基于鉆井節(jié)能減排的井眼尺寸精細(xì)優(yōu)化與試驗(yàn)

王俊海WANG Jun-hai；王武WANG Wu；孫亞平SUN Ya-ping

（①川慶鉆探公司長(zhǎng)慶鉆井總公司，西安 710018；②川慶鉆探公司長(zhǎng)慶監(jiān)督公司，西安 710018）

0 引言

降低鉆完井成本是低滲透、致密油氣藏有效開(kāi)發(fā)的長(zhǎng)期現(xiàn)實(shí)需求，長(zhǎng)慶致密油氣藏開(kāi)發(fā)中通過(guò)簡(jiǎn)化井身結(jié)構(gòu)、“四合一”鉆具、CQSP 系列鉆井液等特色技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鉆井速度大幅度提高，有效支撐了致密油氣藏經(jīng)濟(jì)效益開(kāi)發(fā)，同時(shí)隨著這些鉆井提速技術(shù)的成熟應(yīng)用，迫切需要挖掘新的規(guī)模提速增長(zhǎng)點(diǎn)，同時(shí)隨著國(guó)家低碳環(huán)保戰(zhàn)略需求，在能源開(kāi)發(fā)過(guò)程的節(jié)能減排顯得尤為重要，為此，筆者通過(guò)分析井眼尺寸與機(jī)械鉆速、破巖能耗、鉆井液鉆屑排放量的關(guān)系，在長(zhǎng)慶致密油氣井現(xiàn)行井身結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了井眼尺寸精細(xì)優(yōu)化系列方案，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提速降耗減排效果。

1 井眼尺寸相關(guān)因素分析

1.1 井眼尺寸與鉆井效率的關(guān)系

井眼尺寸與鉆井效率的關(guān)系可以從兩個(gè)方面說(shuō)明：一是與機(jī)械鉆速的關(guān)系。根據(jù)PDC 鉆速方程[1]式（1）可知，同一地層、相同鉆壓及水功率及鉆頭切削單元設(shè)計(jì)相同的情況下，鉆頭直徑與機(jī)械鉆速成反比關(guān)系，減少鉆頭尺寸有利于機(jī)械鉆速提高；二是單只鉆頭進(jìn)尺的關(guān)系。相同轉(zhuǎn)速下，鉆頭尺寸越大，肩部切削齒線速度越大，在均質(zhì)地層鉆進(jìn)，肩部切削齒磨損快，在含礫層鉆進(jìn)易損壞切削齒。因此，減少鉆頭尺寸可以減緩鉆頭磨損或沖擊損壞。如常用Φ241.3 鉆頭與Φ215.9 鉆頭對(duì)比，肩部切削齒線速度增加11%，Φ241.3 鉆頭以70rpm 的轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)100h，相當(dāng)于Φ215.9 鉆頭以同樣轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)111h。井眼尺寸從Φ215.9 優(yōu)化為Φ206 后，鉆頭肩部線速度降低4.4%，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，PDC 鉆頭穿越礫石層能力明顯增強(qiáng)。

式中：Wf為鉆頭磨損系數(shù)；W 為鉆壓，kN；Nb為鉆頭轉(zhuǎn)速，rpm；Cs為巖石抗壓強(qiáng)度，MPa；Db為鉆頭直徑，mm；α為PDC 鉆頭切削片后傾角，°；θ 為PDC 鉆頭的切削片側(cè)傾角，°。

1.2 井眼尺寸與破巖能耗的關(guān)系

井眼尺寸與破巖能耗的關(guān)系從兩個(gè)方面分析：一是井眼尺寸減少，機(jī)械破巖功率降低。應(yīng)用轉(zhuǎn)速-扭矩計(jì)算機(jī)械破巖功率式（2）計(jì)算知，在比鉆壓、轉(zhuǎn)速相同的情況下，Φ206 井眼較Φ222 井眼，機(jī)械破巖功率減少8.57%。二是井眼尺寸減小，相同攜巖環(huán)空返速下，鉆井泵功率大幅降低。以鉆進(jìn)3000m 井深，四合一鉆具鉆進(jìn)，Φ206 井眼較Φ222 井眼實(shí)際消耗泵功率減少99kW，降低29.5%（表1）。

