chǔ)層保護(hù)需要。
常規(guī)EZFLOW鉆井液體系配方如表2所示。表中PF-EZVIS為提黏提切劑,PF-JLX-C-S為聚合醇,起潤滑和抑制作用,PF-EZCARB為超細(xì)碳酸鈣,起屏蔽暫堵作用,PF-LUBE為植物油,起潤滑作用,PF-SATRO為防水鎖劑,PF-EZFLO為淀粉類降濾失劑。
表2 常規(guī)EZFLOW鉆井液體系配方Table 2 Formula of conventional EZFLOW drilling fluid system
為了進(jìn)一步提高EZFLOW鉆井液潤滑性,降低鉆進(jìn)摩阻扭矩,在該體系中引入CX300高效潤滑劑,與PF-LUBE潤滑劑協(xié)同作用。CX300高效潤滑劑主要是通過有機(jī)抗磨材料與金屬離子在高溫高壓條件下通過化學(xué)反應(yīng)生成的有機(jī)化合物,能夠吸附在鉆柱表面,將滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦,起到良好的抗摩減扭作用。
2.2.1 潤滑性能測試
室內(nèi)試驗(yàn)采用LEM-2型潤滑儀,該潤滑儀用鍥形塊模擬井壁,鍥形塊由標(biāo)準(zhǔn)貝雷砂巖巖心制成,以可調(diào)轉(zhuǎn)速的不銹鋼轉(zhuǎn)軸模擬鉆具,在模擬井壁與模擬鉆具之間充填鉆井液,不斷增加鉆具對井壁側(cè)向力提高扭矩外力,測定鉆柱與井壁的摩擦系數(shù)。試驗(yàn)用鉆井液的配方如表3所示,表中基礎(chǔ)膠液配方為:NaOH+Na2CO3+PF-EZVIS+PF-EZFLO+PF-JLX-C-S+PF-SATRO+PF-EZCARB。各鉆井液的潤滑性能評價(jià)對比結(jié)果如圖1所示。
表3 試驗(yàn)用鉆井液配方Table 3 Formula of drilling fluid for test
從圖1可以看出,將EZFLOW鉆井液體系常用潤滑劑PF-LUBE與CX300高效潤滑劑復(fù)配后,可以進(jìn)一步提高鉆井液的潤滑性,復(fù)配后的鉆井液潤滑性與固體高效潤滑劑Starglide和Steel Lube EP潤滑性相當(dāng)甚至是優(yōu)于其潤滑性。
圖1 實(shí)驗(yàn)用鉆井液潤滑性評價(jià)結(jié)果Fig.1 Evaluation results of lubricity of drilling fluid for experiment
2.2.2 抗磨性能測試
對上述實(shí)驗(yàn)用鉆井液配方1和配方4進(jìn)行鉆桿接頭與套管組合下的抗磨性能實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)以金屬圓柱(S135鋼級)代替鉆桿接頭,以摩擦塊(N80鋼級)代替套管,通過對金屬圓柱與摩擦塊采用加壓法進(jìn)行磨損測試,金屬圓柱與摩擦塊之間充滿了所需測試的鉆井液流體,模擬鉆桿接頭與套管在井下實(shí)際作業(yè)時(shí)的磨損情況。每種配方的鉆井液分別進(jìn)行3組實(shí)驗(yàn),每次實(shí)驗(yàn)時(shí)間為30 min,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。
從表4可以看出,配方4鉆井液中復(fù)配了PF-LUBE與CX300高效潤滑劑后,金屬圓柱的平均磨損量比在配方1鉆井液中減少了57.56%,摩擦塊的平均磨損量比在配方1鉆井液中減少了60%,表明復(fù)配后的鉆井液具有良好的抗磨性能。
表4 鉆井液抗磨性能實(shí)驗(yàn)Table 4 Experiment on antiwear property of drilling fluid
東海X氣田平湖組主力儲(chǔ)層埋深超過4 000 m,井底溫度超過140℃,對鉆井液的抗高溫性能要求高。實(shí)驗(yàn)室配置4個(gè)超潤滑EZFLOW鉆井液樣品和1個(gè)常規(guī)EZFLOW鉆井液樣品。超潤滑EZFLOW鉆井液樣品配方為0.2%NaOH+0.2%Na2CO3+1%PF-EZVIS+2%PF-EZFLO+2%PF-JLX-C-S+1%PF-SATRO+3%PF-EZCARB+4%PF-LUBE+2%CX300。采用室內(nèi)試驗(yàn)常用的鉆井液熱滾試驗(yàn)法,測量鉆井液樣品經(jīng)過不同溫度熱滾后性能變化情況,試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。從室內(nèi)試驗(yàn)情況來看,超潤滑EZFLOW鉆井液在120~150℃老化后,流變性能穩(wěn)定,API濾失量、LSRV(低剪切速率黏度)和LSYP(低剪切速率動(dòng)切力)均滿足作業(yè)需求,鉆井液抗高溫性能優(yōu)異,表明超潤滑EZFLOW鉆井液體系高溫配伍性能優(yōu)異。
