大慶油田致密油平臺(tái)三維水平井鉆柱摩阻分析

邵帥

1.中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院；2.黑龍江省油氣藏增產(chǎn)增注重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

為了高效開(kāi)發(fā)致密油儲(chǔ)層，大慶油田采用平臺(tái)水平井配合大規(guī)模壓裂的工藝技術(shù)［1］。平臺(tái)水平井具有便于壓裂施工，減少征地面積，降低地面管線和采油設(shè)備維護(hù)費(fèi)用的優(yōu)點(diǎn)［2］，但對(duì)于鉆井施工而言，則增加了井下復(fù)雜情況發(fā)生的概率。由于平臺(tái)水平井中各個(gè)井靶區(qū)相對(duì)位置的不確定性，導(dǎo)致一部分井必須采用三維扭方位的軌道設(shè)計(jì)方式。在鉆井施工過(guò)程中，三維水平井相對(duì)于二維水平井鉆柱所受摩阻扭矩大，托壓現(xiàn)象更嚴(yán)重［3］，水平井延伸長(zhǎng)度受到限制，甚至出現(xiàn)無(wú)法鉆達(dá)目的井深，被迫提前完鉆的情況，制約著致密油平臺(tái)的開(kāi)發(fā)。通過(guò)分析三維水平井鉆柱摩阻規(guī)律，提出解決摩阻過(guò)大問(wèn)題的針對(duì)性措施，以提高水平井延伸極限。

1 平臺(tái)水平井鉆井施工難點(diǎn)

平臺(tái)水平井將靶區(qū)距離較近井的井口采用平臺(tái)式分布，將原本為二維井的井口移動(dòng)至統(tǒng)一平臺(tái)，這樣就增加了造斜段長(zhǎng)度，而且軌道中出現(xiàn)三維扭方位井段。如圖1所示，以靶前距300 m的二維水平井為例，將井口移動(dòng)300 m至平臺(tái)井口位置進(jìn)行軌道設(shè)計(jì)，則該井造斜段長(zhǎng)度由531 m增加至737 m，且設(shè)計(jì)軌道變?yōu)槿S軌道，出現(xiàn)411 m三維扭方位井段。鉆進(jìn)過(guò)程中，水平段鉆柱受力相對(duì)造斜段簡(jiǎn)單，如果油層預(yù)測(cè)準(zhǔn)確，水平段軌跡井斜角在90°左右、方位角保持不變，以穩(wěn)斜方式鉆進(jìn)，水平段鉆柱所受軸向力均為推力，所受摩阻力只與延伸長(zhǎng)度有關(guān)。但在三維扭方位段鉆柱受力相對(duì)復(fù)雜［4-5］，隨著鉆進(jìn)深度和鉆進(jìn)參數(shù)的變化，部分鉆柱反復(fù)受到軸向拉力和壓力，并且由于井眼軌跡呈曲線形式，產(chǎn)生摩擦阻力的正壓力不僅來(lái)源于鉆柱自身重力，隨著井斜和方位角的變化，軸向力會(huì)轉(zhuǎn)化為正壓力［6］，這就增大了鉆柱摩擦阻力，特別是當(dāng)實(shí)鉆過(guò)程中軌跡曲率突變會(huì)加強(qiáng)這種趨勢(shì)。采用平臺(tái)布井增大了水平井鉆柱摩阻，限制了水平井延伸長(zhǎng)度，尤其三維井段的出現(xiàn)給水平井施工帶來(lái)更大的困難。

圖1 平臺(tái)水平井軌道Fig.1 Platform horizontal well trajectory

2 三維水平井鉆柱摩阻分析

計(jì)算鉆柱摩阻的模型主要有2類：軟桿模型和剛桿模型。軟桿模型在井眼曲率不大的情況下精度能夠滿足施工要求，且求解簡(jiǎn)單。軟桿模型假設(shè)鉆柱形狀與井眼形狀一致、井眼內(nèi)鉆柱和井壁之間沒(méi)有間隙、不考慮鉆柱的剛度、忽略斷面上剪力的影響，其他影響因素均以摩阻系數(shù)進(jìn)行衡量［7-8］。基于軟桿模型理論，增加三維井段鉆柱與井壁相對(duì)運(yùn)動(dòng)分析，將這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)摩阻的影響綜合到摩阻系數(shù)中。

2.1 鉆柱受力分析

基于軟桿模型假設(shè)，對(duì)起下鉆和滑動(dòng)鉆進(jìn)工況中位于三維扭方位井段的鉆柱微元段進(jìn)行受力分析，如圖2所示。Nf為井壁對(duì)鉆柱的支持力，在三維扭方位井段鉆柱會(huì)受到由于方位角改變而造成的力Nb，其方向與重力方向垂直，Ng和Na的方向與重力一致，鉆柱在這種受力情況下不會(huì)穩(wěn)定在井壁最低側(cè)，而是會(huì)有沿著Nb方向挫動(dòng)的趨勢(shì)，當(dāng)鉆柱產(chǎn)生這個(gè)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，會(huì)受到Nb反方向的靜摩擦力F，而Nb大于F時(shí)則鉆柱開(kāi)始沿著井壁運(yùn)動(dòng)。

