Amoco公司对外开放其钻井试验设施.pdf

e 6 6 2 蚓 ＼ 暗 昔 ； 文 一。 ＼ 目外钻井技术 第十三卷l 9 ’ 8 年算 2 期 Amo c o公 司 对 外 开 放 其 钻 井 试 验 设 施 R V ． W eter m ar k 等 ＼ 』u e } ， 预算 削 减和大量 研 究项 目的缩 减迫 使 A m o c o 不得不逐步向其它公司开放其钻井工 艺试验设施 D T T F ， 并寻求同其它对工艺研 究感兴趣的研究机构进行技术合作。 这种管理模式的改变不仅使得该公司所 拥有的钻井试验设施继续有能力生存下去， 而 且该套设施可以大大发挥作用。 这套试验设施最初仅供A mo c o 公司对先 进的钻井和完井工艺进行风险程度低 ， 经济有 效且不对环境造成损害的试验研究， 通过这种 方式对新的井下工具， 工作流体和工艺方法进 行严格的试验研究。 自从对外开放 以来， 这套试验设施的对外 服务工作量成倍增加， 一半以上的试验是为 A m oco以外的公司做的。预计到 1 9 9 7 年底， 对外服务的工作量将超过总工作量的 6 0 。 试 验 设 施 这套设施拥有四个实验室， 其中三个实验 室位于俄克拉荷 马州的 C a t o o s a 港 口附近和 C a t o o s a 城 内， 一个位于 Tu l s a的 Amo c o技术 中心 。 C a t o o s a 的试验设施包括一套钻井与完井 设施， 水力试验环形管道装置和连续油管试验 装置。钻井模拟实验钻机设施位于 T u ls a 。 1 ． 1 号试验钻机 z ／ l L ／ 赵辉译 束德一校 1号试验钻机是主要的试验钻机 。 这是一 台单杆井架钻机， 装备有带固控设备的3 3 0 b b l 泥浆处理系统， ] ] 0 0 h p 三缸泥浆泵和一套可 使旋转速度高达 3 0 0 r p m的顶部驱动装置。 虽 然有各种类型的钻柱可供试验之用， 但是这套 试验设施只选用两种尺寸的钻柱。 一种是4 的轻型铝合金钻柱， 由于其弹性模量较低， 可 以保证较长管柱所要求的抗扭与抗振性能。 另 一 种是适用于小井眼的 2 I， 钢管钻柱 。 用泥浆罐组成井架底座， 这样可在钻机移 动前在一个井场上作多次试验 。 钻机也可拖移 在一个 7口井的井网上作业。 此外， 通常可以通过回填井眼和紧靠表层 套管下方进行侧钻的方式完钻 1 0 ～1 2 个井 眼。这样便可最大限度地减少移动钻机的次 数， 减少钻井工作量和不必为每次试验而下表 层套管。 现有的主要 泥浆泵 为一套 S k y t o p B r e w- s t e r 1 1 0 0 h p三缸泵。在地面压力高达 5 0 0 0 p s i 的条件下其泵送能力为 1 3 0 7 0 0 g p m。 固控设 备拥有两台低矮型的超细震动筛， 一组 由1 2 个 除 砂 器组 成 的 除砂 装 置 和 一 台 S h a r p i e s P M2 0 0 0 0型离心机 。固控处理和泥浆制备均 在井场进行。井场上有一个装备良好的实验 室， 配有泥浆技术员 。 提升系统由一台H y d r 丑 一尉g 的强行下钻 维普资讯 国外钻井技术 6 3 装置改装而成， 提升能力可以选到 1 2 0 0 0 0 1 b 。 一 套安装在卡车上的 B o we n 3 ． 5动力水龙头 用作钻机的顶驱系统， 可使钻柱的旋转速度高 达 3 0 0 r p m。 这套 系统 可为钻井作业提供 8 0 0 0 f t l b 的扭矩 。 水龙头顶部允许采用钢丝绳设备穿过 水龙头进行作业 。 钻杆装卸设备既可以提升单 根， 也可 将钻柱立在同井架分离开来的管架 上 。 2 ． 2号试验钻机 2号钻机是一台小型车载钻机 ， 主要用于 钻水平井和可控造斜井段。 