小井眼钻井提速技术在徐深气田的试验与分析

刘美玲 朱健军 李杉 潘荣山 王智鑫

大庆油田有限责任公司采油工程研究院

小井眼钻井提速技术在徐深气田的试验与分析

刘美玲 朱健军 李杉 潘荣山 王智鑫

大庆油田有限责任公司采油工程研究院

引用格式： 刘美玲，朱健军，李杉，潘荣山，王智鑫. 小井眼钻井提速技术在徐深气田的试验与分析［J］.石油钻采工艺，2016，38（4）：438-441.

Ø152.4 mm小井眼钻井技术是提高采收率和综合经济效益的有效途径，大庆徐深气田Xushen9-Ping4井首次在三开水平段开展了小井眼钻井试验，但机械钻速并不理想，制约了深层气井钻井提速和降成本的目标。以Ø152.4 mm小井眼钻井现场试验为例，分析了现场试验中的储层特征、钻头进尺、纯钻时间和机械钻速，并利用通用机械钻速方程，结合徐深气田储层及小井眼钻井试验情况，得出了小井眼机械钻速的影响因素，并对小井眼钻井过程中存在的问题进行了探讨，为大庆油田深层气井下步开展小井眼钻井试验提供了依据和参考。

小井眼；钻井；徐深气田；机械钻速；影响因素

大庆油田首次在徐深气田的水平井三开水平段开展了Ø152.4 mm小井眼钻井技术，但由于徐深地区目的层以营城组营一段火山岩储层为主，同时也存在致密砂岩、砂砾岩、花岗岩及变质岩风化壳等地层，营城组流纹岩地层蕴含石英，研磨性强、可钻性差。隔层发育高角度构造缝、微裂缝和诱导缝，裂缝发育程度高，封隔性能差，钻井过程中易发生井漏。尽管小井眼钻井试验中应用了抗高温螺杆配合PDC、液动锤配合孕镶PDC钻头、扭力冲击器、液动旋冲工具和旋转导向等提速工具和提速技术，但是三开小井眼的平均机械钻速仍低于邻井的平均水平，严重制约了徐深气田小井眼钻井技术的发展。

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

Xushen9-Ping4井是部署在松辽盆地东南断陷区徐家围子断陷丰乐低凸起构造上的一口天然气水平开发井，设计井深5 275.76 m，实际完钻井深4 795 m，实际完钻垂深3 883.4 m，设计水平段长1 301.62 m，实钻水平段长892.56 m，本井钻进周期303.52 d，建井周期373.08 d。井身结构设计见表1。

表1　井身结构设计数据Table 1 Data used for design of casing program

Xushen9-Ping4井三开小井眼钻具组合为：Ø152.40 mm钻头×0.19 m+Ø126.00 mm抗高温螺杆×6.32 m+Ø127.00 mm止回阀×0.44 m+Ø120.00 mm螺旋扶正器×0.90 m+Ø120.00 mm无磁钻铤×9.54 m+Ø88.90 mm无磁钻杆×9.33 m+Ø127.00 mm加重钻杆×341.58 m+Ø88.90 mm钻杆。三开钻井液体系为油包水钻井液体系，密度为1.15～1.20 g/cm3。三开油层套管固井方式采用尾管悬挂完井液充填，油层套管下深至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，完井施工顺利。三开钻井过程中未发生复杂事故。

2　钻井提速技术在小井眼中的应用分析Application of ROP enhancement technologies in drilling slim holes

Xushen9-Ping4井三开Ø152.4 mm小井眼钻井试验于井深3 579 m开始造斜钻进，小井眼钻井尽管应用了抗高温螺杆配合瑞德PDC及休斯牙轮、液动锤配合孕镶PDC钻头、阿特拉扭力冲击器、液动旋冲工具和哈里伯顿旋转导向等提速工具和提速技术，但是三开小井眼的平均机械钻速仅为0.87 m/h，只达到深层气井Ø215.9 mm常规井眼三开平均机械钻速（1.21 m/h）的72%。

2.1抗高温螺杆配合PDC及牙轮的应用

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

Ø152.4 mm小井眼在4 097～4 143.98 m使用Ø127 mm抗高温螺杆分别配合PDC及牙轮钻头施工，由于PDC钻头不适应营城组火山岩硬地层，钻头磨损较为严重，平均机械钻速只有0.80 m/h（见表2），未达到预期提速效果。其中抗高温螺杆现场使用时间近200 h，从造斜率、抗高温和耐油性能方面发挥了螺杆的高效率作用，降低了起下钻时间和减少了复杂事故的发生。

