长宁页岩气井215.9 mm井眼水力参数强化研究及应用

伍葳 郭建华 曹权 米瑞雪 孟鐾桥 刘媛

(1. 中国石油西南油气田分公司工程技术研究院， 成都 610017；2. 中国石油西南油气田分公司页岩气研究院， 成都 610017)

近年来，非常规气藏开采已进入黄金时期。国内针对页岩气钻井提速的问题展开了多种讨论，但从钻井参数强化角度进行研究的较少[1-4]。而北美部分国家早已展开了钻井参数强化研究，并成功地应用于气井开发。如，美国Delaware区块某气井开发中，其Φ215.9 mm井眼在使用1.55 gcm3油基钻井液，且平均排量为35 Ls、泵压为35 MPa的条件下，仅耗时14 d就完成了全井5 754 m进尺。与其相比，长宁区块整体上泵压、排量偏低，平均机械钻速大大低于美国页岩气区块。长宁区块钻井水力参数强化仍有较大空间。本次研究中，结合钻井施工工艺及相关技术，针对长宁区块完钻井 —— A井，对其Φ215.9 mm井眼水力参数进行强化研究，以期指导相关设计及现场施工，进一步实现钻井提速。

1 长宁区块A井基本概况

长宁区块已完钻丛式水平井的平均完钻井深约为4 750 m，产层龙马溪组垂深基本上小于3 500 m，平均水平段长度约为1 550 m，平均机械钻速约为6.16 mh，平均钻井周期约为96.88 d。其中，A井为工区内一口直改平井，其钻井周期为51.13 d，平均机械钻速为3.57 mh。该井采用的是“四开四完”成熟钻井工艺，其中Φ215.9 mm钻头从主井筒井深1 800 m(韩家店组)处开始实施侧钻，在油基钻井液条件下钻至井深4 650 m(即龙马溪组，产层中深2 608 m)完钻，水平段长1 500 m，下入Φ139.7 mm套管到位后注水泥固井。图1所示为A井实钻井身结构图。

图1 A井实钻井身结构图

在硬件配置方面，A井完成了设备改造升级，配置了3台F-1600HL型52 MPa高压钻井泵，地面循环系统的承压等级同步升至52 MPa。为了给水力参数强化创造技术条件，选用Φ139.7 mm+Φ127 mm复合钻具组合。其中，Φ139.7 mm钻杆、Φ127 mm钻杆均为非标大水眼钻杆[56]，且Φ139.7 mm钻杆拟使用于上部直井段。

2 水力参数强化研究

应用Landmark Wellplan软件，展开A井水力参数相关模拟计算。其中，钻具组合、钻井液、循环系统、井深等资料如下：

(1) 钻具组合。将实钻钻具组合简化为：Φ215.9 mmPDC钻头+旋转导向工具(LWD)+Φ127 mm加重钻杆2柱+Φ127 mm钻杆+Φ139.7 mm钻杆。其中，Φ127 mmΦ139.7 mm非标大水眼钻杆规格参数如表1所示，旋转导向工具(LWD)在排量取30、32 Ls时所对应的压降分别为4.5、5.0 MPa[7]。

(3) 循环系统。其中，地面管汇压耗取1 MPa；宝石机械厂F-1600HL三缸单作用钻井泵，容积效率为90%，机械效率为90%。

(4) 模拟井深。完钻井深4 650 m。

表1 Φ127 mmΦ139.7 mm非标大水眼钻杆规格参数

表1 Φ127 mmΦ139.7 mm非标大水眼钻杆规格参数

序号规格型号扣型接头外径∕mm接头内径∕mm钻杆壁厚∕mm本体内径∕mm15″S135DS×18°DS50168.385.79.19108.62251∕2″S135×18°GPDS55177.8101.69.17121.36

