江苏油田套管开窗侧钻井“一趟钻”技术.pdf

Technology Stetroleum Industry1Vol.39 No.11第39 卷第11期Nov.20232023年11月石油工业技术监督江苏油田套管开窗侧钻井“一趟钻 技术杨雪山，蔡多卓，窦正道，魏秀乾3，张鑫1.中国石化江苏油田石油工程技术研究院（江苏扬州2 2 50 0 9）2.中国石化江苏油田矿业开发有限公司（江苏扬州2 2 50 0 9）3.中国石化江苏油田工程技术中心（江苏扬州2 2 50 0 9）摘要开窗侧钻井由于井眼尺寸小，设备、工具受限，实现“一趟钻”面临着更大挑战。通过分析侧钻井地质工程难点，开展“一趟钻”关键技术与工具研究。优化PDC钻头刀翼布局和流道的线性设计，增强钻头工具面稳定性及防泥包特性；优化螺杆设计，延长螺杆的使用寿命，提高输出功率，有利于提升水力清洁效果和轨迹调整的效率，确保“一趟钻”的实现。通过应用“一趟钻”钻井技术，7 口井实现侧钻一趟钻完钻，钻井周期缩短9 0.2%。结果表明，江苏油田套管开窗侧钻井“一趟钻 技术能顺利实施，且提速效果显著，可为国内侧钻井提速提效提供有益的借鉴。关键词侧钻井；“一趟钻 技术；高效钻头；长寿命螺杆；低压耗D01:10.20029/j.issn.1004-1346.2023.11.012Application of One-Trip Drilling Technology for Lateral Well Drilling withCasing Window in Jiangsu OilfeildYANG Xueshan,CAI Duozhuo,DOU Zhengdao,WEI Xiuqian,ZHANG Xin?1.Jiangsu Oilfield Petroleum Engineering and Technology Research Institute,Sinopec(Yangzhou,Jiangsu,225009)2.Jiangsu Oilfield Mining Development General Company,Sinopec(Y angzhou,Jiangsu,225009,China)3.Jiangsu Oilfield Engineering and Technology Center,Sinopec(Y angzhou,Jiangsu,225009,China)Abstract One-trip drilling technology for lateral well drilling with casing window faces greater challenges due to the samll welbore sizeand limitations on equipments and tools.To achieve“one-trip drilling,research has been conducted on key technologies and tools byanalyzing the geological and engineering difficulties in lateral well drilling.The linear design of PDC cutter layout and flow channels hasbeen optimized to enhance stability and anti-balling characteristics of the drilling tools.Screw design has also been optimized to prolongthe lifespan and increase output power,which improves hydraulic cleaning and trajectory adjustment efficiency,ensuring the realizationof“one-trip drlling.By applying the one-trip dilling technology,seven wells in Jiangsu Oilfield have achieved completion of lateraldrilling in a single run,resulting in a 90.2%reduction in drilling time.Our results demonstrate that the one-trip drilling technology forlateral drilling with casing window in Jiangsu Oilfield can be smoothly implemented with significant acceleration effects,providing valu-able references for improving speed and efficiency in domestic lateral drilling operations.Key words lateral well drilling with casing window;one-trip drilling technology;high efficiency bit;long-life screw;low annularpressure loss杨雪山，蔡多卓，窦正道，等.江苏油田套管开窗侧钻井“一趟钻 技术 J石油工业技术监督,2 0 2 3,39(11):55-59.YANG Xueshan,CAI Duozhuo,DOU Zhengdao,et al.Application of one-trip drilling technology for lateral well drilling with casingwindow in Jiangsu Oilfeild JJ.Technology Supervision in Petroleum Industry,2023,39(11):55-59.0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，让套损井和报废收稿日期：2 0 2 3-0 5-12；修回日期：2 0 2 3-0 6-13基金项目：江苏油田局级科研项目“侧钻井优快钻井配套技术研究应用（编号：JS22027）。