顺北油田钻井参数强化的提速效果评价

2021-07-25李银婷董小虎

钻探工程 2021年7期

李银婷，董小虎

（1.中国石化西北油田分公司石油工程技术研究院，新疆轮台 841600；2.中国石化西北油田分公司石油工程监督中心，新疆轮台 841600）

0 引言

塔里木盆地顺北油田地处新疆维吾尔自治区沙雅县境内，属顺托果勒构造低隆北缘。顺北区块钻井平均井深超过7900 m，属超深井范畴。X、Y 井为顺北油田7 号断裂带的勘探井，所需钻穿的地层较多，井段较长，其中志留系塔塔埃尔塔格组、柯坪塔格组，奥陶系桑塔木组地层压实作用强，深部地层的超致密压实作用，使岩石具有高强度、高硬度、高研磨性等特点，导致钻头破岩困难，一般钻井周期在200 d 以上，期望提高机械钻速，达到提速增效的目标［1-3］。其中钻头优选、提速工具优选、钻井液优化、钻井参数优化是钻井提速的有效办法。为此，顺北油田7 号断裂带开展了钻井参数强化的现场试验。

1 基本情况

1.1 井身结构

X、Y 井为7 号断裂带南部的2 口相距2.3 km 的勘探井，采用顺北区域内较常见的四开制井身结构［4］，X 井具体为：

（1）一开Ø444.5 mm 牙轮钻头，采用聚合物无固相钻井液钻至上新近系地层，井深1200 m，下入Ø339.7 mm 表层套管，常规注水泥浆固井，水泥浆返至地面。

（2）二开Ø311.2 mm PDC 钻头，采用氯化钾聚合物和钾胺基聚磺钻井液钻穿卡拉沙依地层4 m，井深5464 m，下入Ø244.5 mm 技术套管，双级固井，水泥浆返至地面。

（3）三开Ø215.9 mm PDC 钻头，采用钾胺基聚磺钻井液钻入至奥陶系一间房组5 m，井深7671 m，下入Ø177.8 mm 油层尾管，悬挂后固井。

（4）四开Ø149.2 mm PDC 钻头，采用高效低摩阻钻井液钻至奥陶系鹰山组565.84 m（斜深）完钻，井深8233.8 m，裸眼完井。

1.2 硬件配置

X 井采用9000 m 电动钻机，配置了3 台F-2200型高压泥浆泵，地面循环系统的额定承压能力52 MPa，硬件设备配制可以实现水力参数强化；Y 井采用7000 m 加强型电动钻机，施工期间配制F-1600型泥浆泵2 台，地面循环系统额定承压能力为35 MPa，水力参数强化受限于硬件设备能力。2 口井均搭配了顶驱装备，为机械破岩参数稳定提供了硬件设备保障，X 井更高的设备配置为钻井参数强化提供了设备保障。

2 对比井段选取及施工数据

三开井段裸眼段长，穿越志留系塔塔埃尔塔格组、柯坪塔格组，奥陶系桑塔木组地层提速需求高［1］，具有较好的对比评价意义，故选取三开井段进行对比分析。

2.1 钻具组合

X 井：Ø215.9 mm PDC 钻头（水眼：Ø22 mm×5个）＋Ø172 mm 螺杆＋浮阀＋Ø158.8 mm 钻铤×1根＋Ø212 mm 扶正器＋定向接头＋Ø155.8 mm 无磁钻铤×1 根＋Ø158.8 mm 钻铤×14 根＋Ø127 mm加重钻杆×9 根＋Ø127 mm 钻杆＋Ø139.7 mm钻杆。

Y 井：Ø215.9 mm PDC 钻头（水眼：Ø22 mm×3个＋Ø20 mm×2 个）＋Ø172 mm 螺杆＋Ø177.8 mm无磁钻铤＋无磁悬挂＋Ø212 mm 扶正器＋Ø165.1 mm 钻铤×18 根＋Ø127 mm 加重钻杆×9 根＋Ø 127 mm 钻杆＋Ø139.7 mm 钻杆。

2.2 钻井液

采用钾胺基聚磺钻井液体系。

X 井主要钻井液性能：密度1.35 g/cm3、粘度48 s、塑性粘度24 mPa·s、动切力5.5 Pa、初终切力1/5.5 Pa、失水量3.6 mL、HTHP 失水量10 mL。

Y 井主要钻井液性能：密度1.38 g/cm3、粘度50 s、塑性粘度20 mPa·s、动切力6.5 Pa、初终切力2/6 Pa、失水量3.6 mL、HTHP 失水量9.6 mL。

2.3 循环系统

X 井用宝石机械厂F-2200 型三缸单作用钻井泵3 台，并配备Ø170 mm 缸套，冲程356 mm，实钻中单泵钻进。

Y 井用宝石机械厂F-1600 型三缸单作用钻井泵2 台，并配备Ø170 mm 缸套，冲程304 mm，实钻中双泵钻进。

3 施工参数对比分析

7 号断裂带南部三开井段在5464～7671 m，裸眼段地层稳定，提速方面潜力大。在井下螺杆转动和地面顶驱转动的复合钻井情况下［5］，选取2 口相邻探井的钻井参数强化前后的施工情况进行对比分析。查阅综合录井曲线数据可知，三开段钻进中X井实施的钻井参数较Y 井更强，对应的平均机械钻速更高，其中X 井钻进排量控制在螺杆厂家推荐最大耐受排量以下，钻压和转速参数强化需满足设备和井下工具正常工作。具体而言，X、Y 井三开井段的平均钻压分别为64.91、83.34 kN；平均转速分别为52.29、44.1 r/min；平均排量为35.25、29.45 L/s；平均泵压为27.52、19.83 MPa；机械钻速分别为8.86、4.18 m/h，两井机械钻速对比情况见图1。

