吐哈盆地中深水平井延伸能力分析與應(yīng)用

班 和，趙 濤，葉國棟，趙久平，和亞舟

（1.吐哈油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆吐魯番 838200；2.吐哈油田分公司鄯善采油管理區(qū)，新疆吐魯番 838200）

近年隨著該區(qū)塊油氣資源勘探的不斷深入，水平井技術(shù)在吐哈油田勝北區(qū)塊的優(yōu)勢愈發(fā)凸顯，但區(qū)塊內(nèi)油層埋深大，深層水平井造斜點(diǎn)深，造斜率偏大，已完鉆水平井水平段長在700～1000m，均未達(dá)到設(shè)計(jì)要求；井眼軌跡控制難度大，裸眼段長在1000～2000m，井眼粗糙不規(guī)則，造成活動(dòng)鉆具與起下鉆摩阻增大。由于地質(zhì)資料存在較大不確定性，在鉆進(jìn)過程中要根據(jù)地質(zhì)導(dǎo)向的需求，需要不斷地對水平段軌跡進(jìn)行調(diào)整，增加了井眼軌跡的復(fù)雜程度，對提高水平段的延伸長度及油藏的綜合效益開發(fā)產(chǎn)生一定的影響。

本文基于鉆柱力學(xué)模型的方法，結(jié)合目前吐哈油田勝北區(qū)塊已鉆水平井造斜率、水平段長等因素與勝北深層水平井特點(diǎn)，對三開造斜段、水平段的摩阻與扭矩進(jìn)行了建模分析；同時(shí)，還通過分析地層承壓、鉆桿安全系數(shù)、井眼清潔、鉆壓等影響水平段延伸的因素，提出了針對該區(qū)塊水平段延伸的技術(shù)措施。

1 水平段延伸能力影響因素分析

1.1 摩阻扭矩計(jì)算模型

針對鉆具在井下的摩阻與扭矩的研究，當(dāng)前在世界范圍內(nèi)已經(jīng)開展了與鉆柱摩阻扭矩模型相關(guān)的計(jì)算以及建立，相關(guān)方面的專家學(xué)者開展了大量的研究。在世界范圍內(nèi)相關(guān)的專家在1984年完成定向井摩阻扭矩模型的計(jì)算和創(chuàng)建，該模型的創(chuàng)建主要基于Johansick 研究出的軟桿模型[2]。現(xiàn)有的摩阻扭矩模型，主要有軟桿模型和剛桿模型兩大類。深層水平井具有深層井和水平井的雙重特征，易受鉆井裝備和工藝條件的制約，由于井眼尺寸小，所使用的鉆柱尺寸小，剛度不大，鉆柱橫截面上產(chǎn)生的剪切力較小，因此現(xiàn)場側(cè)鉆造斜段施工較符合軟桿模型的假設(shè)條件[3-5]。

假定在井下幾千米位置，在形狀方面井眼軌跡和鉆柱軸線是完全一致的，都屬于細(xì)長彈性體，經(jīng)離散之后鉆柱會(huì)從整體上變?yōu)槲卧危汇@柱單位長度、摩擦因數(shù)以及重量完全一致的井段屬于同一鉆柱單元[6-7]。方位角以及井斜角都會(huì)導(dǎo)致鉆柱中軸向載荷發(fā)生改變。取一段長為dl的微元段，受力分析見圖1。

圖1 柱微元段受力解析

對單元為i 的鉆柱進(jìn)行受力分析，由圖1可推導(dǎo)出以下計(jì)算模型[8]：

式中：Ti+1——第i鉆柱單元上端的軸向應(yīng)力，下端代表的是第i鉆柱單元下端的軸向應(yīng)力，N；

Mi+1——第i鉆柱單元上端的扭矩；

Mi——第i鉆柱單元下端的扭矩，N·m；

Ni——第i鉆柱單元與井壁的接觸正壓力,N；

μ——滑動(dòng)摩擦系數(shù)；

r——鉆桿半徑，m；

Wg——單位長度鉆柱浮重,N；

F——阻力，N；

α——平均井斜角；

Δα——井斜角增量；

Δφ——方位角增量，鉆柱的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)橄蛏蠒r(shí)，取“+”，向下運(yùn)動(dòng)時(shí)取“-”。

對摩擦阻力產(chǎn)生干擾的因素主要包括鉆柱的側(cè)向正壓力以及摩擦阻力系數(shù)兩個(gè)。干擾到摩擦阻力系數(shù)的因素相對更多，通常情況下都選擇應(yīng)用以區(qū)塊鄰井鉆井?dāng)?shù)據(jù)作為依據(jù)進(jìn)行反演獲得經(jīng)驗(yàn)值的方式[9]。參考勝北區(qū)塊已鉆水平井造斜段與水平段鉆具組合、摩阻數(shù)據(jù)，同時(shí)考慮到鉆柱剛性的影響，對原有軟桿模型進(jìn)行修正，引入附加剛性力Ng。