该钻机装备有一台 G a r d I l e r De n v e r三 缸 泥 浆 泵，泵 排 量 为 1 5 0 g p m， 泵压达到 l l 0 0 p s i 。该钻机的额定钻 井深度为 2 0 0 0 t ， 额定载荷为4 0 0 0 0 1 b 。 钻柱一 般由 2 一1 3 5钻杆和 3 ” 钻铤组成 。 3 ． 折叠式钻机 将这种钻机运抵 C a t o o s a 试验基地通常 是为满足顾客对已有井提出的特别试验要求。 并有便携式数据采集系统适用于进行这类试 验。 目前 ， 在 C a t o o s a基地 有 2 7口井适宜 于 折叠式钻机作业， 绝大部分为套管井， 但有 5 口井有裸眼井段 。 4 ． 水力试验环形装置 这套试验装置主要用于研究单相工作流 体的水力特性、 井眼清洁、 固体颗粒沉降和压 力损失等。这种环形试验装置由多节管道 3 9 0 f t 、 阀门管汇、 泵和流量与温度控制仪表 组成。 这套试验 装置适宜于对所有类型的钻 井 液进行试验 ， 包括聚合物钻井液、 水基和油基 钻井液、 加重和非加重钻井液、 水泥浆、 用于隔 离目的的水泥浆和其它的工作流体。 环形装置 由下列部分组成 1 Mo y n o型泵， 排量 为 5 2 0 g p m， 工作 压 力为 5 0 0 p s i ； 2 流量计 ， 1 2 0 0 0 l b m／ mi n ； 3 带阀门的流动控制管汇； 4 带两个 1 4 ／ 3 2 和两个 1 5 ／ 3 2 喷嘴的 用于剪切钻井液的钻头短接 ； 5 数据采集系统 P C计 算机为 主 机 } 6 用以试验 同心环空 、 偏心环空、 两钻杆 和三油管的环路管段； 7 泥浆储罐和搅拌罐 。 5 ． 试验工作台 C a t o o s a试验设施 的实力 ， 可灵活满 足特 殊工艺技术要求， 并有能力制造试验设备。新 建成的可变角度试验工作台便是一个例证。 该试验台的建造主要是当时还没有真正 公认的对连续油管造斜器系统进行评价的方 法和手段。 最新进行的试验对连续油管下接的过油 管造斜系统磨穿 7 怖 9 ％ 偏心水泥固井套管 柱的能力进行 了评价 。 该试验台可以以 6 0 。 、 4 5 和水平角度进行 试验。工作长度达 7 5 f t ， 可以对 5 f t 长的试件 进行处理， 并且带有工作间， 以供试件安放和 起出。一个小的滑轨靠液压控制， 可以精确地 将工具送到试件的适当位置 。 在试验期间 ， 一台 1 5 0 h p三缸泵用于循环 工作液。 在控制室内通过P C计算机收集测试 资料， 并进行处理， 以满足顾客对数据资料的 要求。 针对高压和高温条件修改试验工艺方法 也是可能做到的。 持续数周的试验获得了巨大成功 。 计划于 1 9 9 7 年进行更多的试验。 6 ． 人员 一 位钻井工程师全面负责该试验设施作 业、 试验活动的组织与协调， 满足顾客提出的 各种要求、 保证质量和安排各种不同公司提出 的试验计划。 Amo c o公 司 专 门委 派了 两 名技 术 员对 C a t o o s a试验设施进行全天候 的作业服务 。 一 名技术员负责维修、 保养和试验工作的 所有后勤保障， 并且作为现场施工作业的工 长， 负责材料的采购与验收， 环境保持措施的 组织与实施， 以及同其它服务公司与研究团体 的协调工作 。 维普资讯 6 4 国外生 占 井挠术 第十三卷1 9 9 8年第 2 期 另一名技术员负责数据资料采集、 加工处 理、 解释、 分类与归档工作。 由一位合同试验队长负责监视钻机的作 业、 报废井眼的回填、 造斜、 安全事宜和对机械 系统的维修保养工作 。他的责任包 括井队监 督。 按照劳务合 同规定 ， 由 P a c k e r钻井公司 提供钻井 队人员。