鉆井工程中水平井鉆井提速技術(shù)研究

曲勝

大慶鉆探工程公司鉆井一公司 黑龍江 大慶 163254

鉆井是一種重要的油氣開采工藝，對(duì)我國各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展具有一定的影響，在時(shí)代發(fā)展背景下[1]，鉆井技術(shù)也在不斷升級(jí)，旨在提升油氣資源開發(fā)量，為工業(yè)化儲(chǔ)備作基礎(chǔ)[2]。研究表明，近幾年，我國的鉆井?dāng)?shù)量越來越多，對(duì)生產(chǎn)的貢獻(xiàn)量也越來越大。水平鉆井是鉆井技術(shù)的一種，其具有一定的鉆速優(yōu)勢[3]，能提高鉆井效率，降低鉆井工程的風(fēng)險(xiǎn)。隨著油氣資源的枯竭，水平鉆井的環(huán)境也越來越復(fù)雜，嚴(yán)重影響了水平鉆井工藝的鉆速，極易造成地質(zhì)塌陷[4]，不僅延長了鉆井的周期，降低了鉆井收益，還容易出現(xiàn)鉆井事故。為了解決上述問題，急需設(shè)計(jì)一種有效的鉆井提速技術(shù)。

事實(shí)上，大多數(shù)鉆井工程存在嚴(yán)重的擴(kuò)徑問題，容易出現(xiàn)井下塌陷[5]，還有部分鉆井工程的井液安全密度狹窄，易出現(xiàn)井漏問題，若漏失地層為石炭系等堅(jiān)硬、夾層較多的地層，會(huì)嚴(yán)重延長鉆井周期，降低鉆井生產(chǎn)的有效性。事實(shí)上，早在20世紀(jì)中期，相關(guān)研究人員就研究了以井噴式為基礎(chǔ)的鉆井提速技術(shù)，其主要根據(jù)井眼與鉆進(jìn)面之間的距離進(jìn)行定向測量，調(diào)整鉆具結(jié)構(gòu)。還有提出將井下參數(shù)與鉆井可變因數(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)參數(shù)配合，從而提高鉆井速度，但大多數(shù)鉆井提速技術(shù)需要使用LWD+螺旋定向組合調(diào)整鉆進(jìn)周期，易受水平振動(dòng)作用影響，導(dǎo)致機(jī)械鉆速不符合鉆井工程標(biāo)準(zhǔn)，因此，本文將井身結(jié)構(gòu)與鉆具相結(jié)合，共同優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一種全新的水平井鉆井提速技術(shù)。

1 鉆井工程中水平井鉆井提速技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 優(yōu)化水平鉆井井身結(jié)構(gòu)

為了降低鉆井阻力，提升水平井鉆井速度，本文建立了井中壓力體系，優(yōu)化了現(xiàn)有的井身結(jié)構(gòu)。事實(shí)上，在鉆井的過程中，經(jīng)常會(huì)面臨井噴等復(fù)雜問題，因此需要保證井內(nèi)的壓力體系始終平衡，此時(shí)井內(nèi)的壓力梯度關(guān)系式如公式（1）所示。

式中，Gf代表井內(nèi)破裂壓力梯度；Gm代表井內(nèi)液柱壓力梯度；Gp代表地層孔隙壓力梯度。根據(jù)上述的井內(nèi)壓力梯度關(guān)系，可以確定井壁的穩(wěn)態(tài)條件，即設(shè)置的鉆井壓力必須大于地層塌陷壓力。

井段長度直接決定下鉆套管的深度，因此為了避免復(fù)雜的鉆進(jìn)事故，需要設(shè)置有效的必封點(diǎn)。在正常的鉆進(jìn)狀態(tài)下，井內(nèi)的井涌復(fù)雜，此時(shí)的井鉆壓力條件式如公式（2）所示。

式中，ρm代表鉆井液最高當(dāng)量密度，ρpmax代表地層壓力梯度最高當(dāng)量密度[9]；Sb代表抽吸壓力系數(shù)。此時(shí)下鉆，得到的壓力體系如公式（3）所示。

式3中，ρfmin代表地層最小破裂壓力當(dāng)量密度；Sg代表激動(dòng)壓力系數(shù)。為了滿足鉆井安全需求，需要設(shè)置一個(gè)基礎(chǔ)安全系數(shù)，此時(shí)，設(shè)置的井身必封點(diǎn)深度關(guān)系如公式（4）所示。

