激進(jìn)鉆井技術(shù)在長慶致密油氣藏開發(fā)中的應(yīng)用

王俊海 WANG Jun-hai；程華林 CHENG Hua-lin；信偉 XIN Wei

（川慶鉆探公司長慶鉆井總公司，西安 710018）

0 引言

美國頁巖氣開發(fā)中，依靠先進(jìn)提速工具，通過強化鉆井措施，采用激進(jìn)的鉆井參數(shù)，極大提高了鉆井速度。斯倫貝謝在兩年時間內(nèi)，采用高鉆壓、高轉(zhuǎn)速、大排量，在水平段長增加400m 的情況下，平均鉆井周期從53 天縮短到28 天，幅度近50%。目前，長慶地區(qū)鉆井施工過程，由于受傳統(tǒng)鉆井參數(shù)理論認(rèn)識、井下動力鉆具性能、鉆頭損壞機(jī)理等方面的認(rèn)識限制，在鉆井參數(shù)優(yōu)化與提速工具配套方面未做深入研究，采用的鉆井參數(shù)與國外相比較為保守。通過優(yōu)選大功率螺桿、高性能鉆頭，在現(xiàn)有機(jī)泵條件下，最大限度強化鉆井參數(shù)，提高機(jī)械鉆速，實現(xiàn)致密油氣井鉆井持續(xù)提速提效。

1 激進(jìn)鉆井參數(shù)確定

1.1 排量

二十世紀(jì)九十年代國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)開展了PDC 鉆頭機(jī)械鉆速與排量的關(guān)系研究，總結(jié)出了排量與機(jī)械鉆速的關(guān)聯(lián)特性[1]，PDC 鉆頭與牙輪鉆頭相比，排量對機(jī)械鉆速的影響更明顯，排量與PDC 鉆頭鉆進(jìn)機(jī)械鉆速近乎線性增長，其原因是鉆頭結(jié)構(gòu)和破巖機(jī)埋不同，PDC 噴嘴距井底近需要較高漫流速度及時清除巖屑，避免泥包，PDC 鉆頭以刮削方式破巖，需要更大的排量冷卻復(fù)合片，需要較高漫流速度及時清除巖屑?；谶@種理論認(rèn)識，筆者在蘇里格氣田開展了大排量提速試驗，試驗使用常規(guī)轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)鉆具組合，試驗表明，215.9mm 井眼，鉆進(jìn)排量增加24%（34L/s 增加到42 L/s），七個層位機(jī)械鉆速平均提高67%，最高提高135%（圖1）。

圖1 大排量鉆進(jìn)試驗對比圖

通過現(xiàn)場試驗，結(jié)合國內(nèi)學(xué)者研究成果，在長慶致密油氣藏上部井段地層穩(wěn)定，實施激進(jìn)鉆進(jìn)排量。以機(jī)泵可長時間穩(wěn)定工作的最高泵壓為限，確定鉆進(jìn)排量，以蘇里格定向井二開為例，216mm 井眼二開起始井深700m，以穩(wěn)定工作泵壓14MPa 計算，鉆進(jìn)排量可達(dá)到55L/s，環(huán)空返速達(dá)到2.29m/s，隨著井深增加，逐步降低，3000m 井深時排量39L/s（圖2）。

圖2 恒定泵壓鉆進(jìn)排量隨井深變化

1.2 鉆壓

致密油氣藏鉆井現(xiàn)場試驗表明PDC 鉆頭的鉆速對鉆壓非常敏感，各地層鉆壓與鉆速幾乎成線性關(guān)系，但巖石強度不同，鉆速隨鉆壓變化速率也不同，軟地層更敏感，采用“PDC+螺桿”鉆具鉆進(jìn)，鉆壓上限取決于螺桿鉆具最大工作壓降，從螺桿鉆具實際工作特性可知，負(fù)荷效率最大的工況為螺桿鉆具的工作點[2]，工作點對應(yīng)的工作參數(shù)是螺桿鉆具工作的最優(yōu)參數(shù)，現(xiàn)場應(yīng)用中應(yīng)通過加壓前后泵壓增量與機(jī)械鉆速的試驗確定最大鉆壓，蘇里格某井采用“216mmPDC+172mm 螺桿”鉆具復(fù)合鉆井試驗得到：和尚溝、石盒子、石千峰地層的最大工作鉆壓為140kN，劉家溝地層最大工作鉆壓為160kN（圖3）。

