劉美玲 朱健軍 李杉 潘榮山 王智鑫

大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院

小井眼鉆井提速技術(shù)在徐深氣田的試驗與分析

劉美玲 朱健軍 李杉 潘榮山 王智鑫

大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院

引用格式： 劉美玲，朱健軍，李杉，潘榮山，王智鑫. 小井眼鉆井提速技術(shù)在徐深氣田的試驗與分析［J］.石油鉆采工藝，2016，38（4）：438-441.

?152.4 mm小井眼鉆井技術(shù)是提高采收率和綜合經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑，大慶徐深氣田Xushen9-Ping4井首次在三開水平段開展了小井眼鉆井試驗，但機(jī)械鉆速并不理想，制約了深層氣井鉆井提速和降成本的目標(biāo)。以?152.4 mm小井眼鉆井現(xiàn)場試驗為例，分析了現(xiàn)場試驗中的儲層特征、鉆頭進(jìn)尺、純鉆時間和機(jī)械鉆速，并利用通用機(jī)械鉆速方程，結(jié)合徐深氣田儲層及小井眼鉆井試驗情況，得出了小井眼機(jī)械鉆速的影響因素，并對小井眼鉆井過程中存在的問題進(jìn)行了探討，為大慶油田深層氣井下步開展小井眼鉆井試驗提供了依據(jù)和參考。

小井眼；鉆井；徐深氣田；機(jī)械鉆速；影響因素

大慶油田首次在徐深氣田的水平井三開水平段開展了?152.4 mm小井眼鉆井技術(shù)，但由于徐深地區(qū)目的層以營城組營一段火山巖儲層為主，同時也存在致密砂巖、砂礫巖、花崗巖及變質(zhì)巖風(fēng)化殼等地層，營城組流紋巖地層蘊(yùn)含石英，研磨性強(qiáng)、可鉆性差。隔層發(fā)育高角度構(gòu)造縫、微裂縫和誘導(dǎo)縫，裂縫發(fā)育程度高，封隔性能差，鉆井過程中易發(fā)生井漏。盡管小井眼鉆井試驗中應(yīng)用了抗高溫螺桿配合PDC、液動錘配合孕鑲PDC鉆頭、扭力沖擊器、液動旋沖工具和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向等提速工具和提速技術(shù)，但是三開小井眼的平均機(jī)械鉆速仍低于鄰井的平均水平，嚴(yán)重制約了徐深氣田小井眼鉆井技術(shù)的發(fā)展。

1　Xushen9-Ping4井基本情況Basic data of Well Xushen 9-Ping 4

Xushen9-Ping4井是部署在松遼盆地東南斷陷區(qū)徐家圍子斷陷豐樂低凸起構(gòu)造上的一口天然氣水平開發(fā)井，設(shè)計井深5 275.76 m，實際完鉆井深4 795 m，實際完鉆垂深3 883.4 m，設(shè)計水平段長1 301.62 m，實鉆水平段長892.56 m，本井鉆進(jìn)周期303.52 d，建井周期373.08 d。井身結(jié)構(gòu)設(shè)計見表1。

表1　井身結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)Table 1 Data used for design of casing program

Xushen9-Ping4井三開小井眼鉆具組合為：?152.40 mm鉆頭×0.19 m+?126.00 mm抗高溫螺桿×6.32 m+?127.00 mm止回閥×0.44 m+?120.00 mm螺旋扶正器×0.90 m+?120.00 mm無磁鉆鋌×9.54 m+?88.90 mm無磁鉆桿×9.33 m+?127.00 mm加重鉆桿×341.58 m+?88.90 mm鉆桿。三開鉆井液體系為油包水鉆井液體系，密度為1.15～1.20 g/cm3。三開油層套管固井方式采用尾管懸掛完井液充填，油層套管下深至3 525.76～4 702.46 m井段，水平段采用分段裸眼封隔器完井液填充完井方式，完井施工順利。三開鉆井過程中未發(fā)生復(fù)雜事故。

2　鉆井提速技術(shù)在小井眼中的應(yīng)用分析Application of ROP enhancement technologies in drilling slim holes

Xushen9-Ping4井三開?152.4 mm小井眼鉆井試驗于井深3 579 m開始造斜鉆進(jìn)，小井眼鉆井盡管應(yīng)用了抗高溫螺桿配合瑞德PDC及休斯牙輪、液動錘配合孕鑲PDC鉆頭、阿特拉扭力沖擊器、液動旋沖工具和哈里伯頓旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向等提速工具和提速技術(shù)，但是三開小井眼的平均機(jī)械鉆速僅為0.87 m/h，只達(dá)到深層氣井?215.9 mm常規(guī)井眼三開平均機(jī)械鉆速（1.21 m/h）的72%。

