威榮深層頁巖長(zhǎng)水平段工程鉆探能力延伸極限研究

朱化蜀，王希勇，徐曉玲，郭治良，黃河淳

（1.中國石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，四川德陽 618000；2.中國石油青海油田勘探開發(fā)研究院，甘肅敦煌 736202）

隨著中國頁巖氣勘探開發(fā)步伐加快，垂深3 500 m 以淺的頁巖氣水平井鉆井配套技術(shù)趨于成熟，超長(zhǎng)水平段垂深普遍小于3 000 m，水平段長(zhǎng)平均在3 000 m，國內(nèi)最長(zhǎng)水平段紀(jì)錄為隴東華H50-7井，水平段長(zhǎng)為4 088 m[1-2]。近年來，頁巖氣的勘探開發(fā)趨向于超長(zhǎng)水平段的發(fā)展，僅中國石油川渝地區(qū)超長(zhǎng)水平段井?dāng)?shù)較2017年增長(zhǎng)4倍，超長(zhǎng)水平段水平井測(cè)試產(chǎn)量較常規(guī)水平井提高32 %～58.6 %[3-4]。隨著鉆井技術(shù)的不斷進(jìn)步，大位移水平井得到了越來越多的應(yīng)用，其最大測(cè)深也不斷創(chuàng)造出新的世界紀(jì)錄。美國日食資源公司和Utica 頁巖氣公司超長(zhǎng)水平段長(zhǎng)分別為5 652.21 m 和4 572 m，總井深分別為8 244.23 m 和9 144 m，其儲(chǔ)層垂深超過4 000 m，與國內(nèi)威榮、永川、丁山和林灘場(chǎng)龍馬溪組目的層垂深相近[5]。威榮深層頁巖氣龍馬溪儲(chǔ)層平均垂深在3 800 m，水平段普遍段長(zhǎng)為1 500 m，鉆井液密度最高達(dá)到2.25 g/cm3。高密度下深層頁巖氣超長(zhǎng)水平井面臨管柱下入摩阻大、泵壓高、易井漏和井壁失穩(wěn)，大位移水平井延伸能力有多強(qiáng)，已經(jīng)成為人們普遍關(guān)心的核心問題。超長(zhǎng)水平井的裸眼延伸極限主要與環(huán)空壓耗和地層破裂壓力等因素有關(guān)，不同的鉆井液流變模式又會(huì)對(duì)環(huán)空壓耗的描述產(chǎn)生較大的影響，高德利[6]建立了水平鉆井裸眼延伸極限的預(yù)測(cè)模型及綜合評(píng)估方法；李鑫等[7-9]建立了考慮排量影響的水平鉆井水力延伸極限的預(yù)測(cè)模型，在裸眼井段受到地層承壓能力和地面機(jī)泵條件限制下，最大井眼測(cè)深主要與井壁穩(wěn)定以及鉆井泵的性能有關(guān)；王建龍等[10-13]利用井眼軌跡控制、設(shè)備優(yōu)選，模擬大鉤載荷、扭矩、井眼清潔程度，以鉆具安全為前提分析管柱安全下入，控制鉆井參數(shù)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)寧頁巖氣超長(zhǎng)水平段長(zhǎng)達(dá)到2 556 m。首次以鉆機(jī)鉆深能力為基礎(chǔ)，利用大位移水平井的裸眼延伸極限原理，考慮地層承壓能力、地面機(jī)泵能力、鉆井液性能參數(shù)和軌跡剖面影響，定量分析深層頁巖氣水平井的延伸極限。在此基礎(chǔ)上評(píng)價(jià)了影響延伸極限的關(guān)鍵地質(zhì)工程因素，包括軌道剖面與摩阻關(guān)系、井眼曲率、鉆井液黏滯阻力、管柱下入等，以降低超長(zhǎng)水平段長(zhǎng)的影響程度為目標(biāo)，對(duì)不同井眼、不同鉆具尺寸、不同軌道剖面等提出了量化建議。