表5 超潤滑EZFLOW鉆井液抗高溫老化評價(jià)Table 5 Evaluation of high temperature aging resistance of super lubricated EZFLOW drilling fluid
當(dāng)鉆柱在井眼內(nèi)繞自身軸線順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí),鉆柱受壓會(huì)產(chǎn)生彎曲,鉆柱與井壁/套管接觸產(chǎn)生摩擦力,使鉆柱以一定的速度繞井眼軸線旋轉(zhuǎn)[13-15],形成渦動(dòng)(圖2)。
圖2 鉆柱渦動(dòng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of drill string whirl
對于大位移水平井,鉆進(jìn)過程通常都會(huì)伴隨有鉆柱渦動(dòng),鉆柱渦動(dòng)除了對鉆柱疲勞和套管磨損有影響之外,對鉆井扭矩也有影響。在大位移水平井中,鉆進(jìn)的鉆壓主要是由上部鉆具提供,在鉆具受力中和點(diǎn)附近及下部,鉆具受到軸向壓縮載荷或所受軸向拉伸載荷較小的條件下,鉆柱會(huì)發(fā)生屈曲從而導(dǎo)致渦動(dòng)的發(fā)生,進(jìn)而使鉆進(jìn)扭矩增大,影響鉆井安全和作業(yè)時(shí)效。鉆柱發(fā)生渦動(dòng)時(shí),鉆柱與井壁/套管接觸點(diǎn)處相對井壁/套管的滑移速度的計(jì)算公式可表示為
式(1)中:v為鉆柱與井壁/套管接觸點(diǎn)處相對井壁/套管的滑移速度,m/s;D為井眼直徑,m;d為鉆柱外徑,m;ω為鉆柱自轉(zhuǎn)角速度,rad/s;η為鉆柱渦動(dòng)角速度,rad/s。
當(dāng)v=0時(shí),鉆柱與井壁/套管接觸點(diǎn)處相對井壁/套管的滑動(dòng)速度等于零,此時(shí)可理解為鉆柱與井壁/套管相對運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為滾動(dòng),此時(shí)扭矩最小。由Mitchell計(jì)算公式推導(dǎo)出鉆柱與井壁/套管之間的接觸力為
式(2)中:F為鉆柱與井壁/套管的接觸力,N;α為鉆柱與井壁/套管之間的環(huán)空間隙,m;N為鉆柱所受軸向力,N;E為鉆柱抗彎強(qiáng)度,Pa;m為鉆柱段重,kg/m。
由式(2)可知,為了降低鉆進(jìn)扭矩,應(yīng)該盡量降低鉆柱與井壁/套管接觸力F,對于大位移水平井水平段鉆進(jìn),在α、E、m、D、d已經(jīng)確定的條件下,可以通過降低ω,也就是鉆柱轉(zhuǎn)速來降低鉆進(jìn)扭矩。
在大位移水平井鉆進(jìn)時(shí),提高轉(zhuǎn)速有利于井眼清潔和機(jī)械鉆速的提高。機(jī)械鉆速與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為指數(shù)關(guān)系,且指數(shù)一般小于1,可表示為
式(3)中:λ轉(zhuǎn)速指數(shù),一般小于1;vROP為機(jī)械鉆速,m/h。
轉(zhuǎn)速選擇還需要考慮臨界轉(zhuǎn)速的問題,利用WellPlan軟件的Critical Speed模塊可以對鉆具臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析,其主要依據(jù)強(qiáng)迫頻率理論,分析不同轉(zhuǎn)速下的最大徑向變形及彎曲應(yīng)力,繪出相應(yīng)的幅頻響應(yīng)曲線,確定相應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速。鉆進(jìn)過程中需避免鉆具轉(zhuǎn)速處于臨界轉(zhuǎn)速范圍,避免臨界轉(zhuǎn)速引起的共振危害。
