氣體鑽井鑽柱失效統計及影響因素研究

全球非常規天然氣儲量是常規天然氣儲量的8.5倍，頁巖氣在非常規天然氣中異軍突起，引發了能源行業的革命，美國正常頁巖氣鑽井規模每年16000口左右，大規模“工廠化”作業模式成為頁巖氣開發的新趨勢，高效快速的完成頁巖氣鑽井成為新的目標，長寧區塊作為國家頁巖氣開發示範區，在汲取國外頁巖氣鑽井先進經驗的基礎上，通過新技術實現鑽井提速，長寧區塊韓家店～石牛欄組地層巖性變化大、可鑽性差，氣體鑽井技術提速效果好，但實施過程中鑽柱失效問題尤為突出，嚴重製約氣體鑽井技術的應用[1-2]。針對氣體鑽井鑽柱失效這一技術難題，前人對鑽柱失效影響因素的分析主要集中在地質特徵、鑽具組合、鑽頭選擇、井徑擴大等方面[3-4]，較少考慮井眼軌跡設計方面的影響，因此重點分析井眼軌跡設計對氣體鑽井鑽柱失效的影響，為韓家店～石牛欄組地層氣體鑽井提供一定技術指導。

一、長寧區塊氣體鑽井鑽柱失效統計

長寧區塊自2011年鑽成第一口水平井N201-1井，統計已完鑽57口水平井，其中在韓家店～石牛欄組層位實施氣體鑽井的有30口，氣體鑽井的實施比例達到了52.6%，平均機械鑽速6.83m/h，而採用鑽井液鑽井平均機械鑽速僅為3.71m/h，提速效果明顯，在實施氣體鑽井的30口井中，有7口井發生斷鑽具事故，斷鑽具的井數佔實施井數的23.3%。斷鑽具次數達10次，特別是N24-1井斷鑽具多達4次。對鑽柱失效位置統計，上部鑽桿公扣根部位置斷裂佔40%，另外底部鑽柱發生斷裂佔60%，從鑽達層位統計結果分析，石牛欄組鑽進過程鑽柱失效比例較高，佔比70%，韓家店組鑽進鑽柱失效佔比30%，其統計見表1，上述情況表明，氣體鑽井是該段地層重要的鑽井提速技術手段，但鑽柱失效問題日益突顯。

表1 長寧頁巖氣韓家店～石牛欄組氣體鑽井鑽柱失效案例統計

二、鑽柱失效影響因素分析及對策

1.地質特徵

長寧區塊韓家店～石牛欄組氣體鑽井鑽柱失效的7口井中，有5口井是鑽達石牛欄組下部地層斷鑽具，有2口井在韓家店組地層上部鑽具斷裂，主要原因是韓家店上部巖性為頁巖夾灰巖，軟硬交錯，在氣體鑽進過程中扭矩波動大，鑽柱振動劇烈，石牛欄下部巖性為灰色泥質灰巖，質地堅硬，可鑽性差，鑽井液鑽進平均機械鑽速僅有4m/h，實施氣體鑽井破巖效果差，衝擊力大，對鑽具造成嚴重的疲勞破壞。有必要對該層位巖性開展可鑽性及研磨性室內實驗，加強地質情況的認識，便於安全高效的實施氣體鑽井。

2.鑽頭選擇

長寧區塊韓家店～石牛欄組氣體鑽井均採用牙輪鑽頭，牙輪鑽頭在鑽進過程中會產生軸向振動，軸向振動分為兩類：一類是牙輪由於單雙齒交替接觸井底破巖過程中的高頻振動；另一類是由於井底凹凸不平對牙輪的作用力造成的低頻振動[5]。高頻振動有助於破巖的振動是有利的，井底凹凸不平引起的低頻振動會對鑽柱造成疲勞損害。若採用空氣錘以衝擊破巖為主，依靠氣缸壓縮氣體作用，產生的振動對上部鑽具影響小，但空氣錘沒有倒劃眼功能，處理井下複雜的能力有限，加之費用較高，未在該段地層運用[6]。若適當降低轉速，雖然減小了低頻振動頻率，但同時也降低了破巖效率。可考慮在鑽頭選擇上偏向於滑動剪切類型的牙輪鑽頭，或者複合型鑽頭，能夠減小牙輪鑽頭振動對上部鑽柱的影響。

