苏里格气田小井眼定向井快速钻井技术

尹敬军 杨 敏

中国石油川庆钻探工程有限公司钻采技术研究院, 陕西 西安 710018

0 前言

从苏里格致密气藏的开发实践经验和理论分析,井眼大小与单井产量关系不大。小井眼定向井单井容量缩小,施工中套管、钻具尺寸以及各种入井液量、机械耗油量等都会相应缩减,大幅降低了钻完井成本,经济效益和社会效益显著。2011年苏里格气田进行了3口Φ 155.6 mm井眼的定向井试验,但效果不理想,主要存在机械钻速低、井壁稳定性差、地层造浆重、钻头泥包等问题[1]。此后数年,未再进行过此类问题的专项研究。2016～2017年在苏南区块针对小井眼定向井钻井携砂困难、漏失严重、电测成功率低等问题,优化了钻井液体系和施工参数,技术水平稳步提高。小井眼定向井钻进过程中部分地层造浆严重同时受限于低排量、高泵压等钻井参数,存在机械钻速低、钻头泥包等问题[2]。在日益严峻的降本增效和环保压力下,2018年针对大位移小井眼定向井进行了技术攻关,取得了重大突破,形成了一套苏里格致密气藏小井眼定向井强化参数快速钻井技术,并成功完成了300口大位移小井眼定向井。

大位移小井眼定向井钻井技术难点:1)井眼小造成泵压高、携砂困难;2)小井眼钻具柔性大,方位不稳定;3)刘家沟组地层承压能力低,小井眼钻进参数受限；托压严重、机械钻速慢;4)大位移小井眼定向井摩阻扭矩大、轨迹控制难度大[3]。

通过收集现场数据,分析地层倾角对轨迹的影响,总结影响电测成功率的主要因素并制定相应解决措施,优化井身结构、剖面、小井眼钻具参数,从而形成了一套适应苏里格气田的小井眼定向井快速钻进配套技术。

1 大位移小井眼定向井快速钻井技术

1.1 井身结构优化

苏里格小井眼定向井井身结构简单,机械钻速快,单趟进尺多,但岩屑不易及时携带出井眼,钻井液对井壁修复不够,造成钻进、起下钻正常,电测遇阻问题突出,严重影响了整体钻速[4],前期电测成功率只有30%左右。分析认为电测遇阻主要由直罗、延长组井壁垮塌引起,而制约钻井提速的主要因素为井深300～1 000 m的易斜井段,即志丹、安定、直罗、延安等上部地层[5]。

安定、直罗、延安、延长组地层含有大段泥岩,矿物成分中蒙脱石、伊利石含量较高(离子交换能力强,钻进过程中振动筛上呈极黏泥糊状砂样),微裂缝比较发育,晶间微裂缝相连通[6]。两千多米裸眼井段在钻井液浸泡和冲刷下,易剥落掉块形成“大肚子”或“糖葫芦”不规则井眼[7]。掉块容易形成砂桥,导致电测遇阻。加之遇阻后用原钻具通井,斜井段垮塌层泥、砂交界处形成的“台阶”难以破坏,导致电测“定点”频频遇阻[8]。通过加深表层、封固直罗等复杂地层实现井身结构的优化,有效提高电测成功率及整体钻速。

靖104-26井采用表层封固直罗的井身结构,在实现 1 440 m位移的情况下,电测一次成功。部分区块通过封固直罗优化井身结构的方法,将电测成功率快速提高到75%以上。

1.2 剖面优化

根据位移大小优选剖面是提高钻井速度的重要环节。通过摸索出苏里格地区Φ 165.1 mm井眼条件下地层造斜能力和方位自然漂移规律,顺应地层特点,可大幅减少轨迹控制、提高钻井速度[9]。

靖104-26和苏14-03-31分别是位移 1 500 m和500 m的定向井,通过相同钻具组合、全角变化率条件下不同轨迹的摩阻、扭矩和侧向力模拟计算,优选适合不同位移的最优剖面，其不同轨迹受力分析见表1～2。

表1 靖104-26不同轨迹受力分析表(位移 1 500 m)

Tab.1 Jing104-26 force analysis of different trajectories(Displacement 1 500 m)

工况名称轨迹地面扭矩/(kN·m)摩阻/t最大侧向力/((t·(10 m)-1)直增稳700 m造斜直增稳1 200 m造斜直增稳降700 m造斜直增稳700 m造斜直增稳1 200 m造斜直增稳降700 m造斜直增稳700 m造斜直增稳1 200 m造斜直增稳降700 m造斜起钻00024.4625.5028.362.2461.9782.390下钻00018.9418.5920.651.1860.8871.211滑动00018.1717.6519.361.0730.7781.096旋转15.815.9216.950001.5201.2201.566

表2 苏14-03-31不同轨迹受力分析表(位移500 m)

Tab.2 Su14-03-31 force analysis of different trajectories(Displacement 500 m)

工况名称轨迹地面扭矩/(kN·m)摩阻/t最大侧向力/((t·(10 m)-1)直增稳900 m造斜直增稳1 500 m造斜直增稳降900 m造斜直增稳900 m造斜直增稳1 500 m造斜直增稳降900 m造斜直增稳900 m造斜直增稳1 500 m造斜直增稳降900 m造斜起钻0008.138.828.201.3411.1141.352下钻0007.477.887.501.1300.8851.130滑动0007.197.527.151.0420.7981.045旋转7.427.747.440001.1320.9101.133

