导向钻井工具综合优选模型及其应用

杨玉贵 刘兆年

(中海油研究总院有限责任公司， 北京 100027)

常用的定向井钻井导向方式主要有滑动导向和旋转导向。滑动导向钻井比较成熟，在油田开发中应用广泛，而旋转导向钻井系统需租赁国外服务公司的工具及服务[1-4]。相较而言，滑动导向钻井日费较低，但其机械钻速较低，钻井效率不高；旋转导向钻井系统租赁成本较高，但其机械钻速高，钻井效率也相对较高。在定向井开发中，选用滑动导向还是旋转导向，需要根据实际钻井情况进行优选[5-6]。

本次研究以渤海油田160口开发井的统计数据为基础，对旋转导向和滑动导向的实际应用情况及其机械钻速分布特征进行分析，筛除区域相似因素及次要影响因素，建立了以综合机械钻速和钻井综合日费为函数的定向井钻具组合经济优选模型。以中海油渤海地区定向井钻井为例，确定经济高效的定向钻井钻具组合应用条件。

1 渤海地区定向井段机械钻速分析

当地质条件、井眼轨迹、钻井参数和泥浆性能等因素相近时，所用井下钻具组合就成为影响定向井机械钻速的重要因素。我们利用钻井数据库，对渤海地区2009年以来6个油田的部分定向井段基本数据进行了统计(见表1)。 共统计160口开发井，其中65%为水平井，其余35%为大斜度井和定向井，完钻井深度为1 500～ 4 500 m。 定向钻具组合有350个，其中旋转导向(RSS)造斜钻具组合有111个，滑动导向(PDM)造斜钻具组合有239个。

统计并对比不同定向井段的RSS和PDM平均机械钻速(ROP)(见图1)，以及不同造斜井段平均机械钻速随深度的变化(见图2)。 根据这2种定向钻具组合在不同深度的机械钻速分布，总结以下规律。

(1) 应用深度分布特征。PDM多应用于测深小于1 500 m的定向井段，而RSS更多地用于测深大于1 500 m的定向井段。测深小于1 500 m的PDM占全部PDM的82%，占同深度造斜钻具组合的85%；而测深大于1 500 m的RSS占全部RSS的72%，占同深度定向井段钻具组合的68%。

(2) 同深度范围机械钻速对比，以及机械钻速深度敏感性特征。在同深度条件下，RSS的平均机械钻速相比PDM普遍较高，且二者的差距随深度加深而加大。同时，PDM对深度变化更敏感，其机械钻速降幅远大于RSS。在不同深度条件下，RSS平均机械钻速相比PDM有不同程度的提高：在深度小于1 000 m的井段，提高了17%；在深度为1 000～1 500 m 的井段，提高了33%；在深度为1 500～2 000 m 的井段，提高了23%；在深度为2 000～2 500 m 的井段提高了97%。

表1 渤海地区6个油田的定向井段基本数据

图1 渤海6个油田不同造斜井段平均ROP随深度变化

图2 PDM与RSS的平均ROP对比

2 定向钻井钻具组合经济优选模型

按照与钻井工期的关系，可以将钻井费用分为与钻井工期相关的费用部分和与钻井工期无关的钻井费用部分[7]。此处针对2种定向钻具组合进行优选，并考虑渤海地区钻井作业的相似性，对模型予以简化处理。模型只考虑与钻进时间相关的钻井费用部分，即定向井服务费和除去定向井服务费的钻井综合日费。与钻进时间相关的钻井综合费用的计算公式如下：

单井钻井综合费用 = 钻进时间×(钻井综合日费+定向井服务日费)

基于渤海一般钻井服务费水平和平均机械钻速统计结果，建立以综合机械钻速和钻井综合日费为函数的定向井钻具组合经济优选模型，见式(1)和式(2)：

(1)

(2)

式中：CPDM—— 与PDM钻进时间相关的钻井综合费用，万元；

CRSS—— 与RSS钻进时间相关的钻井综合费用，万元；

L—— 定向钻井段长度，m；

vPDM——L井段PDM钻进的平均机械钻速，mh；

vRSS——L井段RSS钻进的平均机械钻速，mh；

C—— 不含定向井服务费而与钻进时间相关的其他钻井综合日费，万元。

3 案例计算与分析

为了快速确定不同钻井条件下哪种钻井工具更加经济高效，针对渤海地区建立了2种定向钻井方式的单井钻井综合费用对比图版(见图3和图4)。根据图3可判断不同钻井综合日费条件下，当定向井段长度不同时的优选结果。以RSS与PDM钻井综合费用比λ所代表的虚线进行判断，设λ=CRSSCPDM。当λ>1时(虚线以上)，采用PDM定向钻井更经济合算；当λ<1(虚线以下)，采用RSS定向钻井更经济高效。由图4可得当C取100万元时不同井段深度范围下的定向井钻具组合优选结果。以此类推并综合图3可知，随着钻井综合日费C的增加及井段深度的加深，RSS经济优势更突出。

图3 不同钻井综合日费下的单井钻井综合费用比值

图4 不同井深下的单井钻井综合费用比值

综上所述，在钻井综合日费相同的情况下，λ随着定向井段长度的增大和井深增加而减小；随着钻井综合日费的增多，λ值逐渐减小。这说明RSS钻进方式更适用于钻井综合日费较高、定向井段较长、井深较深的情况，而PDM则与此相反。

根据表2所示模型计算结果可知，在定向井段长度大于300 m 的前提下，综合日费>40～120万元时在井深大于2 000 m的井段，或综合日费>120～200万元时在井深>1 000 m的井段，或综合日费>200万元时在任何深度井段，采用RSS定向钻井方式都要比采用PDM钻井方式更加经济高效。相反，在定向井段长度小于800 m的前提下，钻井综合日费分别在>80～120、>30～80、0～30万元时，对应的PDM定向钻井经济应用井段井深依次为<1 000 m、<2 000 m、<2 500 m。一般而言，渤海地区定向井段长度为300～800 m，从经济、高效钻井的角度考虑，当钻井综合日费大于200万元时尽量采用RSS定向钻井方式。

表2 PDM与RSS造斜钻进方式的经济应用条件计算结果

4 结 语

(1) 渤海地区深度小于1 500 m的定向井段多采用滑动导向钻具组合，深度大于1 500 m的定向井段多采用旋转导向钻具组合。在深度范围相同的定向井段，旋转导向机械钻速普遍高于滑动导向机械钻速，滑动导向钻井机械钻速对井深变化更敏感。

(2) 旋转导向定向钻井更适合用于钻井综合日费较高、定向井段较长、定向井井深较深的情况；反之，采用滑动导向钻进方式更经济有效。

(3) 在渤海地区深度大于2 000 m的井段或钻井日费超过200万元时，采用旋转导向(RSS)钻井更经济高效；而钻井日费低于120万元时在井深小于1 000 m的井段采用滑动导向(PDM)钻井更经济有效。