3.鑽具組合

長寧區塊韓家店～石牛欄組氣體鑽井以雙扶正器鐘擺防斜降斜組合為主，僅有3口井是採用的單扶正器鐘擺鑽具組合，雙扶正器鐘擺組合兩扶正器間距為9米，第一扶正器離鑽頭17米左右，單扶正器組合扶正器離鑽頭一般是20米左右，單扶正器鐘擺鑽具組合的3口井均發生鑽柱失效，主要原因是單扶正器組合底部鑽具組合的穩定性弱於雙扶正器鑽具組合，鑽柱所受到的側向力大，加之氣體鑽井鑽具組合均未帶減振器，側向力和鑽具振動的綜合作用下鑽具更易斷裂[7-8]，可繼續採用雙扶正器鑽具組合，並在鑽具組合中加入減震器，優化減震器安放位置，緩衝鑽柱振動，減小鑽柱失效機率。

4.井徑擴大

長寧區塊韓家店～石牛欄組鑽井液鑽井平均井徑擴大率僅為1~2%，實施氣體鑽井平均井徑擴大率增大到9.28%，最大井徑擴大率達38.68%，井徑擴大現象較為明顯，其中氣體鑽井鑽柱失效井該井段平均井徑擴大率8.82%，最大井徑擴大率31.67%，氣體攜帶巖屑在大井徑處上返速度變慢，容易形成迴流，巖屑對鑽柱反覆衝擊磨損[9-10]。可通過優化注氣參數，減小局部迴流作用。

5.井眼軌跡剖面設計

長寧頁巖氣採用三維叢式井組，大部分採用6口井雙向平行井眼分佈，單邊3口井，靶前距300m，井底井間距400m。由於井口與靶點存在偏移距，為求水平井矢量入靶，需從三維扭方位段變為目標垂面內二維軌跡，從已鑽井情況看井眼軌跡設計採用上部預增斜“雙二維”剖面類型設計較多，通常設計預增井斜角在15°~20°，可針對不同預增井斜角分析鑽柱受力情況。

假設儲層埋深2400m，靶前距300m，偏移距400m，按照0~20°每5°的預增斜井斜角設計井眼軌跡，如下圖所示，韓家店～石牛欄組實施氣體鑽井井段1400m~2000m。鑽井參數：鑽壓50KN，鑽速60r/min，注氣量120m3/min；鑽具組合：φ215.9mm牙輪鑽頭×0.24m+430*410雙母回凡×0.58m+411*410回凡×0.47m+Φ165.1mm無磁鑽鋌1根×9.08m+φ165.1mm短鑽鋌2根×6.00m+φ214扶正器×0.97m+φ165.1mm鑽鋌1根×9.39m+φ213扶正器×0.92m+φ165.1mm鑽鋌2柱×55.66m+φ127mm加重鑽桿2柱×56.20m+φ127mm鑽桿，裸眼段井徑擴大率：9.28%，摩擦係數：套管內0.6，裸眼段0.4，通過現場實際鈎載數據反算。通過Landmark軟件的wellplan模塊對氣體鑽井旋轉鑽進工況進行模擬，分別模擬了井眼軌跡設計預增斜20°、15°、10°、5°情況下，氣體鑽進過程中鑽柱側向力和疲勞損害情況，模擬數據見表2，分析結果可知，隨着井眼軌跡預增段井斜角減小鑽柱受到的側向力不斷減小，其疲勞失效比率也不斷降低，鑽柱在側向力作用下出現偏離，在觀察點588m處（見圖2），側向力和失效比率都達到了最高值，井眼軌跡設計預增井斜角20°、15°時其疲勞失效比率都超過了限制值1，分別達到了1.865和1.347，即會出現鑽柱失效，降低到10°、5°後其失效比率都在限制範圍內，分別為0.922和0.478，因此在考慮實施氣體鑽井的情況下，儘量將預增井斜角控制在10°範圍內，以減小鑽柱失效的機率。