表1 3000m 井深環(huán)空返速1.2m/s 不同井眼實(shí)鉆水功率對(duì)比

式中：P 為鉆頭破巖機(jī)械功率，kW；W 為鉆壓，N；d 為鉆頭直徑，m；n 為轉(zhuǎn)速，rpm；μ 為滑動(dòng)摩擦系數(shù)，通常PDC鉆頭取0.8。

1.3 井眼尺寸與鉆井液及鉆屑排放量的關(guān)系

井眼尺寸減少，消耗的鉆井液量及產(chǎn)生的鉆屑量減少，按照鉆屑量理論計(jì)算式（3）、（4）、（5）計(jì)算，井眼尺寸由Φ222.3 減小為Φ206，單井2000m 井段減少鉆井液及鉆屑排放22m3，減少14%；由Φ241.3 減小為Φ228，單井3000m 井段減少鉆井液及鉆屑排放30m3，減少11%（表2），規(guī)模應(yīng)用后減排更加突顯。

表2 不同井眼尺寸每米進(jìn)尺鉆屑、廢棄鉆井液排放量計(jì)算表

式中：Vs每米進(jìn)尺鉆屑體積，m3；D-井眼尺寸，m；φ-地層空隙率，一般取3%；k-井眼擴(kuò)大率，水基鉆井眼通常取20%；ρg為鉆屑密度，kg/m3；Ms鉆屑質(zhì)量，kg；My廢棄鉆井液質(zhì)量，kg；α 鉆屑中基液質(zhì)量滯留率，通常水基鉆井液取25%。

2 井眼尺寸優(yōu)化需要考慮的因素

2.1 井眼尺寸變化對(duì)固井質(zhì)量的影響

國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的套管及鉆頭尺寸已標(biāo)準(zhǔn)系列化，套管與其相應(yīng)井眼的尺寸配合基本確定或在較小的范圍內(nèi)變化，間隙過(guò)大，增加了鉆井成本，間隙過(guò)小，將影響套管的順利下入和注水泥質(zhì)量，下套管容易產(chǎn)生較大的壓力激動(dòng)而造成井漏。固井對(duì)套管與井眼間隙的要求包括三個(gè)方面：一是避免形成水泥橋的最小間隙。美國(guó)的幾家固井公司建議套管的最小環(huán)隙為9.5～12.7mm，最好為19mm；二是頂替效率與環(huán)隙的關(guān)系，研究表明，在直井段，11mm 的環(huán)空間隙內(nèi)仍可以獲得界面膠結(jié)較好的水泥環(huán)；三是水泥環(huán)強(qiáng)度與間隙的關(guān)系，研究資料表明，19mm 的環(huán)空間隙可以保證水泥漿的充分水化和有足夠的水泥環(huán)強(qiáng)度，要達(dá)到要求的水泥環(huán)強(qiáng)度，管子每邊最小的環(huán)空間隙為9.5～12.7mm。

2.2 井眼尺寸變化對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響

Hoek 和Brown 提出一個(gè)井眼尺寸效應(yīng)的模型，利用Hoek-Brown 方程推導(dǎo)出坍塌壓力、破裂壓力與井眼直徑的定量關(guān)系[2]，研究表明井眼尺寸越小，其對(duì)應(yīng)的坍塌壓力越小而破裂壓力值越大，小井眼鉆遇地層的安全泥漿密度窗口比常規(guī)井眼安全泥漿密度窗口寬，井眼尺寸越小，井壁穩(wěn)定的泥漿密度要求降低。