1 号钻机有由三人组成的井 队， 其中司钻、 平台工和井架工各一人。 而 2 号 钻机的井队仅有两人 。 试验设施还有机械加工车间、 焊接车间、 装配设施， 一台 9 吨叉车和一台 2 2 吨吊车。 在白天工作日期间， 焊工兼机械师全天服 务现场， 如果必要的话随时应招服务。 由一名合格的技术员维修与保养电气与 液压系统 。他的责任包括修理、 零部件造册登 记管理、 更新设备的管理、 在建设备的图纸保 管， 以及试验所需的任何特种物件的安装等。 7 ． 地质条件 C a t o o s a钻井试验设 施之所以能够成为一 个优 良的钻井实验与试验场所， 当地所拥有的 地层岩性特征是一个主要的原因。 其地质层段 包括 1 2 0 0 { t 的宾西法尼亚纪地层 、 4 0 0 I t的泥 盆纪 密 西西 比系 地 层和 1 3 0 0 f t的寒 武 奥陶纪地层， 井底大约在 3 0 0 0 { t 处。 各种不同的地质层段和较浅的埋深使得 该地区成为进行钻井作业试验， 尤其是钻头和 井下工具测试试验的理想场所。 对从地面到深达 2 0 0 0 t 的层段进行 了取 心， 并进行丁广泛的测井作业， 对岩石强度、 声 波传进时间和电阻率进行了表征测试。 1 2 5 0 f t 以上的页岩和砂岩层段 尤其适宜于对聚 晶金 刚石复合片钻头 P D C 进行性能评价， 评价其 在由松软地层到坚硬地层钻进， 再回到松软地 层钻井期间的性能变化情况。 所存在的一些页岩夹层会导致井眼不稳 定性问题的发生 ， 例如发生水化作用和坍塌问 题 ， 这样就为研 究井眼扩大 问题、 钻 井液性能 问题和固井问题创造了条件 。 8 ．资料收集 这套钻井工艺试验设施的主要价值在于， 可 以获取涉及钻井作业各个方 面的优质资料 数据。 试验钻 机装备有用计算机 控制的高精度 传感器， 这些 传感器也可将资料存贮起来 ， 以 供用户进行评价。 可以专门为用户提供经过格 式化处理的软盘或加密盘。 通过一台高频绘图仪能对经过选择通道 上的模拟信号进行实时绘图处理， 并且同时以 高的速度 2 0 0 0 字符／ s e c 按照数值形式记录 这些信号。 对单个通道的信号进行实时光谱分 析也是可 以实现的。 在司钻控制台上和数据采集车上可以同 时显示出 2 5 种实时作业参数 测试参数或计 算参数 。 记录到的主要参数是 1 大钩载负； 2 转盘速度； 3 转盘扭矩； 4 提升位置f 5 钻井液排量i 6 泵压； 7 钻柱轴向加速度； 8 钻柱扭转加速度 。 从这些输入资料中收集到的数据参数用 于计算和求取诸如钻压、 钻头深度和机械钻速 等变量， 并且可供作业人员采取措施消除因外 部因素对其它变量的影响 例如钻柱长度 。 通 过连接特殊用途的传感器也可通过其它的通 道收集有关资料和收集到超常范围的有关资 料。 钻机模拟器 从 7 0 年代末期以来， 在 A m o c o 公司所属 的 T u ls a 研究中心， 一套全尺寸的实验室试验 钻机就已经投入应用。 桅杆式井架有四层楼高。地面层面积约 8 0 0 0 f t 专门用作钻 井作业工作场所 。各类管 材、 泥浆池、 获取的岩心、 办公室、 仓库和其它 相关的设备均可以在适当的位置安放与布置。 全尺寸钻机可以采用直径达 1 O ％” 的钻 头进行钻井作业。钻机由计算机控制， 可以采 用钻 井液或 者水 ， 以 5 0 0 0 p s i 的循 环 压力在 6 0 0 g p m泵排量、 5 0 0 r p m转盘速度和 5 0 0 0 1 b 钻压的条件下钻进页岩或石灰岩岩块。 该钻机尤其适宜于对钻头、 钻井液和安装 维普资讯 罾外 钻井技术 6 5 于钻头附近的井下工具进行试验涮试 。 钻机相 对而言易于应用和安装 。根据岩石的类型 ， 一 天 内可以进行五次起下钻测试作业 。 