江苏油田套管开窗侧钻井“一趟钻”技术

2023-11-23杨雪山蔡多卓窦正道魏秀乾张鑫

石油工业技术监督 2023年11期

关键词：机械钻速开窗钻具

杨雪山，蔡多卓，窦正道，魏秀乾，张鑫

1.中国石化江苏油田石油工程技术研究院（江苏扬州 225009）

2.中国石化江苏油田矿业开发有限公司（江苏扬州 225009）

3.中国石化江苏油田工程技术中心（江苏扬州 225009）

0 引言

油田生产过程中，由于套管损坏、产油量低等因素导致油气井无法正常生产，在老井套管中开窗侧钻，可以利用老井的部分套管和地面采输设施，减少征地难度，挖掘井间剩余油，让套损井和报废井起死回生[1-4]，具有投资少、见效快等优点，已成为许多油田老区挖潜和提高最终采收率的重要手段。

近年来，江苏油田老井开窗侧钻逐年增多，部署井数大幅增加，每年侧钻井在35 口左右，年累计增油量均在12 000 t 以上，为油田稳产发挥着举足轻重的作用。与常规钻井相比，套管开窗侧钻井由于受小井眼条件限制，以及设备、工具和工艺等因素影响，存在机械钻速低、施工周期长等问题。据统计，2021 年江苏油田侧钻井完钻39 口，平均井深2 199 m，平均裸眼长度700 m，机械钻速仅2.32 m/h，钻井周期长达22.71天。

“一趟钻”技术是钻井提速提效的有效手段[5-6]，探索“一趟钻”应用于套管开窗侧钻井，对于江苏油田大幅度提高侧钻井的机械钻速、缩短钻井周期，具有十分重要的意义。为此，江苏油田对套管开窗侧钻井进行了“一趟钻”技术攻关，开展钻头改型、螺杆优化设计、强化钻进参数和井眼轨迹控制等方面的研究，实现了套管开窗侧钻井一趟钻完钻，取得了明显的提速效果。

1 技术现状与难点分析

1.1 机械钻速低

目前江苏油田侧钻井井眼尺寸为Φ118 mm，钻头可选类型少，主要采用GYD517 和YC437 两种单牙轮钻头，单牙轮钻头直径小，轴承及牙掌强度低，其次是牙齿短及水力能量低。通过现场使用情况，单牙轮钻头与PDC 钻头相比，钻速正常要低15%左右。2021年江苏油田侧钻井完钻39口，平均裸眼长度700 m，机械钻速2.32 m/h，以此机械钻速计算700 m 裸眼段纯钻时间将超过300 h，而井下工具仪器寿命难以达到300 h 以上。要实现700 m 裸眼段“一趟钻”，需要将纯钻时间降到200 h 以内，这就要求平均机械钻速达到3.5 m/h以上。

1.2 井下工具使用寿命短

江苏油田侧钻井常用Φ118 mm 单牙轮+Φ95 mm 单弯螺杆+MWD 钻具组合，单牙轮钻头的使用寿命100 h 左右，单弯螺杆钻具的使用寿命100～120 h，MWD 定向仪的电池使用寿命为270～300 h。根据2019—2021 年侧钻井统计分析，单趟钻具平均使用寿命约96 h，螺杆、钻头工作寿命距离实现“一趟钻”所需的200 h 以上还有较大差距。

1.3 滑动钻井速度慢、效率低

江苏油田至今所钻侧钻井均为定向井，普遍采用三维轨道设计，最大井斜30°～45°，扭方位30°～60°，由于井眼小，所使用的钻具刚性低、柔性大、抗弯曲变形能力差，井斜和方位的漂移规律难以掌握，轨迹调整与控制是每口侧钻井施工的难点之一。滑动钻井反扭转角不易准确估算，工具面角很难摆到位，同时对钻井参数较为敏感，钻压增大对井斜、方位变化影响较大；钻压太小，导致机械钻速低，根据统计，滑动钻进时机械钻速仅为复合钻进的50%，随井深及井斜增大，滑动钻进时机械钻速降幅逐渐增大。