表2　抗高温螺杆使用情况Table 2 Performance of temperature-resistant screws

2.2液动锤配合孕镶PDC钻头的应用

Joint application of hydraulic hammer and impregnated PDC bit

Xushen9-Ping4井三开Ø152.4 mm小井眼钻井在井深4 362～4 425.87 m水平段尝试了液动锤配合个性化孕镶PDC钻头的提速试验，进尺63.87 m，纯钻时间54.66 h，平均机械速度1.17 m/h，与常规牙轮+弯螺杆相比平均机械钻速提高28.47%，虽然机械钻速得到提高，但PDC钻头使用效果较差，单只钻头进尺只有21.29 m，从外观来看，钻头磨损较严重。

2.3国外旋转导向的应用

Application of rotary steerable tools in other countries

Ø152.4 mm小井眼在井深4 445.51～4 480.50 m水平井段，使用的是国外旋转导向配合国外牙轮和PDC钻头，两次累计进尺34.99 m， 平均钻速0.76 m/ h，平均单只钻头进尺17.5 m，单只纯钻22.92 h（见表3），钻进中返砂效果好，托压现象减轻，但由于井底温度较高，旋转导向仪器出现了问题，起钻后发现起出的PDC钻头复合片磨损约20%。

表3　旋转导向使用情况Table 3 Application of rotary steering tools

2.4国外扭力冲击器及国内液动旋冲提速工具的应用

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

Ø152.4 mm小井眼在井深4 523.90～4 537.98 m水平段应用国外扭力冲击器配合国外 PDC钻头钻进，钻速只有1.01 m/h（见表4），因提速效果不明显起钻，起出钻头后发现钻头磨损严重，分析原因可能是由于国外PDC钻头不适应地层。在井深4713.49～ 4 795.00 m水平段应用国内液动旋冲工具配合PDC钻头钻进，开始时平均钻速1.93 m/h，但钻进20 m后钻速明显变慢，起出后发现钻头磨损严重，单只钻头进尺较短，主要是由于PDC钻头不适应地层造成。

表4　扭力冲击器和液动旋冲工具使用情况Table 4 Performances of torsion impactors and hydraulic rotary tools

本井生产时间6 861.67 h，生产时率82.21%，进尺工作时间4 233.25 h，进尺时率50.72%，纯钻进时间2 002.5 h，钻进时率23.99%；非生产时间1485.33 h，非生产时率17.79%。本井在二开常规井眼采用国外钻头以及液动旋冲工具钻井提速效果显著，而三开由于地层特点和井眼轨迹的限制，应用抗高温螺杆、液动锤、旋转导向以及扭力冲击器提速效果不明显，需进行深入优选和试验研究，达到水平段提速工具利用率的最大化。

3　小井眼钻井机械钻速影响参数及影响因素分析Influence parameters and factors about ROP of slim hole drilling

Ø152.4 mm小井眼钻井技术与Ø215.9 mm常规井眼钻井技术的区别主要是：井眼和钻具尺寸的不同，导致钻井过程中钻井参数和钻具受力等发生变化，从而影响了钻头对岩石动载荷发生变化，最终反映了机械钻速的不同。该井三开营城组一段岩性研磨性强，可钻性差，Ø152 mm钻头受力复杂，磨损严重，影响钻头寿命，三开设计使用28只Ø152.4 mm钻头，实际使用38只Ø152.4 mm 钻头，其中PDC钻头7只，牙轮钻头31只，单只钻头进尺最小的只有21.29 m。为了探讨小井眼钻井技术在大庆深层气钻井的可行性，有必要对影响该井钻井机械钻速的影响因素进行分析。