式中：EI——鉆桿的抗彎剛度；

K——井眼曲率，(°)/30m；

L——提供剛性壓力的鉆具長度，m；

ΔD——井眼環(huán)空間隙，m。

對于部分水平段以及造斜段，由于鉆具剛性和井眼曲率存在較大改變，因此需要將鉆柱剛性產(chǎn)生的影響考慮在內(nèi)，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)選擇應(yīng)用修正的軟桿模型完成，直井段采用軟桿模型進(jìn)行計(jì)算，為了將計(jì)算精度進(jìn)行提高，要求和在施工現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)際測量的扭矩以及大鉤載荷進(jìn)行對比分析。

1.2 地層承壓能力

在鉆進(jìn)時(shí)，相較于地層破裂壓力而言，鉆井液的當(dāng)量密度(EDC)需要保持更小的水平，相反就會(huì)導(dǎo)致地層被壓破，出現(xiàn)井漏等復(fù)雜度更高的事故[10]。由于勝北區(qū)塊目的層存在井壁坍塌的風(fēng)險(xiǎn)，地層安全密度窗口窄，且伴隨有滲漏現(xiàn)象[11]，隨著水平井井深的增加，還需要將漏失以及坍塌壓力對鉆井液當(dāng)量密度產(chǎn)生的干擾考慮在內(nèi)。所以，鉆井液當(dāng)量密度應(yīng)滿足以下條件：

式中：ρp——地層孔隙壓力當(dāng)量密度，g/cm3;

ρm——鉆井液當(dāng)量密度，g/cm3；

Cr——鉆屑百分比，%；

ΔP——循環(huán)壓耗，MPa；

H——井深，m；

ρt——地層破裂壓力當(dāng)量密度，g/cm3。

1.3 鉆桿安全系數(shù)

在鉆進(jìn)過程中，如果相較于工程標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的安全系數(shù)的限定值而言，鉆桿的抗拉安全系數(shù)更小的情況下，鉆具就有可能失效，甚至是鉆具扭斷，導(dǎo)致井下事故。所以，在水平段延伸的過程中，有必要對鉆具的抗拉安全系數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)。根據(jù)《鉆井手冊》中提供的鉆桿最大抗拉載荷[12]，可推導(dǎo)出抗拉安全系數(shù)Fs：

式中：Te——鉆桿屈服強(qiáng)度，daN；

LDP——鉆桿長度，m；

K——浮力因數(shù)。

1.4 井眼清潔影響

隨著水平位移的不斷增大，巖屑的堆積開始影響扭矩和摩擦阻力，而且這種影響作用越來越明顯。井斜角、鉆井液排量與轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速等都屬于對井眼清潔產(chǎn)生干擾的主要因素[13]。常規(guī)水平井鉆進(jìn)施工中，認(rèn)為井斜角在不小于50°時(shí)，最容易形成巖屑床，出于對以上因素產(chǎn)生干擾的規(guī)律進(jìn)行研究的目的，選擇應(yīng)用軟件Landmark 進(jìn)行模擬仿真。在勝北區(qū)塊水平段鉆進(jìn)時(shí)，井斜角均在80°以上，且鉆具組合多采用LWD+螺桿動(dòng)力鉆具，所以假定井斜角為80°，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為60r/min，鉆井液塑動(dòng)比為0.5，得出以下巖屑床厚度、懸浮鉆井液濃度與鉆井液排量的關(guān)系圖，見圖2。

從圖中可以看出，巖屑床厚度與鉆井液排量密切相關(guān)，提高鉆井液排量，可以有效降低巖屑床厚度，緩解井眼的清潔狀況。

1.5 鉆壓影響因素

鉆井在對水平井延伸能力產(chǎn)生影響時(shí)主要間接性借助于對其摩擦阻力產(chǎn)生影響實(shí)現(xiàn)。對于其井段的下部分而言，摩擦阻力太大時(shí)會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)自鎖，因此鉆壓傳到井底就會(huì)比較困難，水平段延伸就會(huì)受到約束[14]。根據(jù)所鉆地層的情況，選擇合適的鉆壓可以增加鉆壓的傳遞效率，提高機(jī)械鉆速，有利于水平段的延伸。