2.1抗高溫螺桿配合PDC及牙輪的應(yīng)用

Joint application of temperature-resistant screw with PDC and roller bit

?152.4 mm小井眼在4 097～4 143.98 m使用?127 mm抗高溫螺桿分別配合PDC及牙輪鉆頭施工，由于PDC鉆頭不適應(yīng)營城組火山巖硬地層，鉆頭磨損較為嚴(yán)重，平均機(jī)械鉆速只有0.80 m/h（見表2），未達(dá)到預(yù)期提速效果。其中抗高溫螺桿現(xiàn)場使用時間近200 h，從造斜率、抗高溫和耐油性能方面發(fā)揮了螺桿的高效率作用，降低了起下鉆時間和減少了復(fù)雜事故的發(fā)生。

表2　抗高溫螺桿使用情況Table 2 Performance of temperature-resistant screws

2.2液動錘配合孕鑲PDC鉆頭的應(yīng)用

Joint application of hydraulic hammer and impregnated PDC bit

Xushen9-Ping4井三開?152.4 mm小井眼鉆井在井深4 362～4 425.87 m水平段嘗試了液動錘配合個性化孕鑲PDC鉆頭的提速試驗，進(jìn)尺63.87 m，純鉆時間54.66 h，平均機(jī)械速度1.17 m/h，與常規(guī)牙輪+彎螺桿相比平均機(jī)械鉆速提高28.47%，雖然機(jī)械鉆速得到提高，但PDC鉆頭使用效果較差，單只鉆頭進(jìn)尺只有21.29 m，從外觀來看，鉆頭磨損較嚴(yán)重。

2.3國外旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的應(yīng)用

Application of rotary steerable tools in other countries

?152.4 mm小井眼在井深4 445.51～4 480.50 m水平井段，使用的是國外旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向配合國外牙輪和PDC鉆頭，兩次累計進(jìn)尺34.99 m， 平均鉆速0.76 m/ h，平均單只鉆頭進(jìn)尺17.5 m，單只純鉆22.92 h（見表3），鉆進(jìn)中返砂效果好，托壓現(xiàn)象減輕，但由于井底溫度較高，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向儀器出現(xiàn)了問題，起鉆后發(fā)現(xiàn)起出的PDC鉆頭復(fù)合片磨損約20%。

表3　旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向使用情況Table 3 Application of rotary steering tools

2.4國外扭力沖擊器及國內(nèi)液動旋沖提速工具的應(yīng)用

Application of torsion impacters in other countries and application of hydraulic rotary ROP-enhancement tools in China

?152.4 mm小井眼在井深4 523.90～4 537.98 m水平段應(yīng)用國外扭力沖擊器配合國外 PDC鉆頭鉆進(jìn)，鉆速只有1.01 m/h（見表4），因提速效果不明顯起鉆，起出鉆頭后發(fā)現(xiàn)鉆頭磨損嚴(yán)重，分析原因可能是由于國外PDC鉆頭不適應(yīng)地層。在井深4713.49～ 4 795.00 m水平段應(yīng)用國內(nèi)液動旋沖工具配合PDC鉆頭鉆進(jìn)，開始時平均鉆速1.93 m/h，但鉆進(jìn)20 m后鉆速明顯變慢，起出后發(fā)現(xiàn)鉆頭磨損嚴(yán)重，單只鉆頭進(jìn)尺較短，主要是由于PDC鉆頭不適應(yīng)地層造成。

表4　扭力沖擊器和液動旋沖工具使用情況Table 4 Performances of torsion impactors and hydraulic rotary tools

本井生產(chǎn)時間6 861.67 h，生產(chǎn)時率82.21%，進(jìn)尺工作時間4 233.25 h，進(jìn)尺時率50.72%，純鉆進(jìn)時間2 002.5 h，鉆進(jìn)時率23.99%；非生產(chǎn)時間1485.33 h，非生產(chǎn)時率17.79%。本井在二開常規(guī)井眼采用國外鉆頭以及液動旋沖工具鉆井提速效果顯著，而三開由于地層特點和井眼軌跡的限制，應(yīng)用抗高溫螺桿、液動錘、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向以及扭力沖擊器提速效果不明顯，需進(jìn)行深入優(yōu)選和試驗研究，達(dá)到水平段提速工具利用率的最大化。