在地下安 放有一个 5 f t 的压力容器 ， 用予 存放为测试地层而准备的 1 4 I， 直径岩石。 将岩 石安放在一个密闭的套管滑套内， 并且安放在 压力容器中。 滑套上的耳卡正好可与压力容器 中的耳卡 匹配 ， 从而可在钻井作业过 程中避免 岩心的翻转。 该系统将一个法兰 同压力容器 的顶部法 兰用螺栓连接 ， 并借助轴承和密封件使钻柱四 周被密封。地下压力容器也可以向下增加 3 f t 长的延伸段， 以供接纳钻柱。 实验室钻井模拟 装置的五个主要试验 系 统是钻压 、 循环系统、 转盘系统、 回压系统和数 据采集与计算机系统。 1 ．钻压系统 钻压系统采用一套液压油缸进行控制 ， 这 套液压油缸也可用于提升钻柱。 液压油缸靠一 套 精 度 很高 的伺 服 阀控 制 ， 可 使 钻 压达 到 7 5 0 0 0 l b。 2 ．循环系统 主要的泥浆泵是一台靠 6 0 0 h p 直流 电机 供给电能的 4 0 0 h p三缸泵。 在高速运转时最大 泵 送 排 量 可 在 泵 压 1 5 0 0 p s i 条 件 下 达 到 3 80 gp m 。 辅助泥浆泵是一 台靠直流 电机供 给电能 驱动的 8 5 0 h p三缸泵 。 在现有的管道尺寸条件 下 ， 在泵压 5 0 0 0 p s i 时的泵送排量为 1 9 0 g p m。 两台泵联合应用可在最大泵压达 5 0 0 O p s i 的条件下使泵送排量达到 3 8 0 g p m， 或者在泵 压 为 1 5 0 0 p s i 条件 下使 泵 送 排 量达 到 大 约 6 0 0 gp m 。 3 ．旋转系统 钻柱的旋转转数可以达到 3 0 ～5 0 0 r p m。 有一套标准转盘驱动方钻杆。 转盘靠一台驱替 量固定的液力电机供给能量， 可以产生 6 5 0 0 [ t -- l b的最大扭矩。 4 ．回压 靠 回压模拟井筒 中钻井液的静水压头。 该 系统 由一个 固定孔径 的节流器和 一个 可变孔 径的节流器组成， 从而可以保证产生所要求的 压力。 固定孔径 节流器组件上带有硬质合金滑 板和漫射器。 可变孔径节流器可 以将压力调节 到最佳值 5 ．数据采集与计算机系统 试验钻机既可 以用人工作业方式 ， 也可以 采用计算机控制作业方式。 安装在钻机上 的重 要 电子传感器可 以测试到大约 3 0 余种相关的 钻井参数 应用一台 P C计算机监控、 收集和 存储实验室试验数据资料。 数据资料被传送到一台打印机 、 一台八笔 绘 图仪和一台磁带机中 ， 以便长期存储 ； 同时 被传送到一台频谱分析仪 中， 用于研 究振动频 率 。 下列钻井 参数 记 录到的和计算 出的 可 以实时显示 ； 1 钻压 ； 2 转盘速 度 ； 3 转盘 扭矩 ； 4 钻头深度 ； 5 机械钻速 ； 6 3 泥浆 排 量； 7 泵 压； 8 压力容 器加速 度； 9 泥浆 温 度 。 取得 的技术成就 在这套钻 井工艺试验设施上进行 的试验 已经取得 了许多的技术成就与成功事例。 几项 成效突出的最近成就是 产生有价值的附加成 果的高速钻进工程、 钢丝绳取心工具和高密度 聚乙烯套管衬里 1 、 高速钻进工程 有时候， 某些研究项目所取得的有价值的 成果同实施该项工程意欲达到的 目 标显得格 格 不入。Amo c o公司和一家大型的国际作 业 服务公司合资实施了一项工程 ， 旨在研究出一 种可在保持良好机械钻速的同时以高钻速钻 穿有夹层的高速钻井系统。 许多试验都是采用高速容积式马达和涡 轮钻具进行的 ， 旨在对天然金 刚石钻头、 牙轮 钻头和 P D C钻头的性能做出评价。所有这些 系统都没有表现出比采用常规旋转钻柱配备 适当选择的牙轮钻头更好的工作性能 。 