1 工區(qū)水平段井壁穩(wěn)定性分析

根據(jù)威榮頁巖氣田實(shí)鉆資料，結(jié)合測(cè)井解釋壓力剖面，從表1 可以看出，地層壓力隨深度增加而增大，陸相地層為1.00～1.30 MPa/hm，海相地層為1.30～1.90 MPa/hm。

表1 地層壓力及破裂壓力特征Table 1 Characteristics of formation pressure and fracture pressure

根據(jù)W23 井巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合該井測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)建立井壁穩(wěn)定性分析模型，設(shè)置威榮巖石力學(xué)參數(shù)、地應(yīng)力、地層壓力剖面以及測(cè)井參數(shù)，計(jì)算威榮井區(qū)地層坍塌壓力總體小于地層孔隙壓力，以地層孔隙壓力梯度為鉆井液密度下限能滿足井壁穩(wěn)定要求[14-15]。破裂壓力總體較大，呈現(xiàn)出隨深度增加逐漸減小的趨勢(shì)，近平衡鉆井安全鉆井液密度窗口較寬。當(dāng)?shù)貙訋r石完整、無裂縫時(shí)，儲(chǔ)層段坍塌壓力為1.6～1.7 MPa/hm，井斜方位影響不大；完整巖石井壁起裂壓力為2.7～3.2 MPa/hm，井斜方位影響較大，井筒或射孔孔眼偏向最大水平應(yīng)力方向時(shí)，破裂壓力較低（圖1）。

圖1 龍馬溪組儲(chǔ)層坍塌壓力及破裂壓力餅圖Fig.1 Pie chart of reservoir collapse pressure and fracture pressure of Longmaxi Formation

威榮工區(qū)儲(chǔ)層地應(yīng)力及力學(xué)參數(shù)計(jì)算坍塌壓力受裂縫影響較大（圖2）?？紤]儲(chǔ)層改造獲產(chǎn)要求，當(dāng)沿最小水平地應(yīng)力方向鉆水平井，鉆遇水平縫、低角度縫時(shí)，坍塌壓力達(dá)2.0 MPa/hm 左右；或井筒與裂縫斜交叉時(shí)，即不論裂縫傾角大小，坍塌壓力都大于1.95 MPa/hm。鉆井過程中，在高密度條件下泵壓始終保持較高的狀態(tài)，降低密度會(huì)導(dǎo)致井壁掉塊，同時(shí)危及井下安全，從而影響超長(zhǎng)水平段的延伸。

圖2 龍馬溪組裂縫產(chǎn)狀對(duì)水平井坍塌壓力影響分析Fig.2 Influence of fracture occurrence on collapse pressure of horizontal well in Longmaxi Formation

2 井眼軌道設(shè)計(jì)影響分析

2.1 剖面類型影響分析

威榮頁巖氣井工廠平臺(tái)一般采用5 段制二維剖面、8～9 段制雙二維剖面和8 段制三維剖面，使用不同剖面軌跡，摩阻大小相差很大（表2）。設(shè)計(jì)剖面類型、造斜點(diǎn)、穩(wěn)斜角的大小和造斜率的選擇引起摩阻的變化規(guī)律不同[16]。深層頁巖氣水平井從式井組通常在二開造斜，剖面類型不同，定向段長(zhǎng)度不同，特別是三維剖面大井斜強(qiáng)增方位，定向段越長(zhǎng)，摩阻越大，越不利于超長(zhǎng)水平段的延伸。從表2 可以看出，三維軌跡剖面類型井下鉆柱摩阻最大，次之為雙二維剖面和二維剖面。摩阻較小的二維和雙二維軌跡剖面更有利于超長(zhǎng)水平段的延伸。

