賈 佳

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司)

0 引 言

山西臨興區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地晉西撓褶帶西北緣，屬于黃土塬地貌，沉積條件復雜，自上而下發(fā)育的地層有紙坊組、和尚溝組、石千峰組、石盒子組、山西組、太原組、本溪組、馬家溝組。該區(qū)塊儲集層非均質(zhì)性強，巖石致密，地層多且薄，同時可鉆性差，機械鉆速低，在水平井前期實施過程中，多口井出現(xiàn)了摩阻高的情況，部分井由于托壓嚴重，未能鉆至設計井深，導致提前完鉆，未有效達到地質(zhì)氣藏目的，影響了勘探開發(fā)的效果。此外，臨興致密氣區(qū)塊處于大開發(fā)初期，后續(xù)會鉆大量水平井，高摩阻問題也制約了臨興區(qū)塊整體致密氣的開發(fā)進程。因為國內(nèi)外對致密氣水平井鉆井中的高摩阻問題未進行系統(tǒng)深入地分析研究，目前還沒有明確的指導降阻的針對性措施，所以有必要對致密氣的高摩阻問題進行影響因素分析和系統(tǒng)的研究，以提高致密氣開發(fā)效益。

1 影響因素分析及應對措施

對軌跡、井身結(jié)構(gòu)、套管類型、鉆井液、固井、鉆頭、鉆具組合、施工參數(shù)、鉆井工藝等影響摩阻的因素進行分析，總結(jié)出影響該區(qū)高摩阻的主要因素有軌跡設計、鉆井液潤滑性能、鉆具組合、施工參數(shù)、降阻工藝，統(tǒng)計未鉆至設計井深的水平井如表1所示。

表1 臨興區(qū)塊未鉆至設計井深水平井統(tǒng)計

1.1 軌跡設計

在鉆井過程中，部分井發(fā)生了扭矩過大、卡鉆、托壓等問題，所以對軌跡設計的主要因素如造斜點、全角變化率、井深、井底位移等進行了分析，發(fā)現(xiàn)全角變化率對摩阻影響較大。對臨興區(qū)塊因高摩阻未正常完鉆水平井進行統(tǒng)計，其井深介于2 584～3 288 m，水平段長度介于623～1 107 m?，F(xiàn)場實施過程中，這些井軌跡的最大全角變化率均在5°/30 m以上。通過軟件模擬計算，控制造斜點、井深、井底位移、水平段長度不變的情況下，隨著全角變化率的增大，鉆具的屈曲程度增大。

根據(jù)管柱力學理論的研究成果[1-2]，管柱在載荷逐漸增加的情況下，首先會發(fā)生正弦屈曲，在這種情況下，如果載荷撤除，正弦屈曲消失，管柱恢復原樣；隨著載荷繼續(xù)增加，正弦屈曲會逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪?，此時即使撤除載荷，管柱也不能恢復原狀，且會受到不可恢復的破壞；如果載荷繼續(xù)增加，螺旋屈曲會轉(zhuǎn)變?yōu)樽枣i，管柱徹底遭到破壞(圖1)[3-4]。

應對措施：結(jié)合屈曲理論[5-7]，經(jīng)過模擬計算(表2)，以及現(xiàn)場對比驗證，為了防止鉆具發(fā)生螺旋屈曲，后續(xù)水平井的全角變化率需要控制在5°/30 m以內(nèi)。

1.2 鉆井液潤滑性能

現(xiàn)場水平井鉆井作業(yè)中，多口井出現(xiàn)了扭矩大、托壓嚴重的問題。根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)參數(shù)，對作業(yè)中的摩阻系數(shù)進行了反演，結(jié)果顯示鉆進過程中裸眼段摩阻系數(shù)為0.35～0.45(圖2)，下套管過程中裸眼段摩阻系數(shù)為0.40～0.50(圖3)，與之前作業(yè)的鄰井摩阻系數(shù)0.30相比，摩阻系數(shù)明顯偏大。

圖1 鉆具屈曲變形示意

表2 不同全角變化率下鉆具狀態(tài)模擬計算

圖2 鉆進時裸眼摩阻系數(shù)反演

圖3 下套管時裸眼摩阻系數(shù)反演

為進一步提高鉆井液潤滑效果，開展了鉆井液性能優(yōu)化研究[8-9]，在基礎(chǔ)配方的基礎(chǔ)上，選擇增加不同的潤滑劑，然后評價潤滑性能的優(yōu)劣，根據(jù)對比試驗，采用LUBE作為潤滑劑的效果比較突出(表3)。