2.3 井眼變化對(duì)水力參數(shù)的影響

井眼縮小，排量不變，環(huán)空返速增大，環(huán)空壓耗增加，井底壓力增大，會(huì)導(dǎo)致壓漏地層，同時(shí)沖刷井壁、循環(huán)與不循環(huán)兩種工況下的井筒壓力交變，造成嚴(yán)重井塌。因此，應(yīng)根據(jù)不同井眼尺寸，確定合理的水力參數(shù)。環(huán)空壓耗隨著環(huán)空返速增加而增加，尤其當(dāng)環(huán)空返速達(dá)到紊流臨界返速（式（6））以上時(shí)，隨返速增加，壓耗增加更快（式（7）），說(shuō)明井眼尺寸減小后環(huán)空壓耗對(duì)返速更加敏感。對(duì)于直井、小位移定向井，根據(jù)垂直流動(dòng)固液二相流模型，將環(huán)空壓耗和巖屑濃度形成的井底壓力最小時(shí)的返速確定為最優(yōu)返速。

臨界返速：

紊流條件下環(huán)空壓耗：

Vs—固體顆粒的沉降末速，m/s。

dh、dp—分別為巖屑、井眼、鉆桿直徑，cm；ρm—鉆井液密度，g/cm3；巖屑密度ρs（g/cm3）；Va—環(huán)空返速，m/s；K′—速度修正系數(shù)（紊流取1），ΔPh—循環(huán)壓耗，kg/cm2，μp—塑性粘度，泊，τ0—?jiǎng)忧辛?，dy/cm2；f—摩阻系數(shù)；巖屑沉降末速Vs（m/s）；最優(yōu)上返速度V（m/s）；最優(yōu)排量Q優(yōu)（l/s）。

圖1 不同返速下206 和222 井眼環(huán)空壓耗對(duì)比

依據(jù)上式計(jì)算，可確定直井、定向井不同井眼最優(yōu)排量。如Φ206 直井、定向井使用1.05g/cm3、塑性粘度為23mpas 的鉆井液，機(jī)械鉆速20m/h 的情況下，最優(yōu)鉆進(jìn)排量應(yīng)為24.2L/s。（表3）

表3 20m/h 機(jī)械鉆速下不同井眼最優(yōu)返速

表4 頁(yè)巖油Φ139.7 生產(chǎn)套管串與井眼間隙計(jì)算對(duì)比表

2.4 井眼與套管間隙變化對(duì)井筒安全的影響

套管井眼間隙對(duì)井底最大波動(dòng)壓力有顯著的影響。間隙越小，波動(dòng)壓力越大。在套管尺寸一定的情況下，井眼尺寸越小，套管與井眼的間隙越小，同樣的管具下入速度而造成的井底波動(dòng)壓力越大。當(dāng)套管下入速度由0.05m/s 增加到0.5m/s 時(shí)，井底最大波動(dòng)壓力從1.72MPa 增加到7.03MPa[3]。這說(shuō)明在給定的套管與井眼間隙條件下，套管下人速度對(duì)最大井底波動(dòng)壓力的影響大。因此，應(yīng)根據(jù)套管與井眼間隙確定最大下套管速度，井眼間隙減小后，應(yīng)降低下套管速度，尤其對(duì)于承壓能力低的區(qū)域更要重視波動(dòng)壓力的影響。

2.5 井眼尺寸優(yōu)化處理井下故障工具配選

按照行業(yè)貫例，打撈工具配選遵循的原則是：套銑管與井眼間隙12.7～35mm；落魚(yú)與銑管間隙最小3.2mm；裸眼中打撈撈筒外徑應(yīng)小于井眼20mm 以上；在套管中打撈撈筒外徑應(yīng)小于套管6mm 以上；卡瓦內(nèi)徑應(yīng)小于魚(yú)頭外徑1-2mm；母錐外徑要小于鉆頭直徑10-20mm。井眼尺寸改變后，井筒環(huán)空間隙減小，對(duì)井下事故處理工具的選擇增加了難度，應(yīng)高度重視井下事故預(yù)防。