表2 不同剖面類型摩阻大小Table 2 Friction of different profile types

2.2 井眼曲率影響分析

從深層頁巖氣井不同井眼曲率所需最短靶前距（表3）可以看出，威榮區(qū)域三維水平井靶前距大多在280～300 m，若控制井眼曲率為16～17（°）/hm，二開提前造斜負(fù)位移必須達(dá)到360 m，總井深將增加100～200 m，定向井段大幅增加。同時(shí)，造成摩阻和扭矩同比增加30%～50%，嚴(yán)重影響超長(zhǎng)水平段的延伸，且軌跡定向井段控制必須嚴(yán)格按設(shè)計(jì)軌道執(zhí)行，限制提速提效，同時(shí)增加三開防碰風(fēng)險(xiǎn)（圖3a）。

表3 不同井眼曲率下最短靶前距Table 3 Relation curve between dogleg degree and shortest target distance

若地質(zhì)提前10～15 m，井斜沒有增至有效角度，為了保證地質(zhì)中靶，填井側(cè)鉆的風(fēng)險(xiǎn)較大，成為實(shí)鉆中最大的隱患?？紤]井間防碰風(fēng)險(xiǎn)，威榮深層頁巖氣超長(zhǎng)水平井井眼曲率宜在18～24（°）/hm 內(nèi)選擇，采用先大后小的方式，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向可以適當(dāng)提高造斜率，有利于水平段的延伸（圖3b）。

圖3 不同井眼曲率下井眼軌跡Fig.3 Borehole trajectory under different overall angle change rate

3 鉆柱力學(xué)特性和強(qiáng)度分析

為了得出底部鉆具組合的受力情況，需要對(duì)超長(zhǎng)水平井工況進(jìn)行分析。井眼尺寸是215.9 mm，參考鉆具組合為215.9 mm PDC 鉆頭+旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具+127 mm無磁承壓鉆桿×1根+鉆具止回閥+127 mm鉆桿+旁通閥+127 mm 加重鉆桿×45 根+159 mm震擊器+127 mm 加重鉆桿×9 根+139.7 mm 鉆 桿×（0～2 300 m）井深。

3.1 有效拉力分析

模擬不同剖面下鉆具受到的拉力作用，同時(shí)考慮不同工況，大井斜強(qiáng)扭方位三維超長(zhǎng)水平井鉆具受有效拉力影響較大。如圖4 所示，2 000 m 以下井段有效拉力平均高于1 000 kN，隨著井深的增加，最高達(dá)近4 000 kN。起鉆時(shí)受到的有效拉力接近極限范圍，而二維超長(zhǎng)水平井有效拉力相對(duì)較小，2 000 m以下井段平均低于1 000 kN，局部為2 000 kN 以上，3 000 m 以下井深最高不超過2 600 kN，同時(shí)各種工況下所受有效拉力距極限拉力較遠(yuǎn)，安全邊界較高，二維軌跡更有利于水平段的延伸。從水平段的長(zhǎng)度來看，常規(guī)水平井和超長(zhǎng)水平井有效拉力差異的變化很小，后期水平段延伸的有效拉力還有減少的趨勢(shì)。

圖4 三維超長(zhǎng)水平井和二維超長(zhǎng)水平井鉆具有效拉力對(duì)比Fig.4 Comparison of drilling tool effective tension between 3D and 2D ultra-long horizontal wells

3.2 應(yīng)力強(qiáng)度作用分析

模擬不同剖面下鉆具受到的縱向應(yīng)力作用（圖5），同時(shí)考慮不同應(yīng)力作用的影響[17-20]，三維超長(zhǎng)水平井鉆具環(huán)向應(yīng)力和馮麥斯應(yīng)力及軸向應(yīng)力遠(yuǎn)超安全極限，彎曲應(yīng)力變化較大，最高達(dá)250 MPa。而二維超長(zhǎng)水平井各項(xiàng)應(yīng)力遠(yuǎn)離安全邊界，且彎曲應(yīng)力最高僅為50 MPa 左右，鉆柱安全系數(shù)相對(duì)較高。從水平段長(zhǎng)來看，常規(guī)水平井和超長(zhǎng)水平井應(yīng)力差異變化較小，后期水平段延伸應(yīng)力作用不明顯，還有減少的趨勢(shì)。影響較大的還是剖面類型，而水平段的長(zhǎng)短對(duì)應(yīng)力作用不明顯。