圖2 鉆柱微元受力分析Fig.2 Analysis of micro-force upon drill string

如圖3所示，當(dāng)鉆柱移動(dòng)至受力平衡點(diǎn)時(shí)，鉆柱相對(duì)井壁靜止，且沒(méi)有沿井壁的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，鉆柱與井壁的接觸點(diǎn)由A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)，此時(shí)Nf與重力方向的夾角為β，根據(jù)受力分析可知

圖3 鉆柱微元挫動(dòng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of micro-shifting of drill string

式中，Ng為鉆柱浮重在井斜平面上的側(cè)向正壓力，N；Nb為由于方位角的改變?cè)斐稍诜轿黄矫嫔系膫?cè)向正壓力，N；Na為由于井斜角的改變?cè)斐傻膫?cè)向正壓力，N；W為鉆柱微元段浮重，N；ΔL為微元段的長(zhǎng)度，m；α為微元段的井斜角，rad；FL為微元段受到的軸向力，N； Δ φ為微元段上下兩部分的方位角差，rad；Δα為微元段上下兩部分的井斜角差，rad；LAB為AB之間的圓弧長(zhǎng)，m；D為井眼直徑，m。

由受力分析可知，在受拉和受壓狀態(tài)下鉆柱挫動(dòng)的方向相反，由于三維扭方位井段鉆柱在各種工況下受到的軸向力方向和大小是變化的，這就造成鉆柱沿井壁往復(fù)挫動(dòng)。如圖4所示，在不考慮巖屑沉積的情況下，受壓狀態(tài)時(shí)鉆柱與井壁的接觸點(diǎn)由A移動(dòng)至B1，受拉狀態(tài)下鉆柱與井壁的接觸點(diǎn)則由A移動(dòng)至B2，二維井段中鉆柱微元與井壁的接觸為AA′線接觸，而在三維井段中鉆柱微元與井壁的接觸為B1B1′B2′B2面接觸，接觸面積S0為

圖4 鉆柱微元相對(duì)井壁運(yùn)動(dòng)切向和軸向示意圖Fig.4 Tangential and axial diagram of micro-drilling-string motion relative to borehole wall

面接觸所產(chǎn)生的摩擦阻力大于線接觸，因此使用軟桿模型在計(jì)算摩阻扭矩時(shí)，應(yīng)考慮三維井眼的摩阻系數(shù)比二維井眼摩阻系數(shù)要更大。實(shí)鉆過(guò)程中造斜段下井壁必然會(huì)有巖屑沉積，如按鉆柱吃入巖屑床高度H計(jì)算，二維井段鉆柱微元與巖屑的接觸面積S1為

式中，S0為三維井段中鉆柱微元與井壁的接觸面積，m2；S1為二維井段鉆柱微元與巖屑的接觸面積，m2；H為鉆柱吃入巖屑床高度，m。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)以上受力分析，通過(guò)式(4)、式(5)可計(jì)算三維井段內(nèi)鉆柱挫動(dòng)角度及弧度，通過(guò)式(6)可計(jì)算三維井段鉆柱與井壁的接觸面積。以?215.9 mm井眼三維扭方位井段中?127 mm鉆桿為例進(jìn)行計(jì)算，鉆井液密度為1.5 g/cm3，分別以井斜角、軸向力、方位變化率為變量，得到三維井段內(nèi)鉆柱相對(duì)井壁的挫動(dòng)角度，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 三維井段鉆柱相對(duì)井壁的挫動(dòng)角度Table 1 Shifting angle of drill string relative to borehole wall in 3D well section

由計(jì)算結(jié)果可知，鉆柱相對(duì)井壁的挫動(dòng)角度與井斜角、方位變化率、軸向力均成正相關(guān)。挫動(dòng)角度越大，鉆柱與井壁接觸面積越大。在軌道設(shè)計(jì)中選擇在井斜角較小的井段進(jìn)行扭方位、在上部井段進(jìn)行扭方位、降低方位變化率均可減小三維井段鉆柱與井壁的接觸面積。