作者简介：杨雪山（19 8 5),男，硕士，副研究员，现主要从事钻井工程研究、设计和储层保护工作。E-mail:56石油工业技术监督井起死回生I-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 0 0 0 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，2 0 2 1年江苏油田侧钻井完钻39 口，平均井深2199m，平均裸眼长度7 0 0 m，机械钻速仅2.32 m/h，钻井周期长达2 2.7 1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江苏油田套管开窗侧钻井通常在139.7 mm(5%）套管开窗侧钻，小井眼钻井具有钻具柔性强、环空间隙小和循环压耗高等特点 7-8 。通过分析，不能实现“一趟钻 完成的主要地质工程原因有：机械钻速慢导致“一趟钻”钻井时间长；部分井下工具寿命短，不能实现井下工具等寿命配套；滑动钻井速度慢、效率低、轨迹调整频繁，进一步影响侧钻井钻井速度19-10 ;井漏、跨塌、出水等复杂频发中断“一趟钻”等。1.1机械钻速低目前江苏油田侧钻井井眼尺寸为118mm，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。2 0 2 1年江苏油田侧钻井完钻39 口，平均裸眼长度7 0 0 m，机械钻速2.32 m/h，以此机械钻速计算700m裸眼段纯钻时间将超过30 0 h，而井下工具仪器寿命难以达到30 0 h以上。要实现7 0 0 m裸眼段“一趟钻”，需要将纯钻时间降到2 0 0 h以内，这就要求平均机械钻速达到3.5m/h以上1.2夫井下工具使用寿命短江苏油田侧钻井常用118mm单牙轮+95mm单弯螺杆+MWD钻具组合，单牙轮钻头的使用寿命10 0 h左右，单弯螺杆钻具的使用寿命10 0 120h，M W D 定向仪的电池使用寿命为2 7 0 30 0h。根据2 0 19 2 0 2 1年侧钻井统计分析，单趟钻具平均使用寿命约9 6 h，螺杆、钻头工作寿命距离实现“一趟钻 所需的2 0 0 h以上还有较大差距。1.3清滑动钻井速度慢、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8 0 0 2 0 0 0 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1.55m/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人，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。2 0 2 1年某作业公司施工的15口侧钻井中有4口井发生溢流、跨塌等复杂，不得不起钻更换钻具。2侧钻井一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57杨雪山等：江苏油田套管开窗侧钻井“一趟钻”技术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 地层可钻性分析表地层可钻性级值类E2s21.31 3.37软E2s12.354.09软E2d22.43-5.23软-中E2di2.81 5.47软一中Ef42.6 5.32软一中Ef2.21 4.45软Ef21.925.23软中Eifi3.46 6.22软一中2.2高效PDC钻头针对118mm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：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；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；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：表2 PDC钻头在现场应用情况对比PDC平均机械钻速/所钻地层优点缺点型号(m/h)五刀翼E2S3.19抗冲击、保径效果好防泥包效果差四刀翼Eif41.38抗冲击、保径效果好防泥包效果差三刀六翼Eif41.92保径效果好防泥包效果差三刀厚翼E2di3.57防泥包效果好工具面不稳、抗冲击差三刀薄翼E2d,Eif2.56工具面稳定、防泥包效果好抗冲击差图1 三刀翼高效PDC钻头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1 3 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4.3 4m/h，相比同区块邻井提速6 5%。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2 0 0 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1 7 5 的橡胶制成。改进和优化后的螺杆钻具，最大扭矩2 40 0 Nm，使用寿命超过40 0 h，相比常规螺杆最大扭矩提升103.9%，使用寿命提升2 3 3%（表3）。球型万向轴图2 长寿命大扭矩螺杆-58石油工业技术监督表3 9 5 mm长寿命大扭矩螺杆与常规螺杆参数对比长寿命大扭矩螺杆普通螺杆流量/(L/min)3801140320800转速/(r/min)170500124300头数5/65/6级数4.83最大扭矩/（Nm）2.4001177最大钻压/kN3155适用水基、油基,耐温适用水基，耐温适用条件175120使用寿命/h4005001201502.4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7 6.7%8 3.1%，环空压耗占16.9%2 3.3%（图3），明显高于常规井眼。