3　小井眼鉆井機(jī)械鉆速影響參數(shù)及影響因素分析Influence parameters and factors about ROP of slim hole drilling

?152.4 mm小井眼鉆井技術(shù)與?215.9 mm常規(guī)井眼鉆井技術(shù)的區(qū)別主要是：井眼和鉆具尺寸的不同，導(dǎo)致鉆井過程中鉆井參數(shù)和鉆具受力等發(fā)生變化，從而影響了鉆頭對巖石動載荷發(fā)生變化，最終反映了機(jī)械鉆速的不同。該井三開營城組一段巖性研磨性強(qiáng)，可鉆性差，?152 mm鉆頭受力復(fù)雜，磨損嚴(yán)重，影響鉆頭壽命，三開設(shè)計使用28只?152.4 mm鉆頭，實際使用38只?152.4 mm 鉆頭，其中PDC鉆頭7只，牙輪鉆頭31只，單只鉆頭進(jìn)尺最小的只有21.29 m。為了探討小井眼鉆井技術(shù)在大慶深層氣鉆井的可行性，有必要對影響該井鉆井機(jī)械鉆速的影響因素進(jìn)行分析。

3.1小井眼機(jī)械鉆速影響參數(shù)的理論分析

Theoretical analysis of parameters influencing ROP in slim hole drilling

利用通用鉆速方程可以得到小井眼和常規(guī)井眼的機(jī)械鉆速，并可以分析小井眼鉆井機(jī)械鉆速的影響因素，通用鉆速方程［1-4］為

式中，A為鉆壓指數(shù)，A=0.5366+0.1993 Kd；B為轉(zhuǎn)數(shù)指數(shù)，B=0.9250 - 0.0375 Kd；C為地層水力指數(shù)，C=0.7011 - 0.05682 Kd；D為鉆井液密度系數(shù)，D=0.97673 Kd- 7.2703；地層統(tǒng)計可鉆性梯度公式Kd=EH+F （E，F(xiàn)為回歸系數(shù)）；H為平均井深（設(shè)計井段、驗證井段或預(yù)測井段的平均深度），m；W為比鉆壓，kN；N為轉(zhuǎn)速，r/min； HEI為有效鉆頭比水功率，W/mm2；MW為實際或設(shè)計鉆井液密度，g/cm3；V為機(jī)械鉆速，m/h。

將小井眼和常規(guī)井眼的相應(yīng)參數(shù)帶入公式（1）后進(jìn)行對比，可以得出小井眼機(jī)械鉆速和常規(guī)井眼機(jī)械鉆速的比值。

大慶深層氣營城組火山巖可鉆性極值平均為9.42，驗證井段平均深度為3 600 m，則鉆壓指數(shù)A=2.42，轉(zhuǎn)速指數(shù)B=0.57，地層水力指數(shù)C=0.17，由表5可以看出：?152.4 mmPDC鉆頭的機(jī)械鉆速只有?215.9 mm的70.4%，與實際的72%基本相符，由此可以得出，影響小井眼和常規(guī)井眼機(jī)械鉆速的主要因素有鉆壓、轉(zhuǎn)速和鉆頭比水功率。

表5　小井眼和常規(guī)井眼機(jī)械鉆速影響因素對比Table 5 Comparison of factors affecting ROP of slim holes and those of conventional boreholes

3.2現(xiàn)場應(yīng)用中小井眼機(jī)械鉆速的影響因素分析

Factors affecting ROP of slim hole drilling in on-site application

（1）?152.4 mm環(huán)空間隙小，僅為12.7 mm，而?215.9 mm環(huán)空間隙為44.5 mm，由于環(huán)空間隙小，環(huán)空壓耗急劇增加，泵壓上升較快，導(dǎo)致小井眼井在較低的排量下有較高的巖屑攜帶能力（表6），但過高的環(huán)空返速會對井壁造成強(qiáng)烈的沖刷和破壞［5-7］，增加了井壁的不規(guī)則性，影響了水平段鉆進(jìn)時鉆壓的傳遞，在小井眼中環(huán)空間隙小，鉆柱的偏心、旋轉(zhuǎn)和鉆柱接頭對環(huán)空壓力損耗有顯著影響，這些嚴(yán)重制約了小井眼的機(jī)械鉆速。

表6　小井眼和常規(guī)井眼環(huán)空凈化參數(shù)對比Table 6 Comparisons of annulus cleaning parameters between slim holes and conventional boreholes