表2 A井油基钻井液实测性能参数表

2.1 双约束条件确定排量范围

双约束条件，是指钻井过程中既要满足最低携岩排量保证井筒清洁，又要防止环空上返钻井液流速过快冲蚀井壁，故钻井液排量需处于相应的最小排量与最大排量之间[8-10]。

(1) 最小排量。以开始形成岩屑床的瞬时排量为临界排量，针对Φ215.9 mm井眼各测深携岩临界排量进行计算。其中，给定转盘转速为100 rmin；预计机械钻速在强化参数条件下提至15 mh；考虑岩屑载荷，岩屑直径取软件默认值6.1 mm，密度取2.60 gcm3，岩屑床孔隙度取36%[11]；计算步长取9.15 m。

(2) 最大排量。为了保证井壁的稳定性，钻井液循环时宜尽量保持层流状态，以减轻对井壁的冲蚀力度[8,12]。综合考虑川南龙马溪组产层为较稳定硬脆性致密页岩及工区水平段高排量施工实践等因素，选定水平段紊流临界排量的1.5倍值为最大排量。输入A井钻进工况下的井筒条件，同时考虑岩屑载荷，计算得到紊流临界排量，并取其1.5倍值为最大排量。

根据计算结果，绘制图2所示A井排量-井深关系图。结合前期施工参数，确定双约束条件下Φ215.9 mm井眼的合理排量区间为18.88～36.28 Ls。

图2 A井排量-井深关系图

2.2 套缸选择

根据钻井泵的工作特性，将其工作状态分为额定泵压工作状态和额定功率工作状态。从泵的工作状态可知，仅当泵排量等于额定排量时，钻井泵才可能在特定缸套情况下同时达到额定功率和额定泵压，以实现机泵的最大化动用。缸套选择应尽量遵循选定尺寸缸套对应额定排量与实钻排量一致的原则[13-14]。

A井所用钻井泵为F-1600HL高压钻井泵，其工作参数见表3[15]。目前，长宁气田平台井一般配置3台钻井泵，钻进时根据工况需求启用1台备用2台，或启用2台备用1台。根据前述双约束条件下所得的排量范围，结合实钻情况及水力参数强化技术需求，初步确定以上限排量36.28 Ls为目标排量。查表可知，在当前钻井泵型号与数量配置条件下，该系列各尺寸缸套均满足排量要求。同时，为了避免更换缸套，影响生产时效，综合考虑选用Φ120 mm缸套。在启用2台钻井泵的情况下，最大输出排量为37.22 Ls，满足初步优选的排量要求。

表3 F-1600HL高压钻井泵工作参数

2.3 钻头水力能量分析

钻头有4种工作方式，即最大射流喷速、最大钻头比水功率、最大射流冲击力及其组合等方式。实践表明，环空面积较小的深部井段，宜采用最大钻头比水功率方式钻进。故依据最大钻头比水功率原则进行分析，确定最优排量和最优钻头喷嘴过流面积，以尽可能降低沿程能量损耗，提高井底钻头当量破岩水力能量[13-14]。

以钻头比水功率为跟踪标的，给定泵压为有效额定泵压，即47.18 MPa(额定泵压51.9 MPa，安全系数取1.1)。通过软件运算得出钻头水力能量优化结果(见图3)，读出某一特定排量下为实现最大钻头比水功率所匹配的最优钻头喷嘴过流面积。由此可知，在给定排量为30.33 Ls的条件下，最优钻头喷嘴过流面积为1.90 cm2，最大钻头比水功率为2.08 kWcm2。

2.4 排量与钻头喷嘴优化

材料存在磨损冲蚀速度下限(即门槛冲蚀速度，取决于粒子性能和材料性质)，低于该速度时流体只会发生弹性碰撞，而高于该速度时流体会对材料造成冲蚀破坏。因此，在选择钻进排量与钻头喷嘴组合时，应避免PDC钻头喷嘴流速高于临界冲蚀流速[16-17]。根据史密斯等钻头公司的现场实践经验，为了防止PDC钻头造成冲蚀破坏，在排量设计中应使喷嘴流速不高于140 ms。将优选的数据整理之后，计算对应喷嘴流速(见表4)。避免冲蚀前提下的最佳排量为36.25 Ls，最佳喷嘴过流面积为2.59 cm2，对应的最大钻头比水功率为1.93 kWcm2。