表2不同預增井斜的氣體鑽井模擬數據

圖1不同預增井斜的井眼軌跡示意圖

三、應用實例

該段地層已實施氣體鑽井的30口井實鑽井眼軌跡大致可以分為兩類（見圖3），一類為高造斜點，造斜點位於二開井段，井深500m左右，井眼軌跡剖面為“直-預增-降-增-穩-水平”，即雙二維軌跡剖面；二類為低造斜點，造斜點位於三開龍馬溪組頂部，井深2200m左右，井眼軌跡剖面為“直-增-穩-增（扭）-水平”，底部全力造斜扭方位。一類井眼軌跡剖面氣體鑽井鑽柱失效比例為40%。二類井眼軌跡剖面氣體鑽井鑽柱失效比例為15%。具體情況如下表3所示，實鑽結果表明，一類剖面類型氣體鑽井出現斷鑽具的概率遠高於二類剖面類型，上部預增斜模式對氣體鑽井鑽柱失效有較大的影響。

圖3井眼軌跡剖面分類示意圖

表3不同類型井眼軌跡剖面氣體鑽井鑽柱失效情況

四、結論與建議

（1）對長寧區塊韓家店～石牛欄組實施氣體鑽井的情況進行了統計，鑽柱失效井數佔比高，失效次數多，氣體鑽井過程鑽柱失效問題較為突出；

（2）根據已鑽井情況分析，長寧區塊韓家店～石牛欄組氣體鑽井過程中鑽柱失效影響因素主要是地質特徵、鑽頭選擇、鑽具組合、井徑擴大、井眼軌跡剖面，可針對不同的影響因素採取相應的措施；

（3）通過工程軟件對氣體鑽井過程的模擬，以及現場實際應用，上部預增斜井眼軌跡對氣體鑽井鑽柱失效很大影響，建議若韓家店～石牛欄組採用氣體鑽井，井眼軌跡設計上部預增井斜不超過10°。

參考文獻

[1] 鄧柯. 國內氣體鑽井技術發展現狀與應用前景淺析[J]. 鑽採工藝,2015,02:20-22.

[2] 喬李華，周長虹，高建華. 長寧頁巖氣開發井氣體鑽井技術研究[J]. 鑽採工藝,2015,06:15-17.

[3] 肖洲. 氣體鑽井技術在長寧頁巖氣區塊的應用[J]. 鑽採工藝,2016,03:125-126.

[4] 祝效華，蔣祖軍，童華，張傑. 氣體鑽井鑽具失效因素與機理分析[J]. 石油鑽探技術,2009,02:60-62.

[5] 鄭德帥，高德利. 氣體鑽井鑽具損壞原因及控制措施研究[J]. 石油機械,2010,11:5-7.

[6] 黃志強，黃繼亮，李琴，宋嘉寧，楊鳳申，徐曉蓉，魏武，許期聰. 普光高含硫氣田氣體鑽井鑽具斷裂損壞機理[J]. 天然氣工業,2010,02:75-77+84+143-144.

[7] 徐進，蔣祖軍，練章華，林鐵軍，李孝軍.氣體鑽井鑽柱失效統計及其失效原因分析[J]. 鑽採工藝,2010,04:13-14.

[8] 王敏生，史玉才. 氣體鑽井條件下鐘擺鑽具組合運動規律模擬實驗研究[J]. 中外能源,2010,04:46-49.

[9] 李東洋，王壘超，張濤，王錢錢. 氣體鑽井中鑽柱力學性能及沖蝕實驗研究[J]. 西南石油大學學報(自然科學版),2012,04:158-164.

[10] 胥志雄，孟英峯，李皋，龍俊西，王延民，周玉良，李誠. 井眼擴徑條件下氣體鑽井風險研究[J]. 鑽採工藝,2013,04:12-15.