就实施 维普资讯 国弭鲇井技术 第十三卷1 9 9 8年第 2 期 该项工程原先意欲达到的 目标而言 ， 试验工程 是失败的 ， 后来不得不终止 。 但是通过试验发现 了一些有趣 的事实， 究 竟是什么原因造成刮刀钻头工作特性不 良， 以 及如何经过改进制造出新的钻头 。 P D C钻头被认 为经常会在磨损前发 生切 削刃碎裂。 钻头振动是造成这类伤害的主要原 因 ， 而钻头回旋也必然会造成振动。这就促成 了防回旋钻头研究项 目的开展。 防 回旋钻头在许多方面会对 钻井作 业产 生巨大的影响。 但是 ， 或许更重要 的是， 钻头制 造商们在设计钻头和其它工具 时应 当更加清 楚地 了解和考虑实地的井下动态条件 。 2 ．取心工具 在 C a t o o s a进行了三次取 心试验 ， 评 价采 用一种常规钻机和钻柱进行连续取心的效果 。 这些试验都是采用组装廉价部件进行的。 试验采 用了一种改型的 7 的岩 心。钻 头 由一个满 眼 7 防 回旋 P D C钻 头改制而 戏。 将其连同一套 H o m c o 钢丝绳取心筒、 5 加 重型钻杆和 4 铝钻杆一起下井 钻 头对 2 7 1 ～1 3 8 3 f t 井段进行 了取心 作 业 。岩心收获率达到 了 9 6 。岩心质 量非常 好 。 采 用任何一种常规钻机 ， 配备标准钻柱组 件， 都可使取心设备很容易地起下作业， 即便 在 2 ” ／ 的小井眼井中也是如此。 钻头 在 5 0 0 0～ 1 0 0 0 0 l b钻 压 和 3 5 0 ～ 4 0 0 g p m 泵 排 量 的 条 件 下 的 旋 转 速 度 为 1 2 0 r p m。这些作业参数对常规钻机而 言是 司 空见惯的。 机械钻速类同于采用牙轮钻头在同 类地层中钻进的机械钻速 ， 钻头寿命是可以接 受的。 试验中展示出了采用常规钻机， 配备钢丝 绳取心设备即可实旆取心作业的灵活性。 由于这 种类型 的标准设备 目前 尚未投入 工业应用 ， 所以试验工作为提出研制一种适用 于常规钻机的钢丝绳取心系统奠定了基础 。 3 ．套管衬里 在 C a t o o s a试验 中心进 行的试 验 中包括 了 一项采 用耐腐蚀 高密度聚 乙烯 HD P E 连 续衬里修复套管渗漏的新方法 。 Amo c o公司对这样 的管材修复方法 十分 感 兴趣 ， 并 且在 一些井 中对 5 嘻 管进行 了 修复试验 。 试验工作证实， 一旦 HD P E衬里管 就位 ， 就会紧紧地嵌在套管壁上 ， 起 到密封作 用 。 在 C a t o o s a试验 基地进行 了几 轮试验之 后 ， 目前正在新墨西哥和德克萨斯 的几 口井中 进行安装试验 。 在 下井之前 ， 将一种粘弹性套管衬里材料 进行缩径处理 。 然后采用加重量拖拉的方式将 其拉入井中 ， 并保持衬里管处于缩径状态 。当 重 量释放时 ， 衬里管膨胀开来 ， 贴在套管壁上 ， 从 而在套管中从上到下形成一个无缝的衬里 。 该 系统 的作业与连续油管 的作业十分相 似 ， HD P E村里管 的下井速 度可以达到 5 0 f t ／ 技术 的保密性 必须解决 的一个 问题是研究工作的技术 保密问题 。最初， Amo c o公司曾经不愿意 向那 些不想共同分享试验资料的公司提供试验设 施 ， 但是后来不得不废除 了有关的规定条款 。 试验 中收集到的所有资料严格保密 ， 只允 许用户占有这些资料。 只有用户有权利决定是 否可以分享试验资料数据 试验的整个过程严格保密， 除负责资料收 集工作的技术人员之外， 任何人不允许知道试 验结果。如果希望的话， 甚至可以将后备资料 清除 ， 以确保试验的秘密不被泄露。 试验钻机周围可以拉绳警戒， 外人不得进 入 ， 甚至不能靠近正在进行的试验 。 译 自 Oi l ＆ G a s J o u r n a l } 1 9 9 7年 4月 7日号 维普资讯