通過上述分析可知,鉆進(jìn)扭矩與井眼清潔、機(jī)械鉆速之間存在矛盾。為了解決這一矛盾,需要綜合考慮鉆井工況,結(jié)合實(shí)鉆機(jī)械鉆速情況、鉆井平臺頂驅(qū)工作能力、井眼清潔情況等,適時(shí)調(diào)整鉆井參數(shù)。如鉆井扭矩過大,接近頂驅(qū)連續(xù)輸出扭矩上限,應(yīng)結(jié)合軟件模擬情況,實(shí)時(shí)分析井眼清潔情況和鉆具徑向位移與彎曲應(yīng)力沿鉆具分布情況,適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速,保證在滿足井眼清潔和避免臨界轉(zhuǎn)速的條件下,達(dá)到降低鉆井扭矩的目的。為了維持一定的機(jī)械鉆速,在降低轉(zhuǎn)速的同時(shí)可以適當(dāng)增大鉆壓,以提高鉆頭吃入地層的深度進(jìn)而提高機(jī)械鉆速。需通過對鉆具受力狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析來確定鉆壓的提高范圍,保證鉆壓小于鉆柱發(fā)生正弦屈曲所允許的鉆壓,滿足安全高效作業(yè)原則。
東海X氣田構(gòu)造位置位于東海陸架盆地浙東坳陷西湖凹陷西斜坡平湖構(gòu)造帶平北段北部。該氣田縱向含油氣層系多,其中,花港組以構(gòu)造油氣藏為主,平湖組發(fā)育復(fù)合巖性氣藏和構(gòu)造油氣藏兩種類型。X4H井為X氣田近期設(shè)計(jì)的一口大位移水平井,該井完鉆井深6 412 m,垂深4 393 m,水平位移3 074 m,水平段長1 144 m,水平段鉆進(jìn)層位為平湖組P3b層,實(shí)測水平段鉆井液井下循環(huán)溫度132℃。實(shí)鉆井眼軌跡及井身結(jié)構(gòu)情況如圖3所示,φ212.73 mm水平段從5 268 m鉆進(jìn)至6 412 m,該井段開鉆使用常規(guī)EZFLOW鉆井液,自5 400 m之后添加CX300高效潤滑劑配置成超潤滑EZFLOW鉆井液體系,使鉆進(jìn)扭矩降低5%~8%左右,在6 100 m左右,由于鉆進(jìn)扭矩持續(xù)升高,現(xiàn)場通過降低轉(zhuǎn)速,提高鉆壓的方式,在保證機(jī)械鉆速的前提下,將鉆進(jìn)扭矩進(jìn)一步降低10%左右。
圖3 X4H井井眼軌跡及井身結(jié)構(gòu)情況Fig.3 Well trajectory and wellbore structure of Well X4H
X4H井φ212.73 mm井眼在5 436、5 587、5 752 m附近分3次加入CX300高效潤滑劑,第一次加入1%的CX300,后兩次每次加入2%的CX300。圖4所示為5 286~6 000 m井段鉆進(jìn)扭矩變化情況,從圖中可以看出,每次加入CX300后,鉆井扭矩都呈現(xiàn)持續(xù)降低趨勢,說明CX300與PF-LUBE復(fù)配后的超潤滑EZFLOW鉆井液能夠有效降低鉆進(jìn)扭矩。在鉆進(jìn)150~170 m左右后,由于CX300自然消耗,鉆井液體系內(nèi)CX300含量下降,鉆進(jìn)扭矩又開始重新增大。
圖4 X4H井5 268~6 000 m井段鉆進(jìn)扭矩變化情況Fig.4 Variation of drilling torque in 5 268~6 000 m section of Well X4H
三次使用CX300后鉆進(jìn)扭矩變化情況如表6所示。從表6可以看出,使用CX300與PF-LUBE復(fù)配后,鉆井扭矩能夠降低2~5 k N·m,有效降低了鉆具與套管和井壁的摩擦系數(shù),從巖屑返出情況來看(圖5),X4H井相比于與其一起批鉆的X8H井,巖屑中夾雜的鐵屑含量明顯減少,從側(cè)面說明了CX300與PF-LUBE復(fù)配后的超潤滑EZFLOW鉆井液能夠有效降低鉆柱與套管的磨損,起到了良好的降摩減扭效果。
表6 EZFLOW鉆井液加入復(fù)合潤滑劑前后扭矩對比Table 6 Torque comparison before and after adding composite lubricant to EZFLOW drilling fluid
圖5 X4H井與X8H井巖屑中夾雜鐵屑含量對比Fig.5 Comparison of iron chip content in cuttings of Well X4H and Well X8H
