水平井连续油管高效钻磨技术研究

水平井连续油管高效钻磨技术研究

摘要：近年来，连续油管技术以其带压、快速、高效等优势在国内油气田得到

了很大规模的应用，可实现水平井通井、冲砂、射孔、测声幅、速度管柱、拖动

压裂、钻磨滑套、钻磨桥塞等工艺技术，并成为油气田修井作业的主体技术之一。与修井机钻磨相比，连续油管钻磨具有钻压控制稳定，井控条件成熟，水平段入

井距离长，施工连续等特点，是目前钻磨复合桥塞的可行性技术。本文通过分析

连续油管钻磨工具的工作特性以及水平井携岩规律，优化了施工过程中的工作参数，形成了水平井连续油管高效钻磨技术方案，并在某油田进行现场应用，应用

效果良好。

关键词：水平井；连续油管；高效钻磨技术

1连续油管钻磨技术难点

就目前页岩气储层改造而言，连续油管钻磨技术的应用存在以下难题:(1)连续油管由于“螺旋锁定”无法下入指定层位；(2)工具管串组合有待进一步优化；(3)钻

后碎屑返排效果差；(4)环保及成本未得到有效控制；(5)钻磨时效性仍有较大提升

空间；(6)压裂初期储层保护。提出以下技术措施:(1)降低连续油管与套管间的摩

擦阻力，推广锥形管技术以及钻磨串增加水力振荡器工具，能够有效延长连续油

管下入深度；(2)钻磨管串上增加阻隔式清洁工具，可大排量循环洗井，提升碎屑

返排率。大排量洗井时可向清洁工具内投球，阻隔马达工作，延长马达有效工作

时间。钻磨过程中使用清洁工具进行洗井，可减少更换螺杆马达工具带来的工效

损耗以及单独洗井工序，整体效率得到较大提升。

2连续油管钻塞关键技术

2.1磨鞋

施工过程中螺杆马达的选取应根据磨鞋的大小来决定。作为钻磨工具的核心

工具，磨鞋外径的选择应略小于套管内径8~10mm为宜，既可以扶正钻头，又不

会损伤套管。考虑到施工水平井所用套管内径139.7mm，施工选择了112mm

的平底磨鞋。平底磨鞋在钻磨桥塞时具有更大的接触面积，受力更加均匀，在磨

鞋底部硬质合金块较小，钻磨产生的钻屑细且均匀，有利于钻屑的携带和返排。

2.2螺杆马达

螺杆马达是一种基于莫锘原理的容积式井下动力机械。在不计损失时，根据

容积式机械工作过程中的能量守恒，单位时间内钻头输出的机械能(Ttωt)等于螺

杆马达输入的水力能(ΔpQt)，则有：

式中:Tt—螺杆马达理论转矩，N·m；ωt—钻头理论角速度，rad/min；Δp—螺

杆马达进、出口的压力降，MPa；Qt—流经螺杆马达的流量，即循环液排量，

m3/s；nt—钻头理论转速，即马达输出的转速，r/min；q—螺杆马达每转排量，

是一个结构参数，m3/r；Pt—螺杆钻具功率，kW；kb—地层硬度系数；Wt—钻压，kN；db—钻头直径，m；x，y—常数指数。

由以上各式得出螺杆钻具的两个基本性能：

理论转矩Tt与马达进、出口间的压降Δp成正比。马达的输出扭矩与马达的

压降成正比。正常工作状态下，循环液压降随钻压的增大而增大。随着钻压逐步

增加，循环液压力逐渐上升，压降也相应增大，扭矩增加的同时也增加了井底切

削力矩；未达到临界钻压前，螺杆马达转速只是稍有下降，继续增加钻压，当钻

压达到临界钻压，循环液在马达两端产生的压降达到临界值时，螺杆马达转速急

剧降低到零，发生制动现象。这种情况对工具损害极大，应尽力避免。

理论转速nt与循环液排量Qt成正比而与钻压无关。一般在钻进过程中，流

进螺杆马达的循环液排量是不变的，螺杆马达转速只与流量有关而受钻压影响很小，因此螺杆马达转速基本不变，不会因为加大钻压而使钻头转速明显减小。

理论扭矩Tt和理论转速nt是螺杆马达最主要的输出参数，一起构成了螺杆

钻具能量转换的载体。通过参数对比，优选了具有高扭矩(850~950N·m)、低转速(230~360r/min)，使用寿命长、耐高温和耐冲击等优势，适合水平井作业的

73mm等壁厚螺杆马达。

2.3使用震击器

由于连续油管的限制，施工排量往往不高，在钻塞过程中容易遇到障碍物或

卡钻。该罐能有效地解决这些问题，防止较大事故的发生。在钻磨过程中，通常

采用上下双向干扰机。当上连续油管因不完全铣削而卡阻时，卡阻器会产生上下

方向的附加卡阻力，有助于解除卡阻。使用震击器可以有效地提高管柱的蠕变，

提高钻磨效率。

2.4循环液的优选

钻磨循环液主要有三个功能：为螺杆马达提供足够的动力，使其钻磨通流体；将钻屑和其他固体颗粒带到井筒中；降低摩擦和施工泵压。连续油管钻磨循环液

需要选用低摩阻、高粘度、携砂能力强、稳定性强、可循环利用的液体介质。通

过实验优化以滑溜水为基液配比0.5%胍胶，可有效增强循环液的环空携屑能力，

液体降阻率达到65%以上。

2.5井口捕屑器

在钻塞过程中，当大量的钻屑排出后，很容易堵塞喷嘴和喷嘴。有必要在地

面出口安装捕屑器进行捕鱼。它不仅能有效地避免回流阻塞地面设备，保证管道

畅通，而且能对循环液进行两次过滤，保证液体回流顺畅、快速。

2.6清洁技术

阻隔式循环清洁工具可通过多次投激活球实现最多10次开关旁通阀，最大

排量为1150mL/min，实现了不起管柱情况下进行钻磨与循环清洁井筒两种模式

间自由切换。其特点为:(1)解决水平段复合桥塞钻屑返排难，影响后期液体返排、试气、测井等工序作业难题；(2)减少螺杆马达工作时间，避免空转造成损伤，保

证马达有效工作状态；(3)为解卡提供大排量循环通道；(4)通过开关循环阀工具，

能够减少连续油管起下钻次数，极大的节约工作时间，缩短施工周期。

3现场应用

GD14H井是位于大港油田南部油区的一口水平井，是首次采用泵送桥塞与射

孔联作分段压裂工艺。该井生产套管139.7mm，完钻井深4880m，垂深3999m，最大井斜91.09°，水平段长1255.82m，井眼轨迹较为复杂，压裂后井内留有6个

桥塞。

采用连续油管带钻磨工具串进行钻塞作业，钻磨工具组合为50.8mm连续油

管+73mm连续油管连接器+73mm马达总成(单流阀+液压丢手+双循环阀)+73mm

震击器+73mm螺杆马达+112mm平底磨鞋。

钻磨过程中为确保岩屑尽可能多的循环至井口，钻塞工具串下放速度控制在10~15m/min，排量控制在400~450L/min，钻压5~10kN，选用滑溜水+0.5%胍胶作为钻磨循环液。2015年5月21日现场实施，用6.5h一趟管柱完成了水井段4个