激进钻井技术在长庆致密油气藏开发中的应用

王俊海 WANG Jun-hai；程华林 CHENG Hua-lin；信伟 XIN Wei

（川庆钻探公司长庆钻井总公司，西安 710018）

0 引言

美国页岩气开发中，依靠先进提速工具，通过强化钻井措施，采用激进的钻井参数，极大提高了钻井速度。斯伦贝谢在两年时间内，采用高钻压、高转速、大排量，在水平段长增加400m 的情况下，平均钻井周期从53 天缩短到28 天，幅度近50%。目前，长庆地区钻井施工过程，由于受传统钻井参数理论认识、井下动力钻具性能、钻头损坏机理等方面的认识限制，在钻井参数优化与提速工具配套方面未做深入研究，采用的钻井参数与国外相比较为保守。通过优选大功率螺杆、高性能钻头，在现有机泵条件下，最大限度强化钻井参数，提高机械钻速，实现致密油气井钻井持续提速提效。

1 激进钻井参数确定

1.1 排量

二十世纪九十年代国内学者已经开展了PDC 钻头机械钻速与排量的关系研究，总结出了排量与机械钻速的关联特性[1]，PDC 钻头与牙轮钻头相比，排量对机械钻速的影响更明显，排量与PDC 钻头钻进机械钻速近乎线性增长，其原因是钻头结构和破岩机埋不同，PDC 喷嘴距井底近需要较高漫流速度及时清除岩屑，避免泥包，PDC 钻头以刮削方式破岩，需要更大的排量冷却复合片，需要较高漫流速度及时清除岩屑。基于这种理论认识，笔者在苏里格气田开展了大排量提速试验，试验使用常规转盘钻进钻具组合，试验表明，215.9mm 井眼，钻进排量增加24%（34L/s 增加到42 L/s），七个层位机械钻速平均提高67%，最高提高135%（图1）。

图1 大排量钻进试验对比图

通过现场试验，结合国内学者研究成果，在长庆致密油气藏上部井段地层稳定，实施激进钻进排量。以机泵可长时间稳定工作的最高泵压为限，确定钻进排量，以苏里格定向井二开为例，216mm 井眼二开起始井深700m，以稳定工作泵压14MPa 计算，钻进排量可达到55L/s，环空返速达到2.29m/s，随着井深增加，逐步降低，3000m 井深时排量39L/s（图2）。

图2 恒定泵压钻进排量随井深变化

1.2 钻压

致密油气藏钻井现场试验表明PDC 钻头的钻速对钻压非常敏感，各地层钻压与钻速几乎成线性关系，但岩石强度不同，钻速随钻压变化速率也不同，软地层更敏感，采用“PDC+螺杆”钻具钻进，钻压上限取决于螺杆钻具最大工作压降，从螺杆钻具实际工作特性可知，负荷效率最大的工况为螺杆钻具的工作点[2]，工作点对应的工作参数是螺杆钻具工作的最优参数，现场应用中应通过加压前后泵压增量与机械钻速的试验确定最大钻压，苏里格某井采用“216mmPDC+172mm 螺杆”钻具复合钻井试验得到：和尚沟、石盒子、石千峰地层的最大工作钻压为140kN，刘家沟地层最大工作钻压为160kN（图3）。

图3 机械钻速随钻压大小变化敏感性试验曲线

1.3 转速

在长庆致密油气钻井中开展了PDC 钻头钻速与钻头转速关联性试验，在不同抗压强度地层关系表现不同，在延安-延长组地层抗压强度低，随着钻柱转速增大，钻速大幅增大（图4）。“PDC+螺杆钻具”复合钻进钻头转速由螺杆转速和钻柱转速叠加。刘家沟以上地层抗压强度低，机械钻速对转速敏感，根据钻机性能，钻柱转速提高至可以长时间稳定的转速（80rpm 以上），同时选用高转速螺杆，钻头转速达到280rpm 以上；刘家沟以下适当降低钻头转速，提高钻头使用寿命。