2018.8418管内压耗环空压耗16.571614.421412.4B/1210.510863.833.193.213.6143.1620400450500550600排量/(L/min)图3 不同排量下管内压耗和环空压耗通过采用非标钻杆、38mm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73mm，两端接头外径为105mm，研究采用外径79.4mm、内径58.5mm的管体与小接箍104mm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）。35非标钻杆总压耗常规钻杆总压耗3029.7926.2925.682522.8122.7619.8719.822017.2017.3315.19151050400450500550600排量/(L/min)图4不同排量下非标钻杆与常规钻杆循环压耗对比25非标钻杆常规钻杆21.8120.042017.8418.0516.6315.8814.7014.601512.2413.19105018002000230027003000井深/m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89mm无磁钻链与48mm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38mmMWD定向仪，明显小于有线MWD定向仪的外径，电池使用寿命为2 7 0 3 0 0 h。采用89mm无磁钻与38mm无线MWD定向仪组合，增加定向工具与无磁钻之间的环空间隙，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7 9 6 m，开窗点地层为三垛组，完钻井深1 6 2 5 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8 2 9 m进尺，钻井周期8.1 3 天，机械钻速4.3 4m/h，一趟钻钻进时间1 9 1 h，相比邻井钻井周期缩短40.7%，提速6 5%，一趟钻钻进时间提高了9 8.9%。后续在1 5 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3.5 8 m/h，钻井周期1 1.9 4天，相比2 0 2 1 年侧钻井，提速5 4.3%，缩短钻井周期9 0.2%。“一趟钻 钻井时间最长达到3 1 5 h，单趟进尺最高9 2 1 m，C z h e n 1 5 5本文编辑：王梅59杨雪山等：江苏油田套管开窗侧钻井“一趟钻”技术最高日进尺1 6 5 m，提速提效效果显著(表4)。同时，由于发生井漏、卡钻造成Cmin35-10、Cmin20-15、C w e i 2 3-8 B 等井未能实现一趟钻完钻，需持续加强堵漏、井壁稳定技术攻关。表4“一趟钻完钻侧钻井指标开窗点/完钻井深/完钻井斜/裸眼段长/钻井周机械钻速/钻进时间/序号号mm层位(）m期/d(m/h)h1Cma45-1796.001625.00戴一段44.65829.008.134.512402Cfu73A1685.392294.00垛一段11.47608.618.004.611653Cmin18-181 148.101 609.29阜三段40.21461.197.503.251704Czhen1551 813.002.626.00戴二段26.72809.5010.303.162235Cshal1-31 404.002.325.00阜三段30.94921.0015.954.133156Canfengp42.230.502.448.00泰一段31.29217.504.463.81577Can311 746.002174.43阜一段22.37111.917.082.791304结论1)通过技术集成与创新，形成的“三刀翼改进型PDC+长寿命大扭矩螺杆+低压降钻具组合”提速工艺，保证了侧钻“一趟钻”完钻的实现2)侧钻“一趟钻”技术显著提升了江苏油田侧钻井技术指标与开发效益，具有重要推广价值。3)老区井漏、垮塌、溢流等钻井复杂多，给侧钻一趟钻成功实施带来较大的影响，需持续加强技术攻关。4)进一步加强钻头优化设计、侧钻一趟钻钻技术的应用研究。开展钻头与地层的适应性研究，提高机械钻速；探索一趟钻钻井过程中各地层的井斜变化规律，辅以更合理的钻具组合，减少定向进尺，提高钻井速度参考文献：1黄万龙,饶开波,高学生,等.大港油田侧钻井提速技术研究与现场试验J.长江大学学报（自然科学版),2 0 1 5,1 2(25):42-45.2高立军,王广新,郭福祥,等.大庆油田小井眼开窗侧钻水平井钻井技术J.断块油气田,2 0 0 8,1 5(4):9 4-9 6.3史洪军,张琳,许新强.裸眼侧钻钻井技术浅析.岩土力学,2 0 0 4(S1):151-153.4李胜杰,李炼民.小井眼开窗侧钻工艺技术研究与应用化学工程与装备,2 0 1 5(2):6 9-7 1.5沈兆超,霍如军,郁燕飞,等.苏里格南区块小井眼井二开一趟钻钻井技术J.石油钻探技术,2 0 2 0,48(6):1 5-2 0.6刘伟,白璟,陈东,等.川渝页岩气水平井水平段“一趟钻”关键技术与进展J.钻采工艺,2 0 2 0,43(1):1-4,7.7张涛,董宏伟,孙麟,等“一趟钻 技术在福山油田花1 2 1-18x井的应用J.石油工业技术监督,2 0 2 0,3 6(1 0):5 7-6 0.8杨灿,李伟,李晓涵,等.大港油田“一趟钻”钻井关键技术J.西部探矿工程,2 0 2 2,3 4(7):9 9-1 0 2,1 1 1.9张焱,刘坤芳,彭会新,等.关于侧钻井轨迹设计的思考钻采工艺,2 0 0 2,2 5(2):1-3.10白璟,张斌,张超平.超深超小井眼定向钻井技术现状与发展建议J.钻采工艺,2 0 1 8,41(6):5-8,1 43.