圖3 機(jī)械鉆速隨鉆壓大小變化敏感性試驗曲線

1.3 轉(zhuǎn)速

在長慶致密油氣鉆井中開展了PDC 鉆頭鉆速與鉆頭轉(zhuǎn)速關(guān)聯(lián)性試驗，在不同抗壓強度地層關(guān)系表現(xiàn)不同，在延安-延長組地層抗壓強度低，隨著鉆柱轉(zhuǎn)速增大，鉆速大幅增大（圖4）?！癙DC+螺桿鉆具”復(fù)合鉆進(jìn)鉆頭轉(zhuǎn)速由螺桿轉(zhuǎn)速和鉆柱轉(zhuǎn)速疊加。劉家溝以上地層抗壓強度低，機(jī)械鉆速對轉(zhuǎn)速敏感，根據(jù)鉆機(jī)性能，鉆柱轉(zhuǎn)速提高至可以長時間穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速（80rpm 以上），同時選用高轉(zhuǎn)速螺桿，鉆頭轉(zhuǎn)速達(dá)到280rpm 以上；劉家溝以下適當(dāng)降低鉆頭轉(zhuǎn)速，提高鉆頭使用壽命。

圖4 延安組-延長組地層機(jī)械鉆速隨轉(zhuǎn)速大小變化曲線

2 激進(jìn)鉆井關(guān)鍵工具優(yōu)選配套

2.1 PDC 鉆頭分段優(yōu)選

長慶致密油氣定向井、水平井鉆井優(yōu)選PDC 鉆頭的原則是適應(yīng)激進(jìn)鉆井參數(shù)、滑動定向工具面穩(wěn)定、攻擊性強、兼顧穿含礫硬夾層耐磨性。致密油定向井、水平井“直+斜”段采用六刀翼、19mm 復(fù)合片、低密度布齒、設(shè)計深水道大排屑空間、短軸雙拋鋼體鉆頭；水平段選用中密度或高密度布齒16mm 復(fù)合片。致密氣定向井、水平井“直+糾偏”段選用IADC 代碼S423 系列鉆頭，設(shè)計六刀翼、16mm復(fù)合片、中密度布齒、深水道水力結(jié)構(gòu)、雙圓弧冠部剛體鉆頭；定向井下部井段、水平井增斜入窗井段選用IADC 代碼S323 系列鉆頭，設(shè)計五刀翼、復(fù)合切削結(jié)構(gòu)16mm 復(fù)合片、中密度布齒、深水道水力結(jié)構(gòu)、短拋物線冠部剛體鉆頭。致密氣小井眼一趟鉆工程選用非平面正角抗沖PDC鉆頭。

2.2 螺桿鉆具優(yōu)選

依據(jù)螺桿鉆具理論特性，螺桿鉆具的輸出轉(zhuǎn)速和扭矩是兩個各自獨立的參數(shù)，即：理論轉(zhuǎn)矩與馬達(dá)進(jìn)出口壓差成正比，工作扭矩與螺桿馬達(dá)壓降和結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與轉(zhuǎn)速無關(guān)。正常工作過程螺桿鉆具的轉(zhuǎn)速只與排量有關(guān)，并具有硬轉(zhuǎn)速特性，即鉆進(jìn)過程螺桿鉆具的輸出轉(zhuǎn)速基本不變，不因加大鉆壓而造成鉆頭轉(zhuǎn)速明顯下降，壓差增大工作扭矩變大。螺桿鉆具的輸出扭矩、轉(zhuǎn)速與其自身的偏心距、頭數(shù)、導(dǎo)程、級數(shù)有關(guān)，依據(jù)理論輸出扭矩、理論輸出轉(zhuǎn)速、每轉(zhuǎn)排量的決定式[3]選擇螺桿鉆具規(guī)范，其計算公式分別為公式（1）、（2）、（3）。