图3 A井钻头水力能量优化示意图

在安装Φ120 mm缸套的情况下，启用2台F-1600HL高压钻井泵可满足排量供液要求，系统循环压耗低于系统承压等级，且ECD低于地层破裂压力系数。排量36.25 Ls处于双约束条件排量范围内，因此，钻进排量取36.25 Ls是可行的。采用该排量钻进，可在满足携岩能力、机泵工作能力和循环系统承压能力，以及防止井壁冲刷、防止钻头冲蚀等条件下，实现机泵的合理动用，且使钻头获得相对最大水力能量。

需注意的是，因各厂家生产的钻头喷嘴数量与布局有所不同，在相同的钻井液过流面积下改变喷嘴组合对钻井水力能量的影响较小[18]，故对钻头喷嘴组合不再详述。根据工区水平段钻井实践经验，在给定最优喷嘴过流面积的情况下，拟推荐等径喷嘴组合。

3 强化效果分析

分别计算A井在设计参数、实钻参数以及优化参数条件下的压力损耗与功率损耗情况，进行数据对比。由表5所示A井钻头能量分配情况可知，强化方案中在适当提高排量至36.25 Ls、缩小喷嘴过流面积至2.59 cm2的情况下，机泵效用得以充分利用，且钻头所分配水力能量大幅增加。对比如下：参数强化后的钻头比水功率为751.5 kW，是实钻最大钻头比水功率(80.8 kW)的9.30倍，是设计最大钻头比水功率(189 kW)的3.98倍；参数强化后钻头压降为20.7 MPa，是实钻压降最大值(2.7 MPa)的7.67倍，是设计压降最大值(4.7 MPa)的4.40倍。

4 应用效果

根据上述研究结果，在K井进行水力参数强化现场应用实践。K井为长宁页岩气水平井优化系统快速钻井项目的一口试验井。与工区平均水平相比，K井实钻水力参数得到明显强化，并提速成功。在硬件配置方面，启用2台F-1600HL高压泵并安装Φ140 mm缸套，许用泵压上限为35 MPa；旋转导向钻具组合中采用Φ139.7 mm的S135钢级非标大水眼钻杆，钻头采用等径喷嘴组合5×10.32 mm，当量钻头喷嘴过流面积为4.18 cm2，远小于工区水平(约5～25 cm2)。在2195 — 4 380 m龙马溪组页岩井段实际钻进作业中，钻井液的密度为1.90～1.95 gcm3，排量为28～35 Ls(工区平均20～25 Ls)，泵压为16～32 MPa，平均机械钻速为15.32 mh。较之工区当前平均机械钻速水平(7.90 mh)，提速幅度高达93.92%。由此可见，水力参数强化的应用效果显著。

表5 A井钻头能量分配情况

5 结 语

通过理论计算及现场实践可知，在钻井装备、地面设备及钻井工具等硬件可靠的前提下，通过实施水力参数强化，可相对最大化动用钻井泵及实现钻头水力能量分配，显著提高井底破岩效率，工区钻井提速可期。

综合考虑工区单井工程地质条件所存在的差异性及设备可靠性，拟推荐的Φ215.9 mm井眼水力参数强化方案为：启用2台F-1600HL高压泵，安装Φ120 mm缸套，排量为35～40 Ls，钻头喷嘴过流面积为2.5～5.0 cm2。考虑长宁气田产层埋深、岩性、压力系统、钻井施工工艺及水平段长等地质工程条件，以A井为研究对象拟推荐的Φ215.9 mm井眼水力参数强化方案，适用于工区内3 500 m以浅至1 500 m水平段长页岩气水平井的开发。

另外，强水力参数对钻井装备与钻井工具提出了更苛刻的要求。为了保证相关钻井硬件在强参数条件下能够长时间正常工作，应相应完成钻井泵改造升级及缸套等易损件质量加强、配置非标大水眼钻具、加强随钻测量仪器对井下工作环境的适应性等硬件匹配改良工作。