圖5 三維超長(zhǎng)水平井和二維超長(zhǎng)水平井鉆具應(yīng)力強(qiáng)度對(duì)比Fig.5 Comparison of drilling stress intensity between 3D and 2D ultra-long horizontal wells

4 裸眼水力延伸極限分析

4.1 裸眼水力延伸計(jì)算

大位移井裸眼段延伸能力水力延伸極限是指其在裸眼井段受到地層承壓能力和地面機(jī)泵條件限制下最大井眼測(cè)深，主要與井壁穩(wěn)定程度以及鉆井泵的性能有關(guān)。水平段越長(zhǎng)機(jī)泵負(fù)荷越大，水力參數(shù)將直接決定極限鉆深的長(zhǎng)度。按深層頁巖氣地面機(jī)泵35 MPa F1600 泥漿泵計(jì)算最大延伸能力，水平段環(huán)空壓耗不超過30 MPa極限來進(jìn)行計(jì)算分析。

式中：Δph為環(huán)空壓耗，MPa；ρf為破裂壓力當(dāng)量密度，g/cm3；ρmix為子鉆井液當(dāng)量密度，g/cm3；H為井深，m；Δpv為垂直段環(huán)空壓耗，MPa；∑Δpd為若干斜井段環(huán)空壓耗，MPa。

區(qū)域鉆井液密度按1.9～2.25 g/cm3計(jì)算，由圖6可知，在不考慮鉆機(jī)的鉆深能力下，排量為25 L/s時(shí)，水平段最大延伸極限長(zhǎng)度為5 376 m；排量為30 L/s時(shí)，水平段最大延伸極限長(zhǎng)度為5 840 m，排量提升有助于鉆深能力的延長(zhǎng)。鉆井液密度是影響鉆深能力的重要參數(shù)，鉆井液密度越高，隨著井深的增加泵壓也就越高，高于1.95 g/cm3將限制水平段的延伸，延長(zhǎng)水平段長(zhǎng)到極限深度需要配備52 MPa高壓泥漿泵。鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度計(jì)算結(jié)果表明，隨著水平段長(zhǎng)度的增加，井底流動(dòng)壓力增加，從A 靶點(diǎn)開始井底每300 m 當(dāng)量密度增加0.012 g/cm3。按5 840 m 水平段計(jì)算井底當(dāng)量密度增加至0.2 g/cm3，若裸眼段鉆遇裂縫，井漏風(fēng)險(xiǎn)相應(yīng)增加；根據(jù)鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度計(jì)算排量不能低于27.5 L/s，否則將會(huì)產(chǎn)生巖屑床。由以上分析可以看出，水力參數(shù)、機(jī)泵功率直接影響極限鉆深，密度的增加進(jìn)一步限制水平段的延伸。

圖6 不同機(jī)泵排量下的泵壓Fig.6 Pump pressure at different pump displacement

4.2 摩阻計(jì)算

由于摩擦系數(shù)取值受區(qū)塊、地層、泥漿體系等因素的影響，不同工況下摩阻計(jì)算差別較大。如圖7所示，在基礎(chǔ)參數(shù)一樣的情況下，起下鉆、鉆進(jìn)、滑動(dòng)等工況摩阻相差200～300 kN。不同摩擦系數(shù)對(duì)單一工況下摩阻也不一樣。如圖8 所示，摩阻相差50～100 kN。所以在對(duì)摩擦系數(shù)取值和工況的選擇上，摩阻計(jì)算對(duì)后期鉆柱安全和管柱下入尤為關(guān)鍵，特別是長(zhǎng)水平段管柱安全下入摩阻是最重要的考慮因素。