1.4 钻头易发生泥包

江苏油田侧钻井典型井身结构为斜井开窗侧钻、直井开窗侧钻，侧钻点斜深大部分在800～2 000 m，开窗点地层通常在三垛组及下部地层，实钻表明，三垛组和戴南组地层易水化膨胀，阜宁组易垮塌，特别是阜四段灰黑色泥岩钻头易泥包，前期采用PDC 钻头的试验井，因泥包导致起钻2～3 次，平均机械钻速1.55 m/h，严重影响钻井时效。

1.5 故障复杂频发

随着油田勘探开发的不断深入，侧钻井施工难度也不断增加，一方面表现在裸眼段长度逐年增加，另一方面老油区长期注水后导致地层压力系统紊乱造成的溢流、垮塌、井漏等井下复杂，一旦出现复杂，不可避免会造成“一趟钻”失败。2021年某作业公司施工的15 口侧钻井中有4 口井发生溢流、垮塌等复杂，不得不起钻更换钻具。

2 侧钻井一趟钻钻井关键技术

为实现江苏油田侧钻井一趟钻完钻，针对其钻井技术难点，从钻头优化设计、螺杆结构优化、钻进参数优化、钻具组合及井眼轨迹优化等方面进行了研究。

2.1 地层岩石可钻性评价

江苏油田侧钻井钻遇的地层有三垛组、戴南组、阜宁组，岩性为泥岩、砂岩、砂泥岩互层。对地层可钻性进行分析，总体上地层可钻性级值纵向上随着井深的增加而增大，地层可钻性属于软-中，可钻性好（表1）。

表1 地层可钻性分析表

2.2 高效PDC钻头

针对Φ118 mm 单牙轮钻头机械钻速慢的问题，首先确定选用使用寿命长的PDC钻头代替单牙轮钻头。通过分析，侧钻井对PDC 钻头的主要技术需求有3个方面：①具有强攻击性，能达到较高的机械钻速，同时能够高效排屑和预防卡钻；②较优的定向效果，滑动钻进时工具面具有高稳定性，能实现高造斜率，以满足调整轨迹需要；③具有防泥包特性。

基于岩石可钻性和地层特点，结合钻头模型模拟和现场应用情况(表2)，对PDC 钻头进行优化设计，优选出防泥包和工具面稳定性好的三刀薄翼PDC钻头（图1）。三刀薄翼PDC钻头优势如下：

图1 三刀翼高效PDC钻头

表2 PDC钻头在现场应用情况对比

1）强攻击性。三刀翼PDC 钻头采用进口高抗冲击复合片X-57 齿、直径13 mm，提高钻头攻击性45%，钻头更加耐用；采用后排齿设计、渐变的后倾角和旁侧角设计，提高切削效率，有利于提高机械钻速。

2）防泥包设计。PDC 钻头采用3 个流道互相不干扰设计；流道的线性设计按照泥浆的最优上返路径来设计，避免了阻流效应、回流干扰效应和涡流效应，高效排屑；各喷孔的内端头分别与分流区相通，各喷孔中分别安装有自振空化喷嘴，进一步提高排屑效率。

3）高工具面稳定性。PDC钻头工具面稳定性取决于钻头的反扭矩是否恒定，根据这一原理，采用钻头球面特性设计，钻头整个冠部到保径部分是一个物理的球面形状，这样最大限度地增加了钻头的稳定性；由于侧钻井钻压较低，一般1～2 t，针对低钻压工作特性，采用切削齿的物理露高2 mm。确保低钻压的情况下反扭矩恒定。