图4 延安组-延长组地层机械钻速随转速大小变化曲线

2 激进钻井关键工具优选配套

2.1 PDC 钻头分段优选

长庆致密油气定向井、水平井钻井优选PDC 钻头的原则是适应激进钻井参数、滑动定向工具面稳定、攻击性强、兼顾穿含砾硬夹层耐磨性。致密油定向井、水平井“直+斜”段采用六刀翼、19mm 复合片、低密度布齿、设计深水道大排屑空间、短轴双抛钢体钻头；水平段选用中密度或高密度布齿16mm 复合片。致密气定向井、水平井“直+纠偏”段选用IADC 代码S423 系列钻头，设计六刀翼、16mm复合片、中密度布齿、深水道水力结构、双圆弧冠部刚体钻头；定向井下部井段、水平井增斜入窗井段选用IADC 代码S323 系列钻头，设计五刀翼、复合切削结构16mm 复合片、中密度布齿、深水道水力结构、短抛物线冠部刚体钻头。致密气小井眼一趟钻工程选用非平面正角抗冲PDC钻头。

2.2 螺杆钻具优选

依据螺杆钻具理论特性，螺杆钻具的输出转速和扭矩是两个各自独立的参数，即：理论转矩与马达进出口压差成正比，工作扭矩与螺杆马达压降和结构有关，而与转速无关。正常工作过程螺杆钻具的转速只与排量有关，并具有硬转速特性，即钻进过程螺杆钻具的输出转速基本不变，不因加大钻压而造成钻头转速明显下降，压差增大工作扭矩变大。螺杆钻具的输出扭矩、转速与其自身的偏心距、头数、导程、级数有关，依据理论输出扭矩、理论输出转速、每转排量的决定式[3]选择螺杆钻具规范，其计算公式分别为公式（1）、（2）、（3）。

式中：q—螺杆每转排量，L/r；Δp—螺杆压降，MPa；A—为螺杆通过流体横截面面积，m2；Dh—定子直径，m；n—转子头数；T—理论输出扭矩，kN·m；N—理论输出转速，rpm；Q—排量，L/s。

长庆致密油气钻井整体选用大功率螺杆，针对钻井参数与机械钻速敏感性特点，中生界三叠系以上地层钻进匹配高转速、5-6 级螺杆钻具；刘家沟以下地层，地层可钻性差、研磨性较强，匹配中低转速、3-4 级大导程大扭矩螺杆钻具，各井型分井段螺杆钻具选型如表1。

3 激进钻井参数模板建立及现场试验

在钻井参数强化相关理论认识的基础上，结合现场钻井参数敏感性试验，根据不同钻机类型机泵配置特点，建立了不同井型最优钻井参数组合模板。

致密油气定向井“Φ311-Φ216”二开次钻头程序，建立激进钻进参数模板（表2），油井定向井试验124 口井，机械钻速平均提高13.91%；气井定向井强化参数试验119口，机械钻速平均提高16.26%。致密气6-1/2″小井眼定向强化参数试验41 口，机械钻速平均提高15.52%。

表2 致密油气定向井激进钻井参数模板

致密气水平井采用“Φ346-Φ228-Φ152”三开次钻头程序，建立激进钻进参数模板（表3），现场试验96 口井，整体机械钻速平均提高12.13%；228mm“直+纠偏”井眼机械钻速平均提高14.86%；216mm 斜井段，机械钻速平均提高10.64%；152mm 水平段，机械钻速平均提高10.89%。

表3 致密气水平井激进钻井参数模板

4 结论

①推行“大排量、大钻压、高转速”激进钻井参数，在长庆致密油气钻井提速中取得显著效果，在地层稳定性较好的苏里格区域刘家沟以上采用“PDC+螺杆钻具”大排量（环空返速1.8m/s 以上）钻进，大幅度了提高了机械钻速。②配套大功率螺杆钻具、高性能PDC 钻头是实现激进钻井的关键，施工过程根据地层可钻性分级匹配高转速大功率螺杆、低转速大扭矩螺杆等不同特性螺杆钻具，可实现不同地层机械钻速最大化。③实际施工过程，结合配套工具开展不同地层的钻井参数敏感性对比试验，优选出达到最高机械钻速的参数组合。