圖7 不同工況下大鉤載荷Fig.7 Hook load under different working conditions

圖8 不同摩擦系數(shù)下大鉤載荷Fig.8 Hook load under different friction coefficient

通過對(duì)威榮區(qū)域鉆井過程中不同工況摩阻統(tǒng)計(jì)，結(jié)合WellPlan 軟件計(jì)算擬合井下摩阻，不斷調(diào)整摩擦系數(shù)使其與實(shí)鉆值更為接近，威榮深層頁巖氣裸眼段摩擦系數(shù)擬合如表4。

表4 威榮地區(qū)推薦摩擦系數(shù)Table 4 Recommended friction coefficient of Weirong area

不同區(qū)域摩擦系數(shù)不同，井眼條件不同，摩阻增量不同，長(zhǎng)水平段的延伸必須考慮套管的安全下入。按最大水平段長(zhǎng)5 840 m 計(jì)算套管下入摩阻，大鉤載荷如圖9，常規(guī)水平段下套管摩阻在300 kN 左右，到極限鉆深摩阻將達(dá)到600 kN 左右，現(xiàn)場(chǎng)須做好雙扶通井，確保套管安全下入。

圖9 不同水平段長(zhǎng)鉆深大鉤載荷Fig.9 Hook load at different horizontal section

4.3 鉆井液黏滯阻力計(jì)算

超長(zhǎng)水平井達(dá)到極限鉆深須要考慮套管安全下入問題，而鉆井液的黏滯力引起的摩阻力不容忽視。威榮頁巖氣水平段鉆段鉆井液密度高達(dá)2.05～2.15 g/cm3，塑性黏度在65～95 mPa·s，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)（表5）表明黏度越高，井下摩阻越大。在計(jì)算時(shí)，考慮套管下入時(shí)速度慢，利用LandMark軟件，按井內(nèi)鉆井液流動(dòng)模式選用賓漢流體模型計(jì)算黏滯阻力。

表5 威榮地區(qū)鉆井液性能與摩阻Table 5 Drilling fluid performance and friction resistance of Weirong area

從圖10 可以看到，不考慮鉆井液黏滯效應(yīng)時(shí)的摩阻最高為156 kN；在添加黏滯力后，管柱下入摩阻達(dá)到202 kN，鉆井液黏滯阻力達(dá)46 kN，摩阻增加30 %。因此，對(duì)于深層頁巖氣井鉆井液黏滯力對(duì)管柱的下入有一定影響，長(zhǎng)水平段后期管柱下入摩阻本身較大，鉆井液性能要求上要對(duì)黏度控制在合理范圍，以此降低管柱下入摩阻。

圖10 鉆井液黏滯力對(duì)管柱摩阻計(jì)算Fig.10 Calculation of friction between mud viscosity and string

5 地面裝備能力分析

70 鉆機(jī)名義鉆深是采用114 mm 鉆桿，最大鉆深為7 000 m，其立根盒額定載荷最大負(fù)荷為2 600 kN，指梁長(zhǎng)度為2 200 mm，絞車功率1 400 kW，絞車制動(dòng)功率2 400 kW[15]。按頁巖氣井身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，最后一開采用215.9 mm鉆頭，按立根盒承載最大負(fù)荷2 600 kN計(jì)算139.7 mm+127 mm復(fù)合鉆桿下最大鉆深為7 300 m，如圖11所示，但拉力余量?jī)H80 t，抗拉安全系數(shù)1.38。

圖11 70鉆機(jī)不同鉆具條件下最大承載與鉆深關(guān)系Fig.11 Relation between maxi mum load and drilling depth of 70 drilling rig

立根盒不僅要考慮承載負(fù)荷，還須計(jì)算不同鉆具下的容量是否可以完全擺放在鉆臺(tái)面上。若為了滿足鉆深要求，而鉆臺(tái)面無法擺放鉆具就會(huì)增加施工量和安全隱患。立根盒容量與二層臺(tái)指梁長(zhǎng)度相關(guān)，70鉆機(jī)指梁標(biāo)配為2 200 mm，其容量多少與鉆具尺寸的大小和接頭大小相關(guān)。在最大載荷下復(fù)合鉆具多出4 柱，鉆臺(tái)無法擺放，而165.1 mm 井眼鉆至井深7 500 m時(shí)，鉆具全部擺下（表6）。