根據(jù)鉆井理論可以得出，鉆壓增大到一個(gè)臨界值時(shí)，鉆具會(huì)發(fā)生屈曲變形[15]，鉆具與井壁的接觸面積增大，從而增加鉆具與井壁間的摩阻。當(dāng)屈曲變形小時(shí)，鉆壓還可以部分傳遞至鉆頭，但是如果鉆具屈曲為螺旋狀態(tài)的情況下，鉆壓傳遞到鉆頭就會(huì)比較困難，嚴(yán)重影響鉆進(jìn)施工。因此，合理地選擇鉆壓，控制鉆具的屈曲狀態(tài)，是影響水平井水平段延伸至關(guān)重要的一個(gè)因素（如圖3所示）。

2 實(shí)例計(jì)算與應(yīng)用

2.1 勝北5s13-1H井概況

勝北5s13-1H是一口部署在吐哈油田勝北區(qū)塊的開發(fā)水平井，在之前同區(qū)塊鄰井鉆進(jìn)施工時(shí)，位于上部地層的侏羅系七克臺(tái)組曾遇到高壓異常段，發(fā)生不同程度的井涌、水侵現(xiàn)象，根據(jù)前期鉆井資料及導(dǎo)眼井測井解釋，優(yōu)選三層套管結(jié)構(gòu)，具體井身結(jié)構(gòu)見表1。

在三開進(jìn)入造斜段與水平井段鉆進(jìn)，由于油氣層起伏不定，軌跡調(diào)整頻繁，起下時(shí)鉆具摩阻異常增大，通過前期對造斜段與水平段摩阻、扭矩、地層承壓、井眼巖屑濃度的模擬計(jì)算，和對鉆具組合進(jìn)一步優(yōu)化完善，將鉆井參數(shù)控制在合理范圍之內(nèi)，最終順利完鉆，水平段長829m。

2.2 摩阻、扭矩實(shí)鉆分析

根據(jù)勝北5s13-1H 井水平段鉆進(jìn)時(shí)的實(shí)際情況，對在井斜角35°以上的井段采用軟桿模型計(jì)算模擬；下部井段鉆具多以鉆桿和加重鉆桿為主，考慮到加重鉆桿的剛性影響，采用如下鉆井參數(shù)：鉆壓80kN，轉(zhuǎn)數(shù)55r/min，鉆頭扭矩2.5kN·m，鉆井液密度1.53g/cm3，套管摩擦系數(shù)0.2，裸眼段摩擦系數(shù)0.3，起下鉆時(shí)鉆具運(yùn)動(dòng)速度為0.15m/s，修正軟桿模型進(jìn)行模擬計(jì)算，在施工前通過Landmark 軟件進(jìn)行實(shí)鉆推演，得出圖4 與圖5中的計(jì)算數(shù)據(jù)。

圖4 鉆進(jìn)時(shí)計(jì)算扭矩與實(shí)鉆扭矩對比

圖5 起下鉆時(shí)鉤載計(jì)算與實(shí)測對比

在鉆壓與頂驅(qū)轉(zhuǎn)速一致的情況下，測得實(shí)際扭矩和大鉤載荷與之前的模擬計(jì)算數(shù)據(jù)基本吻合，見圖4和圖5，由此說明計(jì)算模型較為準(zhǔn)確，選擇應(yīng)用套管以及裸眼摩擦阻力系數(shù)更具合理性，結(jié)合鉆機(jī)與鉆井設(shè)備的承載能力范圍，可作為對該區(qū)塊水平井水平段延伸的有力依據(jù)。

2.3 鉆井液當(dāng)量密度與地層承壓分析

取勝北5s13-1H 井現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：鉆井液當(dāng)量密度1.53g/cm3，動(dòng)切15Pa，塑性粘度58MPa·s，鉆井液屬于水基鉆井液種類，地層漏失以及地層破裂壓力當(dāng)量密度分別為1.6g/cm3、1.67g/cm3。

由圖6可以看出，鉆井液密度隨水平段的增加而增大，在4932m處達(dá)到了1.55g/cm3，雖然和地層破裂壓力當(dāng)量密度相比較而言非常小，然而已經(jīng)和地層漏失壓力當(dāng)量密度之間的差距非常小，且在此處發(fā)生了輕微滲漏，繼續(xù)延伸水平段可能會(huì)導(dǎo)致井漏等復(fù)雜情況。

圖6 鉆井液密度隨井深變化

2.4 井眼清潔狀況分析

根據(jù)上文巖屑床厚度、懸浮鉆井液濃度與鉆井液排量的關(guān)系（圖2）可知，提高排量至35L/s以上，可有效緩解巖屑床沉積。如果鉆井液排量維持不變的條件下，隨著水平段的不斷延伸循環(huán)空壓耗也會(huì)有所提高。如圖7所示，隨著水平段的伸長，循環(huán)壓耗也在隨之增大，在水平段達(dá)到800m 時(shí)，循環(huán)壓耗已接近泥漿泵的額定泵壓。