现场应用表明，三刀薄翼PDC 钻头工具面稳定，不易泥包，在Cma45-1 等井应用，机械钻速4.34 m/h，相比同区块邻井提速65%。

2.3 长寿命大扭矩螺杆钻具

为了实现侧钻一趟钻钻至完钻井深，螺杆钻具井下工作时间需要超过200 h，对于普通螺杆，已大大超过了性能的极限，其中最影响使用寿命的是万向轴总成。螺杆钻具工作时，万向轴起到传递扭矩的作用，其抗扭性能必须十分出色，采用球型万向轴代替瓣式万向轴（图2），提高了其承受轴向力的能力，延缓磨损速度；传动轴采用油密封，降低轴承组的磨损，提升输出整体效率和延长使用寿命；马达定子采用高硬度、耐温性175 ℃的橡胶制成。改进和优化后的螺杆钻具，最大扭矩2 400 N·m，使用寿命超过400 h，相比常规螺杆最大扭矩提升103.9%，使用寿命提升233%（表3）。

图2 长寿命大扭矩螺杆

表3 95 mm长寿命大扭矩螺杆与常规螺杆参数对比

2.4 低压降钻具组合优选

相比常规井，套管开窗侧钻井由于井眼小、钻具尺寸小和环空间隙小，造成钻具内的循环压耗大，到达螺杆的钻井液压力减小，螺杆功率和钻头水力能力低，影响了钻进效率[3]。根据研究，管内压耗占循环压耗的76.7%～83.1%，环空压耗占16.9%～23.3%（图3），明显高于常规井眼。

图3 不同排量下管内压耗和环空压耗

通过采用非标钻杆、Φ38 mm 的无线MWD 定向仪，优选出适合江苏油田侧钻井的低压降钻具组合，既能降低循环压耗，解决泵压高的难题，又能加大循环排量，提高携岩能力，清洁井眼，提高钻井速度。

2.4.1 非标钻杆

结合现有常规侧钻井钻杆管体的外径为Φ73 mm，两端接头外径为Φ105 mm，研究采用外径Φ79.4 mm、内径Φ58.5 mm 的管体与小接箍Φ104 mm 组合的非标钻杆，增大了管内空间，小接头外径处增加了环空空间，大内径大外径管体降低了钻具环空的循环压耗。

通过计算分析，采用非标钻杆，相比常规钻杆，循环压耗降低2～4.1 MPa，排量越高，井深越深，循环压耗降低越明显（图4、图5）。

图4 不同排量下非标钻杆与常规钻杆循环压耗对比

图5 不同井深下非标钻杆与常规钻杆循环压耗对比

2.4.2 低压降MWD定向仪

江苏油田常规侧钻井钻具组合采用Φ89 mm无磁钻铤与Φ48 mm 的有线MWD 定向仪组合，环空间隙仅为3 mm，环空压耗大。引进无线Φ38 mmMWD 定向仪，明显小于有线MWD 定向仪的外径，电池使用寿命为270～300 h。采用Φ89 mm 无磁钻铤与Φ38 mm 无线MWD 定向仪组合，增加定向工具与无磁钻铤之间的环空间隙，环空间隙扩大到8 mm，降低循环压耗0.5～1 MPa，对定向仪和设备损伤较小，提高了施工时效。

3 应用效果

2022 年在Cma45-1 开展侧钻“一趟钻”关键技术试验，Cma45-1 开窗点796 m，开窗点地层为三垛组，完钻井深1 625 m，目的层戴一段，采用三刀薄翼PDC 钻头+长寿命大扭矩螺杆+低压降钻具组合提速工艺，一趟钻完成829 m 进尺，钻井周期8.13 天，机械钻速4.34 m/h，一趟钻钻进时间191 h，相比邻井钻井周期缩短40.7%，提速65%，一趟钻钻进时间提高了98.9%。

后续在15口井进行了推广应用，7口井实现“一趟钻”完钻，机械钻速、井下仪器工具寿命明显提高，平均机械钻速3.58 m/h，钻井周期11.94天，相比2021年侧钻井，提速54.3%，缩短钻井周期90.2%。“一趟钻”钻井时间最长达到315 h，单趟进尺最高921 m，Czhen155最高日进尺165 m，提速提效效果显著（表4）。