式中：q—螺桿每轉(zhuǎn)排量，L/r；Δp—螺桿壓降，MPa；A—為螺桿通過流體橫截面面積，m2；Dh—定子直徑，m；n—轉(zhuǎn)子頭數(shù)；T—理論輸出扭矩，kN·m；N—理論輸出轉(zhuǎn)速，rpm；Q—排量，L/s。

長慶致密油氣鉆井整體選用大功率螺桿，針對鉆井參數(shù)與機(jī)械鉆速敏感性特點，中生界三疊系以上地層鉆進(jìn)匹配高轉(zhuǎn)速、5-6 級螺桿鉆具；劉家溝以下地層，地層可鉆性差、研磨性較強，匹配中低轉(zhuǎn)速、3-4 級大導(dǎo)程大扭矩螺桿鉆具，各井型分井段螺桿鉆具選型如表1。

3 激進(jìn)鉆井參數(shù)模板建立及現(xiàn)場試驗

在鉆井參數(shù)強化相關(guān)理論認(rèn)識的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場鉆井參數(shù)敏感性試驗，根據(jù)不同鉆機(jī)類型機(jī)泵配置特點，建立了不同井型最優(yōu)鉆井參數(shù)組合模板。

致密油氣定向井“Φ311-Φ216”二開次鉆頭程序，建立激進(jìn)鉆進(jìn)參數(shù)模板（表2），油井定向井試驗124 口井，機(jī)械鉆速平均提高13.91%；氣井定向井強化參數(shù)試驗119口，機(jī)械鉆速平均提高16.26%。致密氣6-1/2″小井眼定向強化參數(shù)試驗41 口，機(jī)械鉆速平均提高15.52%。

表2 致密油氣定向井激進(jìn)鉆井參數(shù)模板

致密氣水平井采用“Φ346-Φ228-Φ152”三開次鉆頭程序，建立激進(jìn)鉆進(jìn)參數(shù)模板（表3），現(xiàn)場試驗96 口井，整體機(jī)械鉆速平均提高12.13%；228mm“直+糾偏”井眼機(jī)械鉆速平均提高14.86%；216mm 斜井段，機(jī)械鉆速平均提高10.64%；152mm 水平段，機(jī)械鉆速平均提高10.89%。

表3 致密氣水平井激進(jìn)鉆井參數(shù)模板

4 結(jié)論

①推行“大排量、大鉆壓、高轉(zhuǎn)速”激進(jìn)鉆井參數(shù)，在長慶致密油氣鉆井提速中取得顯著效果，在地層穩(wěn)定性較好的蘇里格區(qū)域劉家溝以上采用“PDC+螺桿鉆具”大排量（環(huán)空返速1.8m/s 以上）鉆進(jìn)，大幅度了提高了機(jī)械鉆速。②配套大功率螺桿鉆具、高性能PDC 鉆頭是實現(xiàn)激進(jìn)鉆井的關(guān)鍵，施工過程根據(jù)地層可鉆性分級匹配高轉(zhuǎn)速大功率螺桿、低轉(zhuǎn)速大扭矩螺桿等不同特性螺桿鉆具，可實現(xiàn)不同地層機(jī)械鉆速最大化。③實際施工過程，結(jié)合配套工具開展不同地層的鉆井參數(shù)敏感性對比試驗，優(yōu)選出達(dá)到最高機(jī)械鉆速的參數(shù)組合。