根據(jù)式(6)、式(7)計(jì)算在井斜角70°、方位變化率6(°) /30 m、不同軸向力條件下0.1 m長(zhǎng)度鉆柱與井壁的接觸面積，將三維井段鉆柱與井壁接觸面積等效為二維井段鉆柱吃入巖屑床深度，來(lái)評(píng)價(jià)挫動(dòng)對(duì)摩阻的影響，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。隨著巖屑床高度增加，摩擦因數(shù)會(huì)相應(yīng)增加，鉆柱受到的摩阻力增大則井下出現(xiàn)復(fù)雜情況的概率增大［9-10］，可采用技術(shù)套管封固三維扭矩方位井段和提高鉆井液潤(rùn)滑性等方法［11］，以減小該井段摩擦因數(shù)，降低鉆柱摩阻，增大水平段延伸長(zhǎng)度。

表2 鉆柱與井壁接觸面積與等效巖屑床高度Table 2 Equivalent cutting bed height and the contact area between drill string and borehole wall

3 施工實(shí)例分析

ZP23-P1井為致密油平臺(tái)的三維水平井，設(shè)計(jì)井深為3 713 m，井眼軌跡數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。該井采用3層套管的井身結(jié)構(gòu)，技術(shù)套管外徑244.5 mm，下深1 526 m；三開(kāi)采用水基鉆井液體系，水平段鉆具組合：?215.90 mm PDC鉆頭×0.35 m+?172.0 mm螺桿×8.08 m+?214.0 mm螺旋扶正器×1.0 m+?172.0 mm LWD×9.37 m + ?172.0 mm 無(wú)磁鉆鋌×9.33 m +?127.0 mm加重鉆桿× 65.16 m + ?127.0 mm鉆桿×1 991.15 m+?127.0 mm加重鉆桿×226.09 m +?127.0 mm鉆桿。該井在三開(kāi)鉆進(jìn)至3 070 m時(shí)，機(jī)械鉆速為4.74 m/h，鉆壓100～150 kN，鉆井液排量35 L/s。大慶地區(qū)致密油水平井水平段機(jī)械鉆速一般達(dá)到10 m/h以上［12］，該鉆速情況異常。出現(xiàn)鉆速過(guò)低的異常情況后，進(jìn)行劃眼、倒劃眼，提升鉆井泵排量，稠漿舉砂等措施，沒(méi)有大量巖屑返出。起鉆檢查鉆頭磨損正常，分析原因?yàn)榫勰ψ柽^(guò)大托壓導(dǎo)致的鉆速過(guò)低，為防止井下復(fù)雜情況的發(fā)生進(jìn)行通井作業(yè)后再繼續(xù)鉆進(jìn)。下鉆通井過(guò)程中出現(xiàn)困難，在下鉆至2 100～2 500 m井段下放遇阻、上提遇卡，需開(kāi)泵配合頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)下放鉆柱。通井后鉆進(jìn)速度仍未改善，根據(jù)油藏需求調(diào)整軌跡找層后機(jī)械鉆速進(jìn)一步下降，鉆至3 392 m時(shí)，機(jī)械鉆速僅為0.87 m/h。由于水平段油層顯示較差，該井提前完鉆。

表3 ZP23-P1井軌道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)Table 3 Trajectory design data for Well ZP23-P1

使用Landmark軟件對(duì)該井鉆柱摩阻進(jìn)行計(jì)算，采用水基鉆井液的情況下，常規(guī)水平井裸眼段摩阻系數(shù)為0.3，本井在摩阻系數(shù)為0.3時(shí)計(jì)算結(jié)果顯示下鉆及滑動(dòng)鉆進(jìn)皆不會(huì)發(fā)生遇阻，摩阻系數(shù)在0.4～0.55之間進(jìn)行計(jì)算，則相繼出現(xiàn)鉆柱螺旋屈曲、鉆柱鎖死的情況，與本井所遇復(fù)雜吻合。通井遇阻井段為三維扭方位裸眼井段，在井眼清潔的前提下該井段仍會(huì)出現(xiàn)高摩阻的情況，整體摩阻系數(shù)增加30%以上，推薦致密油三維水平井使用油基鉆井液和降摩減阻工具，以降低摩阻系數(shù)。

4 結(jié)論

(1)平臺(tái)水平井增加了鉆井難度，在鉆井設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)充分考慮井口偏移度，優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)和井眼軌道設(shè)計(jì)，以保證現(xiàn)場(chǎng)順利施工。

(2)分析了三維扭方位井段鉆柱與井壁的接觸形式，在該井段鉆柱的挫動(dòng)會(huì)增加與井壁的接觸面積，鉆柱的受力比二維水平井復(fù)雜，三維扭方位井段是限制平臺(tái)水平井延伸長(zhǎng)度的最關(guān)鍵井段。

(3)大慶致密油三維水平井采用水基鉆井液摩阻系數(shù)達(dá)到0.4以上，建議扭方位角度較大的水平井使用油基鉆井液和降摩減阻工具等方式，降低整體摩阻系數(shù)，減小施工難度。