表3 不同種類潤滑劑潤滑性能數(shù)據(jù)對比

對選擇出的LUBE潤滑劑繼續(xù)進行加量對比試驗，分析不同加量時，鉆井液的潤滑性能差異。結(jié)果表明，隨著LUBE加量增加，潤滑性能越來越好；但LUBE加量增至1%以后，潤滑性改善變慢(表4)。

為了保證水平井施工時，摩阻得到有效控制，在增加LUBE潤滑劑的基礎(chǔ)上，進一步增加石墨，試驗鉆井液潤滑性能變化情況。結(jié)果表明，增加石墨后潤滑性能得到有效提高，但0.5%～1.5%加量的石墨，潤滑性能基本接近(表5)。

表4 不同LUBE加量時潤滑性能數(shù)據(jù)對比

表5 不同石墨加量時潤滑性能數(shù)據(jù)對比

應對措施：在后續(xù)鉆井作業(yè)時，建議在井斜小于30°井段優(yōu)選增加1%～2% LUBE加量，大斜度井段優(yōu)選2%～3% LUBE加量?？紤]到成本因素，后續(xù)水平井作業(yè)時，除了添加LUBE潤滑劑，同時添加0.5%的石墨以進一步增強潤滑性能。

1.3 鉆具組合

在對已鉆水平井進行鉆具組合分析時[10-12]，現(xiàn)場使用鉆具組合為Φ215.9 mmPDC+Φ171.5 mmPDM+F/V+STB+Φ165.1 mmNMDC+LWD+MWD+Φ165.1 mmNMDC+Φ165.1 mmDC×(3～9) +Φ127 mmDP+Φ127 mmHWDP×13+Φ127 mmDP。根據(jù)實鉆軌跡，加重鉆桿倒裝位于30°以下位置，根據(jù)該鉆具組合模擬計算結(jié)果，加重鉆桿為13根時，鉆至設計井深會發(fā)生螺旋屈曲，而加重鉆桿增加至30根鉆至設計深度時，不會發(fā)生螺旋屈曲(表6)。

表6 不同加重鉆桿對鉆進作業(yè)影響

應對措施：后續(xù)水平井鉆進時，倒裝的加重鉆桿需要30根以上，倒裝至30°位置，可有效改善托壓情況。

1.4 現(xiàn)場施工參數(shù)

現(xiàn)場作業(yè)時，部分井實際鉆壓較大，對鉆具屈曲也有較大影響[13-15]。通過模擬計算，分析了不同鉆壓時的鉆具屈曲情況，結(jié)果表明(表7)，當鉆壓逐漸增大至10 t以上時，鉆具屈曲由正弦屈曲轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪@具遭到不可逆的破壞。

應對措施：后續(xù)水平井作業(yè)時，鉆壓保持在10 t以下，否則鉆具容易發(fā)生螺旋屈曲情況。

表7 不同鉆壓下鉆具屈曲情況

2 應用效果分析

經(jīng)過對研究區(qū)塊水平井實施以上降阻措施，后續(xù)水平井鉆井作業(yè)中的摩阻有效降低，托壓現(xiàn)象也得到了有效控制。目前，水平井最大鉆深已經(jīng)超過3 500 m，水平段長度超過1 200 m，已有超過12口水平井正常完鉆(表8)，有效實現(xiàn)了油藏的地質(zhì)目的。

表8 改進后水平井鉆井數(shù)據(jù)

在應用以上改進措施的基礎(chǔ)上，在現(xiàn)場作業(yè)中同時使用了旋轉(zhuǎn)導向工具和水力振蕩器，通過改進前后對比，鉆進過程中鉆速明顯提高，工期縮短了20%以上(圖4)。

圖4 折算成3 000 m當量深度水平井改進前后工期對比

3 結(jié) 論

經(jīng)過對臨興區(qū)塊致密氣水平井高摩阻問題進行分析研究，確定了影響高摩阻的幾個主要因素：井眼軌跡設計、鉆井液潤滑性能、鉆具組合合理性、現(xiàn)場施工參數(shù)，并提出了針對性的改進措施。后續(xù)水平井施工對比表明，以上改進措施可以有效降低水平井作業(yè)的高摩阻，同時鉆井作業(yè)效率提高20%以上，為臨興區(qū)塊和其他同類型致密氣水平井鉆井提供了參考，可以有效指導后續(xù)水平井的鉆井作業(yè)。