3 長(zhǎng)慶致密油（頁(yè)巖）氣井眼尺寸優(yōu)化方案推薦

3.1 Φ139.7mm 生產(chǎn)套管匹配井眼尺寸優(yōu)化

按照本文2.1 所述套管與井眼間隙范圍取值要求，長(zhǎng)慶頁(yè)巖油51/2″套管匹配Φ200 及以上尺寸井眼套管環(huán)空間隙均超過(guò)19mm 最佳間隙，在現(xiàn)行Φ215.9mm 基礎(chǔ)上適當(dāng)縮小井眼尺寸不會(huì)影響固井質(zhì)量。主要考慮套管的安全下入，井漏復(fù)雜突出、井深超過(guò)2500m 的采用分級(jí)固井，優(yōu)選Φ212.7 井眼，陜北區(qū)域選用Φ206 井眼。

3.2 Φ177.8mm 技術(shù)套管匹配井眼尺寸優(yōu)化

國(guó)內(nèi)外使用過(guò)的套管與鉆頭配合系列中，Φ177.8 套管適應(yīng)井眼范圍Φ212.725～Φ250.825。從表5 可看出，對(duì)于現(xiàn)行API 標(biāo)準(zhǔn)的Φ177.8 套管應(yīng)采用Φ222.3 及以上井眼，采用分級(jí)固井段應(yīng)選擇Φ228 及以上井眼。

表5 致密氣Φ177.8 技術(shù)套管串與井眼間隙計(jì)算對(duì)比

3.3 Φ339.7mm 套管匹配井眼尺寸優(yōu)化

國(guó)內(nèi)外使用過(guò)的套管與鉆頭配合系列中，Φ339.7 套管曾使用的井眼范圍Φ374.7-Φ444.5。從表6 可看出，對(duì)于現(xiàn)行API 標(biāo)準(zhǔn)的Φ339.7 套管采用Φ406.4 井眼有利于提高鉆井速度。

表6 Φ339.7 套管串與井眼間隙計(jì)算對(duì)比

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

陜北油井水平井二開(kāi)將Ф216 優(yōu)化為Ф206，應(yīng)用45口井，同比機(jī)械鉆速提高5.17%；蘇里格區(qū)塊水平井直井段試驗(yàn)Ф228 井眼替代Ф241.3 井眼，應(yīng)用10 口井，機(jī)械鉆速提高8.39%。（表7）

表7 井眼尺寸優(yōu)化試驗(yàn)指標(biāo)對(duì)比

5 結(jié)論

①精細(xì)優(yōu)化井眼尺寸在提速、降耗、減排等方面具有優(yōu)勢(shì)。相同鉆井參數(shù)條件下，減少鉆頭尺寸有利于提高機(jī)械鉆速、減緩鉆頭磨損、降低沖擊破壞，從而增加單只鉆頭進(jìn)尺。減小井眼尺寸可以降低破巖機(jī)械功率，在滿足相同環(huán)空返速要求下，可以大幅降低鉆井泵功率。②井眼尺寸優(yōu)化需要考慮井眼尺寸與井壁穩(wěn)定、固井質(zhì)量、下套管及井下故障處理等方面的影響。固井對(duì)套管與井眼間隙的要求是最小環(huán)隙為11mm～19mm 的環(huán)空間隙，如此可以保證水泥漿的充分水化和有足夠的水泥環(huán)強(qiáng)度。③Φ139.7mm生產(chǎn)套管匹配Φ200-Φ216 井眼、Φ177.8 套管匹配Φ222.3-Φ241 井眼，Φ339.7 套管采用Φ406.4 井眼，套管環(huán)空間隙均滿足固井質(zhì)量要求，采取井眼尺寸范圍下限可實(shí)現(xiàn)提速降耗減排。