（2）三開小井眼鉆具尺寸小，鉆具組合中最小尺寸為?88.9 mm鉆桿，外徑尺寸小則柔性加大，隨著三開水平井段增長，摩阻、扭距逐漸增大，小尺寸鉆具抗拉、抗扭強(qiáng)度小，容易疲勞失效。

（3）試驗井設(shè)計水平段長1 301.62 m，實鉆水平段長892.56 m，水平段提前409.06 m完鉆，主要是由于小井眼軌跡控制難，不易穩(wěn)斜，滑動鉆進(jìn)時小尺寸鉆具脫壓現(xiàn)象嚴(yán)重。

（4）井控要求高，相同條件下小井眼油氣上竄速度快，油氣易上竄發(fā)生溢流。

（5）進(jìn)入三開裸眼段以后由于井底返砂不好，鉆具不能夠在井底靜止時間過長，容易發(fā)生黏卡，所以對鉆井設(shè)備要求非常嚴(yán)格，鉆進(jìn)期間不允許停止循環(huán)來修理設(shè)備，特別是鉆井泵。

（6）進(jìn)入小井眼后期施工階段，預(yù)防井漏是重中之重，因此要求嚴(yán)格坐崗觀察鉆井液液面高度和鉆井液密度等性能參數(shù)。

4　結(jié)論Conclusions

（1）要提高小井眼機(jī)械鉆速，就要優(yōu)化水力參數(shù)，尤其要優(yōu)化鉆壓、轉(zhuǎn)速和鉆頭比水功率，最大程度地提高鉆頭水力能量效率。

（2）從小井眼鉆井試驗來看，應(yīng)該優(yōu)選水平段小于900 m的水平井開展小井眼鉆井技術(shù)。

（3）需通過現(xiàn)場試驗優(yōu)選新型小井眼鉆頭和提速工具，增大鉆頭的有效鉆壓。應(yīng)用新型小井眼鉆頭，比如短翼薄底刃刮刀鉆頭和全尺寸PDC鉆頭可以提高小井眼機(jī)械鉆速。本井試驗表明，鉆具組合中提速工具的優(yōu)化對于提高小井眼機(jī)械鉆速至關(guān)重要。

（4）由于小井眼鉆具尺寸小，在一定的鉆壓下鉆具易彎曲，易造成井斜過大，因此小井眼鉆井需應(yīng)用大功率螺桿來增加鉆頭轉(zhuǎn)速，提高破巖效率。

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（修改稿收到日期 2016-06-23）

〔編輯 景 暖〕

Tests and analyses of ROP enhancement technique for slim holes drilling in the Xushen Gasfield

LIU Meiling， ZHU Jianjun， LI Bin， PAN Rongshan， WANG Zhixin
Petroleum Engineering Research Institute， PetroChina Daqing Oilfield Limited Company， Daqing， Heilongjiang 163453， China

The ?152.4 mm slim hole drilling technique can effectively enhance EOR and overall economic performance of oilfield development. Slim hole drilling was tested first in the third drilling section of Well Xushen 9-Ping 4 in the Xushen Gasfield of Daqing Oilfield， but the ROP was lower than expected， failing to fulfill ROP enhancement and cost reduction in drilling deep gas wells. Taking the on site ?152.4 mm slim hole drilling as an example， reservoir features， footages drilled per bit， pure drilling time and ROP have been analyzed， and based on the universal ROP equation， features of reservoir formations in the Xushen Gasfield， and experiences in drilling slim hole， factors affecting ROP in slim holes have been figured out， and problems encountered during drilling of such slim holes have been analyzed， which can provide basis and guideline for slim hole drilling in deep gas development of the Daqing Gasfield.

slim hole； drilling； Xushen Gasfield； ROP； affecting factors

TE246

B

1000 - 7393（ 2016 ） 04- 0438- 04

10.13639/j.odpt.2016.04.006

LIU Meiling， ZHU Jianjun， LI Bin， PAN Rongshan， WANG zhixin. Tests and analyses of ROP enhancement technique for slim holes drilling in the Xushen Gasfield［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（4）: 438-441.

劉美玲（1984-）。2010年畢業(yè)于東北石油大學(xué)油氣井工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)從事鉆井設(shè)計與科研工作。通訊地址：（163453）黑龍江省大慶市讓胡路區(qū)西賓路9號采油工程研究院5號樓215室。 電話：13644596580，0459-5960701。 E-mail：liushunliliumeili@126.com