式中，Sf代表破裂壓力安全值，此時(shí)，根據(jù)上述構(gòu)建的水平井鉆井體系，可以有效設(shè)置井身的必封點(diǎn)，使其鉆進(jìn)壓力處于平衡狀態(tài)。

根據(jù)上述設(shè)置的井身必封點(diǎn)深度及壓力平衡關(guān)系，本文設(shè)計(jì)的方法自上而下設(shè)計(jì)了不同的套管深度，首先使用三壓力剖面法計(jì)算了中間套管下入深度ΔP，如公式（5）所示。

式中，HN代表地層壓力最小深度。結(jié)合士農(nóng)工商可以確定中間套管的下入深度，對(duì)井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效調(diào)整與優(yōu)化，本文優(yōu)化的井身結(jié)構(gòu)屬于三層結(jié)構(gòu)，其應(yīng)力關(guān)系式ESR如公式（6）所示。

式中，Shmin代表水平最小應(yīng)力；ρp代表孔隙壓力；SV代表上層巖石壓力，結(jié)合上述關(guān)系式設(shè)置的井身機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1 井身優(yōu)化結(jié)構(gòu)

由圖1可知，上述的井身優(yōu)化結(jié)構(gòu)使用三開層次，一開使用鉆頭鉆至指定深度，設(shè)置表層套管，二開進(jìn)行完鉆，三開重復(fù)下入套管。

1.2 優(yōu)選水平鉆井鉆具組合

鉆井速度與鉆井鉆具有重要關(guān)系，因此本文設(shè)計(jì)的水平鉆井提速技術(shù)優(yōu)選了水平鉆井鉆具組合。首先需要選取關(guān)鍵的鉆井鉆頭，研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)鉆井工程的巖心都不完整，難以確定其力學(xué)參數(shù)，因此，本文設(shè)計(jì)的方法使用三軸試驗(yàn)法，在常溫環(huán)境中選取有效的循環(huán)液，將選取的巖心樣本打磨完整，此時(shí)即可使用三軸試驗(yàn)裝置進(jìn)行檢測。該裝置可以根據(jù)補(bǔ)償關(guān)系傳感軸向數(shù)據(jù)荷載信號(hào)，統(tǒng)一傳輸至采集中心，從而繪制不同鉆頭的性能參數(shù)曲線。此時(shí)根據(jù)鉆深與傳感關(guān)系可以得到樣本的彈性模量及泊松比。

鉆井的層次較多，為了滿足實(shí)際鉆探要求，需要進(jìn)行分類比對(duì)，對(duì)鉆具組合選取提供依據(jù)，本文使用灰色關(guān)聯(lián)聚類法處理了選型數(shù)據(jù)，降低了數(shù)據(jù)約束值，確定了此時(shí)的聚類系數(shù)。根據(jù)該系數(shù)可以構(gòu)造優(yōu)選聚類向量，確定不同鉆頭的優(yōu)劣順序，從而完成鉆具優(yōu)選，常見的高性能鉆頭包括ST115G、ST127G、RA114、HT2565等。

鉆頭選取完畢后，需要為其配置合適的單彎螺桿鉆具組合，該鉆具組合對(duì)鉆孔預(yù)測和井眼軌跡判斷十分重要。因此，在選取鉆具組合時(shí)，本文使用了縱橫彎曲法，確定了不同鉆具的組合受力，將初始組合看成一個(gè)簡單的支座。比選時(shí)，需要建立三彎矩方程進(jìn)行求解，確定不同鉆具組合的受力效果，進(jìn)行受力簡化處理。此時(shí)可以進(jìn)行優(yōu)選假設(shè)，即不考慮方位的變化，判斷不同鉆具組合對(duì)井斜變化的影響，或確定不同鉆具剛度與螺桿剛度的關(guān)系，排除轉(zhuǎn)動(dòng)震動(dòng)等動(dòng)態(tài)因素進(jìn)行綜合選擇。若存在2組相似的組合，需要假設(shè)一個(gè)初始的井眼軌跡曲線，將其轉(zhuǎn)換為二維最優(yōu)組合問題，進(jìn)行綜合比選。在實(shí)際鉆井速度提升過程中，需要根據(jù)鉆井工程的地層條件按照上述步驟進(jìn)行選擇，確定水平鉆井鉆具的最優(yōu)組合。