消除巖屑床，提高水平段的延伸能力，需要更大功率的鉆井液循環(huán)設(shè)備?，F(xiàn)場施工中，勝北5s13-1H 井將二開使用的F-1600型泥漿泵更換為F-1600HL型高壓泥漿泵，最大工作壓力可達(dá)到52MPa，承壓能力較之前提高了50.7%。提高排量后，配合巖屑床破壞器的作用（圖8），巖屑床厚度得到有效控制，鉆具上提下放過程中摩阻也有相應(yīng)的降低。

圖8 巖屑床破壞器

2.5 優(yōu)化鉆壓與鉆具組合

通過前期分析臨井資料，在鉆壓超過60kN，水平段超過600m后，機(jī)械鉆速明顯下降，且泵壓無起伏變化，由此判斷鉆具已發(fā)生螺旋屈曲。勝北5s13-1H井由于造斜段設(shè)計(jì)造斜率偏高（表2），在水平段施工中，為有效緩解這種情況的發(fā)生，對鉆壓與鉆具組合進(jìn)行了匹配。

表2 勝北5s13-1H井眼軌跡數(shù)據(jù)

進(jìn)入水平段后，前400m 將限定鉆壓規(guī)定至80～100kN，鉆具組合為：?216mmPDC+?172mm 螺桿（1.25°208mm 扶）+?212mm 井壁修復(fù)器（螺旋）+單流閥+?170mm LWD 電阻率無磁+?171mm 轉(zhuǎn)換接頭+?172mm 無磁鉆鋌+?170mm 限流接頭+?127mm 加重鉆桿×3根+?127mm斜坡鉆桿×21根+?172mm水力振蕩器+?127mm鉆桿×114根+?127mm加重鉆桿×27根+139.7mm斜坡鉆桿。

在剩余的429m 施工中，將限定鉆壓下降至60～80kN，同時(shí)通過調(diào)整一定比例的加重鉆桿位置，已達(dá)到緩解井下鉆具屈曲：?216mmPDC+?172mm 螺桿（1.25°208mm 扶）+?212mm 井壁修復(fù)器（螺旋）+單流閥+?170mm LWD電阻率無磁+?171mm轉(zhuǎn)換接頭+?172mm 無磁鉆鋌+?170mm 限流接頭+?127mm 加重鉆桿×12 根+?127mm 斜坡鉆桿×12 根+?172mm 水力振蕩器+?127mm鉆桿×114根+?127mm加重鉆桿×27 根+139.7mm 斜坡鉆桿。通過降低鉆壓與調(diào)整鉆具組合，該井在水平段鉆進(jìn)過程中平均機(jī)械鉆速12.57m/h，較周邊臨井提高14.61%。

3 結(jié)論

（1）由于勝北區(qū)塊的水平井在造斜段下部與水平段施工鉆進(jìn)時(shí)，摩阻與扭矩均較吐哈盆地其他區(qū)塊偏高，出于對鉆壓進(jìn)行傳遞的目的，大部分都選擇使用倒裝鉆具組合。因此，根據(jù)井眼曲率與鉆具剛性的不同，結(jié)合軟桿模型與剛桿模型的特點(diǎn)，分段選擇不同的數(shù)學(xué)模型計(jì)算，可有效提高計(jì)算預(yù)測精度。

（2）勝北區(qū)塊在鉆進(jìn)過程中，對水平段延伸產(chǎn)生約束性作用的主要因素也包括地層承壓能力。當(dāng)鉆井液密度偏低時(shí)，該區(qū)塊井壁易發(fā)生垮塌；緩慢提高鉆井液密度1～2 點(diǎn)后，鉆進(jìn)過程中易發(fā)生滲漏，因此，合理地選擇鉆井液體系與性能，同時(shí)與對應(yīng)的堵漏方式進(jìn)行配套使用，有助于地層承壓能力的提高。

（3）在起下鉆、鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)測的摩阻與扭矩等數(shù)據(jù)，對鉆具進(jìn)行安全系數(shù)計(jì)算，確保鉆具符合施工條件，保證井下施工安全。

（4）對水平段延伸起到約束性作用的重要因素中也包括鉆井循環(huán)設(shè)備的壓力的額定值。巖屑床越高，不但會(huì)對水平段的延伸產(chǎn)生較大干擾，同時(shí)對井下安全造成隱患。在對該范圍內(nèi)的水平井進(jìn)行鉆井施工的過程中，需要對鉆井液的性能進(jìn)行適度完善，改善循環(huán)設(shè)備的承壓能力，提高循環(huán)排量，盡可能緩解與消除巖屑床。