3.1小井眼机械钻速影响参数的理论分析

Theoretical analysis of parameters influencing ROP in slim hole drilling

利用通用钻速方程可以得到小井眼和常规井眼的机械钻速，并可以分析小井眼钻井机械钻速的影响因素，通用钻速方程［1-4］为

式中，A为钻压指数，A=0.5366+0.1993 Kd；B为转数指数，B=0.9250 - 0.0375 Kd；C为地层水力指数，C=0.7011 - 0.05682 Kd；D为钻井液密度系数，D=0.97673 Kd- 7.2703；地层统计可钻性梯度公式Kd=EH+F （E，F为回归系数）；H为平均井深（设计井段、验证井段或预测井段的平均深度），m；W为比钻压，kN；N为转速，r/min； HEI为有效钻头比水功率，W/mm2；MW为实际或设计钻井液密度，g/cm3；V为机械钻速，m/h。

将小井眼和常规井眼的相应参数带入公式（1）后进行对比，可以得出小井眼机械钻速和常规井眼机械钻速的比值。

大庆深层气营城组火山岩可钻性极值平均为9.42，验证井段平均深度为3 600 m，则钻压指数A=2.42，转速指数B=0.57，地层水力指数C=0.17，由表5可以看出：Ø152.4 mmPDC钻头的机械钻速只有Ø215.9 mm的70.4%，与实际的72%基本相符，由此可以得出，影响小井眼和常规井眼机械钻速的主要因素有钻压、转速和钻头比水功率。

表5　小井眼和常规井眼机械钻速影响因素对比Table 5 Comparison of factors affecting ROP of slim holes and those of conventional boreholes

3.2现场应用中小井眼机械钻速的影响因素分析

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

（1）Ø152.4 mm环空间隙小，仅为12.7 mm，而Ø215.9 mm环空间隙为44.5 mm，由于环空间隙小，环空压耗急剧增加，泵压上升较快，导致小井眼井在较低的排量下有较高的岩屑携带能力（表6），但过高的环空返速会对井壁造成强烈的冲刷和破坏［5-7］，增加了井壁的不规则性，影响了水平段钻进时钻压的传递，在小井眼中环空间隙小，钻柱的偏心、旋转和钻柱接头对环空压力损耗有显著影响，这些严重制约了小井眼的机械钻速。

表6　小井眼和常规井眼环空净化参数对比Table 6 Comparisons of annulus cleaning parameters between slim holes and conventional boreholes

（2）三开小井眼钻具尺寸小，钻具组合中最小尺寸为Ø88.9 mm钻杆，外径尺寸小则柔性加大，随着三开水平井段增长，摩阻、扭距逐渐增大，小尺寸钻具抗拉、抗扭强度小，容易疲劳失效。

（3）试验井设计水平段长1 301.62 m，实钻水平段长892.56 m，水平段提前409.06 m完钻，主要是由于小井眼轨迹控制难，不易稳斜，滑动钻进时小尺寸钻具脱压现象严重。

（4）井控要求高，相同条件下小井眼油气上窜速度快，油气易上窜发生溢流。

（5）进入三开裸眼段以后由于井底返砂不好，钻具不能够在井底静止时间过长，容易发生黏卡，所以对钻井设备要求非常严格，钻进期间不允许停止循环来修理设备，特别是钻井泵。

（6）进入小井眼后期施工阶段，预防井漏是重中之重，因此要求严格坐岗观察钻井液液面高度和钻井液密度等性能参数。

4　结论Conclusions

（1）要提高小井眼机械钻速，就要优化水力参数，尤其要优化钻压、转速和钻头比水功率，最大程度地提高钻头水力能量效率。

（2）从小井眼钻井试验来看，应该优选水平段小于900 m的水平井开展小井眼钻井技术。

（3）需通过现场试验优选新型小井眼钻头和提速工具，增大钻头的有效钻压。应用新型小井眼钻头，比如短翼薄底刃刮刀钻头和全尺寸PDC钻头可以提高小井眼机械钻速。本井试验表明，钻具组合中提速工具的优化对于提高小井眼机械钻速至关重要。

（4）由于小井眼钻具尺寸小，在一定的钻压下钻具易弯曲，易造成井斜过大，因此小井眼钻井需应用大功率螺杆来增加钻头转速，提高破岩效率。

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（修改稿收到日期 2016-06-23）

〔编辑 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 Ø152.4 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 Ø152.4 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.

刘美玲（1984-）。2010年毕业于东北石油大学油气井工程专业，获硕士学位，现从事钻井设计与科研工作。通讯地址：（163453）黑龙江省大庆市让胡路区西宾路9号采油工程研究院5号楼215室。 电话：13644596580，0459-5960701。 E-mail：liushunliliumeili@126.com