整個(gè)φ212.73 mm井段使用的超潤滑EZFLOW鉆井液的性能參數(shù)如表7所示,鉆井液性能穩(wěn)定,動(dòng)塑比較高,具有很好的攜砂能力,φ6讀數(shù)超過井眼尺寸(英制尺寸數(shù)),能夠有效解決大位移水平井?dāng)y砂難、易形成沉砂床的問題,較高的低剪切速率黏度LSRV和動(dòng)切力LSYP可以保證在低泵速或停泵時(shí)有效防止巖屑床的形成。EZFLOW鉆井液為無固相鉆井液體系,采用甲酸鈉和氯化鉀進(jìn)行加重,現(xiàn)場為了控制鉆井液固相含量,采用了3臺200目的振動(dòng)篩配合兩臺離心機(jī),有效控制鉆井液固相含量在5%以下,含砂量始終保持在0.1%,低的固相含量有利于保證泥餅薄而韌,進(jìn)一步降低濾餅的摩擦系數(shù)。
表7 超潤滑EZFLOW鉆井液性能參數(shù)表Table 7 Performance parameters of super lubricating EZFLOW drilling fluid
X4H井φ212.73 mm井段自5 950 m左右,頂驅(qū)平均扭矩增大至62~71 k N·m,瞬時(shí)扭矩高達(dá)77 k N·m,鉆井平臺頂驅(qū)電機(jī)功率過大,開始出現(xiàn)高溫報(bào)警(頂驅(qū)溫度達(dá)到158℃),需要降低轉(zhuǎn)速劃眼循環(huán)來給頂驅(qū)降溫。鉆進(jìn)至6 080 m后,頂驅(qū)高溫報(bào)警越發(fā)頻繁,每鉆進(jìn)30 min左右就需要?jiǎng)澭垩h(huán)給頂驅(qū)降溫。
為了降低鉆進(jìn)扭矩,減少劃眼循環(huán)時(shí)間從而提高鉆井時(shí)效,現(xiàn)場首先進(jìn)行了鉆井參數(shù)敏感性試驗(yàn),通過改變轉(zhuǎn)速、鉆壓,發(fā)現(xiàn)扭矩與轉(zhuǎn)速之間相關(guān)性更高,提高轉(zhuǎn)速至90 r/min后,扭矩波動(dòng)較大且峰值較高,將轉(zhuǎn)速降低至75 r/min以下,扭矩降幅較大,能降低5~10 k N·m。
明確了扭矩與轉(zhuǎn)速相關(guān)性更強(qiáng)后,現(xiàn)場優(yōu)化鉆井參數(shù)。根據(jù)鉆具臨界轉(zhuǎn)速分析(圖6),轉(zhuǎn)速為28、65和85 r/min時(shí)出現(xiàn)較強(qiáng)的動(dòng)力響應(yīng),徑向位移很大,說明實(shí)際鉆井過程中應(yīng)避開這些臨界轉(zhuǎn)速。因此,將轉(zhuǎn)速降低至75 r/min。
圖6 鉆具徑向位移與轉(zhuǎn)速幅頻響應(yīng)情況Fig.6 Amplitude frequency response of radial displacement and rotational speed of drilling tools
通過對鉆具進(jìn)行受力分析模擬當(dāng)前鉆進(jìn)狀態(tài),在6 112 m鉆壓超過139.7 k N,鉆具將發(fā)生正弦彎曲。因此,現(xiàn)場將鉆壓由80~110 k N提高至100~120 k N,保證鉆具受力狀態(tài)正常。在降低轉(zhuǎn)速提高鉆壓后,機(jī)械鉆速仍然維持在10 m/h,與調(diào)整前基本一致。在6 112 m至完鉆井深6 412 m之間,鉆柱轉(zhuǎn)速始終維持在75 r/min,頂驅(qū)扭矩保持在52~65 k N·m(圖7),頂驅(qū)再未出現(xiàn)高溫報(bào)警,保證了鉆井時(shí)效。
圖7 鉆井參數(shù)優(yōu)化前后扭矩變化Fig.7 Torque change before and after drilling parameters optimization
1)CX300高效潤滑劑與EZFLOW鉆井液配伍性良好,配置而成的超潤滑EZFLOW鉆井液抗高溫能力強(qiáng),鉆井液潤滑性能提升顯著,能夠進(jìn)一步降低摩擦系數(shù),減小鉆進(jìn)扭矩,降低鉆柱與套管的磨損,可以起到良好的降摩減扭效果。
2)在提高鉆井液潤滑性的同時(shí),優(yōu)化鉆井參數(shù),通過降轉(zhuǎn)速增鉆壓,既能保證機(jī)械鉆速又可有效降低鉆進(jìn)扭矩。
3)對于東海大位移水平井,隨著水平位移的不斷增大,相配套的降摩減扭工具未來將成為研究方向,需要研發(fā)適用于東海區(qū)域特征的配套降摩減扭工具。