表6 最大載荷2 600 kN下70鉆機(jī)立根盒最大容量Table 6 Maximum capacity of 70 drill pipe setback under maximum load of 2 600 kN

根據(jù)中國石油化工集團(tuán)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鉆井隊(duì)鉆井設(shè)備配套標(biāo)準(zhǔn) 第5 部分：7000 m 鉆機(jī)：Q/SH 0168.5—2008》計(jì)算70 鉆機(jī)鉆至7 500 m 時(shí)的參數(shù)性能[21]，對(duì)電控系統(tǒng)能耗制動(dòng)單元功率、絞車功率和機(jī)泵功率進(jìn)行計(jì)算。

絞車功率：

泵組水功率和泵組功率：

式（2）—（4）中：NJ為絞車功率，hp，1 hp=0.746 W；Lmax為最大鉆深，m；Nwmax為泵組水功率，hp；Np為泵組功率，hp；Yp為泵效率，取值0.9。

考慮鉆機(jī)限制，70 鉆機(jī)鉆深能力下威榮地區(qū)深層頁氣水平段長(zhǎng)可延伸至3 500 m（表7）。從表8 可以看出，70鉆機(jī)電控系統(tǒng)能耗制動(dòng)單元功率、絞車功率和機(jī)泵功率偏小，均需要升級(jí)改造。若不考慮鉆機(jī)能力，按裸眼水力參數(shù)計(jì)算最大水平段長(zhǎng)可延伸至5 840 m，但全井需采用90 及以上級(jí)別鉆機(jī)。水平段的延伸并不是固定數(shù)值，必須考慮鉆機(jī)的施工能力來獲得最大鉆深。

表7 不同井眼和不同工況條件下極限鉆深Table 7 Limit drilling depth under different wellbore and different working conditions

表8 70鉆機(jī)主要參數(shù)對(duì)比分析Table 8 Comparison and analysis of main parameters of 70 drilling rig

6 結(jié)論

1）利用水力延伸極限環(huán)空壓耗計(jì)算模型，計(jì)算出威榮深層頁巖氣超長(zhǎng)水平井裸眼極限為5 840 m，延伸極限受鉆井液密度和排量的直接影響，鉆井液密度越高極限延伸長(zhǎng)度越短。

2）由鉆柱力學(xué)特性分析可以看出，大位移三維軌跡剖面綜合工況所受有效拉力較大，超出二維軌跡剖面2 倍，應(yīng)力作用遠(yuǎn)超出安全極限，三維軌跡不利于超長(zhǎng)水平段的延伸。

3）從地質(zhì)特征參數(shù)分析，威榮深層頁巖氣坍塌壓力受裂縫影響較大，沿最小主應(yīng)力方向坍塌壓力大于1.95 MPa/hm，造成超長(zhǎng)水平段后期泵壓較高，宜采用高壓鉆井泵實(shí)現(xiàn)極限鉆深；鉆井液排量應(yīng)高于27.5 L/s，同時(shí)塑性黏度控制在60～75 mPa·s 有利于降低泵壓和井下摩阻。

4）通過分析區(qū)域地質(zhì)參數(shù)、井身結(jié)構(gòu)、剖面類型和水力參數(shù)，綜合地面裝備能力和鉆具安全強(qiáng)度，不同鉆機(jī)類型下超長(zhǎng)水平井延伸極限不同，70 鉆機(jī)條件下水平段極限長(zhǎng)度達(dá)到3 500 m，但電控系統(tǒng)制動(dòng)單元、絞車和機(jī)泵均需要升級(jí)改造；而90及以上鉆機(jī)，水平段極限可以達(dá)到5 840 m。

5）超長(zhǎng)水平段長(zhǎng)延伸極限并非固定不變，要根據(jù)區(qū)域地質(zhì)特征、軌跡剖面、水力參數(shù)、鉆柱受力和管柱安全下入綜合計(jì)算來確定。