大位移高造斜点直增稳与低造斜点直增稳剖面受力相差较小,而低造斜点会引起井段变长113 m。高造斜点直增稳降剖面摩阻、扭矩和侧向力均会增大[10],不利于施工。因此理论上,大位移小井眼定向井优选高造斜点直增稳剖面。

中小位移定向井造斜点高低对钻具受力影响不大。直增稳和直增稳降剖面受力差别也较小,顺应延长组地层降斜特点可减少轨迹控制,提高钻速。由于低造斜点剖面会带来较大防碰压力,因此中小位移定向井优选高造斜点直增稳降剖面[11]。现场实施统计与理论计算基本吻合。

1.3 小井眼钻具配套及强化参数

通过大量实践摸索出适合苏里格小井眼的钻具组合:

Ф 165.1 mmPDC+Ф 135 mmLZ+SDC+Ф 160 mm STAB+回压阀+MWD+Ф 120 mmNDC+Ф 120 mmDC+311*HLST+Ф 101.6 mmHWDP+Ф 101.6 mmDP+方钻杆。

分析钻井大数据:钻头使用情况对比见表3,通过优选6刀翼19 mm切削齿短冠部长抛物线中密度布齿流道宽度均匀的钢体PDC钻头、大功率大扭矩多级数7 LZ 135单弯螺杆、Φ 106.1 mm双台阶高强度钻杆[12],配合短钻铤、扶正器增加钻具适应性,完成防斜打直、定向、微增、稳斜、微降“一趟钻五联作”,复合钻进比例达到95%以上[13]。

表3 钻头使用情况对比图

Tab.3 Comparison of bit usage

钻头型号井口数量/口机械钻速/(m·h-1)CZS 1962B1427.54SD 6523ZC927.09M 516 KS823.78CZS 1952 BS619.71SD 6521 ZC523.96SD 6431 ZC524.37CZS 1642 BR519.51SD 6522 ZC426.67M 416 KS423.32CZS 1952 B318.09

改进的PDC钻头、大功率螺杆、Φ 106.1 mm双台阶高强度钻杆为强化参数提供了必备基础[14]。PDC钻头通过优化井底流场更高效地将岩屑带离复合片的切削区域,并对复合片进行有效冷却,减小钻头泥包风险。7 LZ 135螺杆较常用的7 LZ 127螺杆功率、扭矩及使用寿命提高[15]。Φ 106.1 mm双台阶高强度钻杆在提高排量的同时降低了泵压,同比钻柱压耗降低39%,抗扭强度提高48.4%,减少了钻具刺漏失效风险[16]。

强化参数即采用高钻压、高转速、大排量提高机械钻速。高钻压使钻头切削齿深入岩石产生较深裂缝;高转速使钻头破岩更快[17];大排量形成的水力冲击对破碎坑产生冲蚀和水楔作用扩展裂纹,二者交互作用提高破岩效率,且大排量利于提高携岩能力而避免因高转速形成的大量岩屑下沉,防止钻头泥包,钻速更快[18]。钻压与转速对井眼净化的影响见图1。

Φ 165.1 mm井眼较常规Φ 215.9 mm井眼环空间隙,特别是钻杆接头间隙更小,详细间隙数据见表4。从而增加了环空压耗、降低了钻井液携岩能力[19]。因此对Φ 165.1 mm井眼的净化提出了较高要求。

a)钻压对井眼净化的影响a)The effect of WOB on wellbore cleaning

b)转速对井眼净化的影响b)The effect of rotation speed on wellbore cleaning

表4 Φ 165.1 mm井眼与Φ 215.9 mm井眼间隙对比表

Tab.4 Comparison of Φ 165.1 mm and Φ 215.9 mm hole gaps

井眼/mm钻杆/mm环空间隙/mm钻杆接头尺寸/mm钻杆接头间隙/mm215.9127.044.5162.026.95165.0101.631.7133.415.8

综合考虑地层破裂梯度、泵机额定排量、携岩能力,根据环空压耗、当量密度、环空返速及环空净化能力确定Φ 165.1 mm井眼排量20～23 L/s。现场通过采用大排量离心机、高目数筛布及岩屑清除器,最大限度清除有害固相[20],已在多个区块成功实现了二开一趟钻,获得了较高的机械钻速。现场施工数据见表5。

表5 优化后现场实施数据表

Tab.5 Optimized field implementation data

井号井深/m密度/(g·cm-3)钻压/kN转速/(r·min-1)排量/(L·S-1)机械钻速/(m·h-1)泵压/MPa桃2-22-153 4241.1815080+螺杆2348.2325桃2-22-15 C 23 6121.1812060+螺杆2422.4322桃2-22-15 C 83 7841.1614080+螺杆2222.8023桃2-3-33 6021.1812080+螺杆2346.1820苏东23-28 C 13 2821.1812070+螺杆2232.1821苏东45-483 3581.1712060+螺杆2128.4226

2 结论及建议

1)研究形成了苏里格致密气藏小井眼定向井强化参数快速钻井技术,该技术的钻速比常规井钻速略有提高,米进尺费用下降12.5%,岩屑减少约48%,大幅降低了生产成本,节能和环保效果显著。

2)针对导致小井眼定向井电测成功率低的因素,通过优化井身结构、提高泥浆性能、强化固控管理等措施,电测一次成功率达到75%以上。

3)通过激进参数机理分析,完成钻头水功率、循环压降及井眼净化能力等计算,形成小井眼定向井快速钻进技术,大幅提高钻井速度。

4)该技术成功应用了最大位移 1 440 m、位垂比近0.5大位移小井眼定向井,2018年苏里格气田共完成了300口大位移小井眼定向井。