2 實(shí)例分析

2.1 概況及準(zhǔn)備

為了研究設(shè)計(jì)的鉆井提速技術(shù)的提速效果，本文以X鉆井工程為例，進(jìn)行了實(shí)例分析。已知X鉆井工程位于多個(gè)逆沖階梯狀控制斷裂帶，具有較強(qiáng)的東西分帶特點(diǎn)，其主要油氣分布于X鉆井工程的西北部，屬于單斜構(gòu)造，X鉆井工程存在的含油帶集中于井區(qū)中部，與上下發(fā)育地層作用有關(guān)，受多帶斷裂作用影響，地層剝蝕作用嚴(yán)重，存在多期噴發(fā)火山巖體。該井區(qū)存在大面積灰色泥巖及粉質(zhì)砂巖，容易垮塌，嚴(yán)重影響鉆井鉆速，且易出現(xiàn)漏失問題，對(duì)X鉆井工程進(jìn)行勘探，得到該井區(qū)的地層壓力表，如表1所示。

表1 X鉆井工程地層壓力

由表1可知，X鉆井工程自2018年起鉆，整體鉆速較低，水平鉆速差異明顯，因此，該鉆井工程漏失頻繁。除此之外，X鉆井工程的成本較高，堵漏成功率偏低。

根據(jù)X鉆井工程的井徑曲線可知，其擴(kuò)徑嚴(yán)重，易出現(xiàn)垮塌，多個(gè)鉆井井位存在縮徑問題，重點(diǎn)擴(kuò)徑段為1750～2000m。X鉆井工程的井漏相對(duì)復(fù)雜，存在較強(qiáng)的過渡因素。除此之外，其壓力系數(shù)較高，部分微裂縫發(fā)育明顯，整體漏失嚴(yán)重，X鉆井工程存在多個(gè)漏失點(diǎn)，其中479井號(hào)的漏失點(diǎn)深度約3058m，漏失量為158m3，損失時(shí)間已經(jīng)超過了120h。CHHW4705井號(hào)的漏失點(diǎn)深度約4097m，漏失量為320m3，損失時(shí)間已經(jīng)超過了174h。

對(duì)X鉆井工程的巖心進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，其巖心區(qū)存在多種天然裂縫，不同裂縫的密度不一致。除此之外，其安全密度窗口相對(duì)較窄，難以與地層壓力抵消，因此容易出現(xiàn)井塌問題。X鉆井工程大部分為石炭系地層，機(jī)械鉆速差距較高，存在嚴(yán)重的尺度分化問題，且整體鉆井周期較長，難以選擇有效的鉆頭。井號(hào)車479、CHHW4705、CHHW4706、CHHW4707目前的平均轉(zhuǎn)速均較低。

2.2 鉆進(jìn)效果及討論

結(jié)合上述的概況及準(zhǔn)備，可以進(jìn)行鉆井提速技術(shù)分析，即在相同的運(yùn)行條件下，使用本文設(shè)計(jì)的鉆井提速技術(shù)進(jìn)行鉆井優(yōu)化，記錄優(yōu)化后不同鉆井周期下的機(jī)械轉(zhuǎn)速，并將其與鉆進(jìn)要求的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械轉(zhuǎn)速對(duì)比，鉆進(jìn)效果如表2所示。

表2 鉆進(jìn)效果

由表2可知，使用本文設(shè)計(jì)的鉆井提速技術(shù)提速后X鉆井工程不同鉆井周期的機(jī)械鉆速均符合鉆進(jìn)要求標(biāo)準(zhǔn)，證明設(shè)計(jì)的水平井鉆井提速技術(shù)的提速效果較好，具有可靠性，有一定的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)束語

在工業(yè)化發(fā)展背景下，我國的油氣資源開采難度日漸增加。鉆井技術(shù)是一種特殊的油氣開采工藝，對(duì)工業(yè)油氣資源儲(chǔ)備作出了一定的貢獻(xiàn)。受復(fù)雜的開采環(huán)境影響，常規(guī)的水平鉆井工藝出現(xiàn)了鉆進(jìn)速度慢，工期延長等嚴(yán)重問題，難以有效地進(jìn)行油氣開采，因此，本文設(shè)計(jì)了一種全新的水平井鉆井提速技術(shù)。實(shí)例分析表明，設(shè)計(jì)的水平井鉆井提速技術(shù)的提速效果較好，具有可靠性，有一定的應(yīng)用價(jià)值，為降低水平井鉆井風(fēng)險(xiǎn)作出了一定的貢獻(xiàn)。