图1 X、Y 井三开井段5600～7500 m 机械钻速对比Fig.1 Comparison of ROP at the third sections from 5600m to 7500m of X well and Y well

3.1 水力参数

在三开5600～7500 m 井段，每隔10 m 取一个数据点，建立排量和泵压的对比图（见图2）。从图2 中可见X 井实钻水力参数强于Y 井。其中：X、Y 井的泵压分别为25.5～28.5、18～22.7 MPa，平均泵压分别为27.52、19.83 MP；排量分别为31.8～40、27～33.2 L/s，平均排量分别为35.12、29.45 L/s。

图2 X、Y 井三开井段5600～7500 m 水力参数对比Fig.2 Comparison of hydraulic parameters at the third sections from 5600m to 7500m of X well and Y well

复合钻井施工时，水力参数主要作用体现在水力破岩、螺杆转速和井底净化3 个方面。通过钻头喷嘴的水力射流产生的冲击力，辅助钻头破岩，在螺杆厂家推荐排量范围内［6-8］，排量增加时传递螺杆的水能量增大，螺杆转速越高，增加钻头转动切削破岩频次，从而提高机械钻速，其中［9-10］：

钻头水功率：

钻头冲击力：

式中：N——钻头水功率，kW；ρ——钻井液密度，g/cm3；Q——排量，L/s；C——常数，取0.95；G——常数，取0.95；F——钻头冲击力，kN；A——钻井液过流面积，cm2。

由表1 可知，X 井在钻井液密度更低、水力参数更高的情况下，螺杆工作能力更强，钻头的冲击力更高，钻头水功率更高，相同井段X 井较Y 井的机械钻速更高，表明强水力参数更有利于井底钻头破岩，与机械钻速具有一定正相关关系。但需指出的是，机械钻速受地层差异、钻头磨损程度等多种因素影响，局部范围内两者趋势并非完全一致。

表1 X、Y 井在5600～7500 m 井段的水力能量对比Table 1 Comparison of hydraulic energy at the well section from 5600m to 7500m of X well and Y well

3.2 机械破岩参数

在三开5600～7500 m 井段，每隔10 m 取一个数据点，建立钻压和扭矩的对比图（见图3），由图3可知，X 井实钻机械破岩参数总体强于Y 井。

图3 X、Y 井三开井段5600～7500 m 机械破岩参数对比Fig.3 Comparison of mechanical parameters at the third sections from 5600m to 7500m of X well and Y well

运用Teale R 等所提出的经典机械比能模型，对机械破岩参数进行分析评价，其模型为［11-13］：

式中：E——机械比能，MPa；W——钻压，kN；v——机械钻速，m/h；d——钻头直径，mm；n——转速，r/min；T——扭矩，kN·m。

在三开5600～7500 m 井段，每间隔10 m 取一个数据点，对应井深的实钻钻压、转速、扭矩、机械钻速及钻头直径等代入公式（3），得出X 与Y 在对应井深所对应机械比能分别为0.23～2.15、0.52～3.5 MPa。将计算结果进行插值作图（见图4）。

图4 X、Y 井三开井段5600～7500 m 机械比能对比Fig.4 Comparison of mechanical specific energy at the third sections from 5600m to 7500m of X well and Y well

由图1 和图4 可知，在三开井段5600～7500 m，X 井较Y 井而言，其机械比能明显更低而机械钻速更高，即X 井在破碎单位体积岩石的耗费机械能量更低且相应破岩速度更快，一定程度上表明X 井的钻头在相同岩层钻进时攻击性更好，实施的强机械破岩参数更有助于井底破岩。

4 参数强化效果评价

X、Y 井三开5600～7500 m 井段，均3 趟钻完成进尺，钻具组合相似，机械钻速分别为8.86、4.18 m/h。X、Y 井的钻头纯钻时间差异明显，具体见表2。钻头磨损情况见图5、图6。

图5 X 井第一趟钻的钻头磨损对比Fig.5 Comparison of bit wear before and after the first tripping in X well

图6 Y 井第一趟钻的钻头磨损对比Fig.6 Comparison of bit wear before and after the first tripping in Y well

表2 X、Y 井的钻头使用情况对比Table 2 Comparison of bit usage between X well and Y well

X、Y 井在3 趟的钻进进尺一致，可满足三开进尺需求，辅助起下钻时间相同。X 井通过钻井参数强化，提高了钻头和螺杆的工作效率，通过提高破岩效率［14-15］，提升机械钻速，在纯钻时间245.3 h 完成进尺。Y 井3 趟钻，使用常规钻井参数施工，纯钻时间477.5 h，钻头磨损少，完成了进尺任务。X 井较Y井机械钻速显著提高，在相同井段施工中缩短纯钻时间232.2 h，钻井周期节约超过10 d，综合评价设备、油料、工具损耗和工程周期结余的经济效益，X井较Y 井经济效益显著提升。