SLTIDT型钻井提速工具研制.pdf

2 013正 第 1 期 第 4 2卷 第 6 7页 石油 矿 0I L FI ELD 场 机 械 E QUI PMENT 2 O 1 3， 4 2 1 6 7 ～ 7 0 文 章 编 号 1 O 0l _ 3 4 8 2 2 O1 3 01 - 0 06 7 - 0 4 S L T I DT型 钻井提速工具研 制 周 燕 ， 金 有海 ， 董怀 荣。 ， 谢 慧 ， 罗 熙 1 ． 中国石油大学 华 东 ， 山东 东营 2 5 7 0 6 1 ； 2 ． 胜利石油管理局 钻井工艺研究 院 ， 山东 东营 2 5 7 0 0 0 摘 要 为 消除 P D C钻 头卡 滑现 象 、 提 高难 钻 地层 机 械 钻 速 ， 研 制 了 S L TI DT 型钻 井提 速 工具 。 该 工 具与 P DC钻 头配合使 用 ， 形 成一种 新 的钻 井工 程提速 技 术 ， 在 缩短 钻 井周期 的 同时 ， 还 能够 稳 定 钻进过程 ， 延长钻具寿命。采用流体动力学理论、 3 D虚拟设计技术与试验研 究相结合的研制方法， S L TI D T型钻井提速工具室内试验寿命1 5 0 h 。现场试验 7口井， 平均提速 5 0 以上， 完全满足 设 计要 求 ， 是 一种 经 济 高效 的钻 井提 速 工具 。 关 键 词 扭 转 冲击 ； 机械 钻速 ； 扭 矩 波动 中 图分 类 号 TE 9 2 4 文献标 识码 B De v e l o p m e n t o f S LTI DT Ty p e To r s i o n I m p a c t Fa s t Dr i l l i ng To o l ZHOU Ya n ， J I N Yo u h a i ， DONG Ha i r o n g ， XI E Hu i 。 ， LUO Xi 1 ． C h i n a Un i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m ， Do n g y i n g 2 5 7 0 6 1 ， Ch i n a； 2 ． Dr i l l i n g T e c h n o l o g y Re s e a r c h I n s t i t u t e ， S h e n gl i Pe t r o l e u m Ad mi n i s t r a t i o n Bu r e a u， Do n g y i n g 2 5 7 0 0 0， C h i n a Ab s t r a c t Th e d e v e l o pme n t o f SLTI DT t y pe f a s t d r i l l i ng t o ol a i ms a t e l i m i n a t i n g s t i c k s l i p p he n ome n on o f PDC bi t ，a nd i m p r ov i n g ROP of t he s t r a t a t ha t h a r d t o d r i l l a s we l 1 ．U s i ng t he SLTI DT a nd PDC bi t t o ge t h e r i s b e c o mi ng a ne w f a s t dr i l l i n g s c he m e ， whi c h c a n no t o nl y s ho r t e n t he we l l c o ns t r u c t i on pe r i o d， bu t a l s o s t a bi l i z e dr i l l i n g pr o c e s s a nd e xt e nd t he l i f e o f dr i l l i n g t o o 1 ． 3D v i r t u a l d e s i g n t e c hn ol o gy a n d f l u i d d y na mi c s t he o r y a n d e x pe r i m e nt al s t u dy a r e u s e d i n t he de s i g n o f SLTI DT．An d n ow ， t h e SLTI DT ， whi c h wo r k i ng l i f e i s mor e t ha n 1 5 0 h du r i ng i nd o or t e s t us i ng d r i l l i n g f l ui d， f u l l y me e t i ng t he de s i gn r e qu i r e me nt ． And i t h a s be e n t e s t e d a t 7 we l l s ， t h e y c a n i m pr o v e ROP mo r e t h a n 5 0 ． The SLTI DT i S a n e c on o m i c a nd e f f i c i e nt f a s t d r i l l i n g t o o1 ． Ke y wo r d s t or s i o n i m p a c t ； ROP； t or s i o n f l uc t ua t i on 在我国能源战略及 钻井 大提速 的背景下 ， 对钻 井速度与质量的要求越来越高 。随着油气勘探开发 向深层、 深海等高难度 、 高风 险区域 的扩展 ， 井越来 越深 ， 地层越来越复杂 ， 钻井难度也越来越大 ， 尤其 是深部地层机械钻速低 ， 制约着深井钻井速度， 直接 影 响着油气勘探开发 的进展 ， 因此提 高难钻地层机 械钻速极为迫切。另一方面， 近年来 P D C钻头 已逐 步成为石油钻井主力钻头， 2 0 0 6年美 国 P D C钻 头 进尺约占总进尺的 6 0 ； 美 国落基 山脉地区 7 5 钻 井 进 尺都 是 P D C 钻 头 完 成 的 。然 而 ， P DC钻 头 在 工程应用中还存在一些制约因素 对 于中硬以上及 高研磨性地层 ， 严重的“ 卡滑” 问题 s t i c k s l i p 、 吃入 深度不够以及使用寿命低等问题， 限制了 P D C钻头 的应用 范 围l_ 】 。 j 。 收稿 日期 2 0 1 2 - 0 7 1 1 基金项 目 中石化集 团公 司工 程先 导试验项 目“ 高效扭转冲击钻井技术先导试验” S G1 1 0 0 9 作者简介 周燕 1 9 7 2 一 ， 女 ， 江苏 无 锡 人 ， 高 级 工程 师 ， 博 士 研究 生 ， 主要 从 事石 油 机械 及 井 下工 具 的研 究 ， E ma i l z h o u y a n 0 2 3 ． s l y t s i n o p e c ． c o rn。 第 4 2卷第 1 期 周燕 ， 等 S I T I D T型钻井提速工具研制 表 1 S L T 1 D T型扭冲 的部分技术参数 3 关键技术 S L TI D T型扭转冲击钻井提速工具将部分钻井 液 的流体能量转化成机械能 即扭转 冲击能量 ， 关 键 技术 主要有 4个 方 面 。 1 扭冲内部流动特性研究。包含能量分配规 律研究 以及输入参数 如流量 、 流体介质特性等 、 结 构参数对扭冲性能的影响等 。 2 扭 转 冲 击 性 能 的评 价 判 据 。在 现 有 P D C 钻头破岩机理 的基础上， 分析扭 冲额外提供的、 一定 频率的扭转冲击能量对破岩效果 的影响 ， 还有扭 冲 性能参数检测与分析技术 ， 这是建立评价判据 的基 础与依据 。 3 需要研发更加适合扭转 冲击钻井提速工具 的专用 P D C钻头。需要更加耐冲击的、 能够更好吃 入地层 的 P D C钻头 ， 与扭转冲击钻井提速工具一起 配合使用 ， 才能充分发挥其优势 。 4 扭转冲击复合钻井技术 。扭冲工具虽不像 钻头对地层适应性敏感 ， 对于适合 P D C钻进但机械 钻速≤5 m／ h的难钻地层来说 ， 不 同的参数控制会 产 生极 大差 异 。也 就 是 说 ， 扭 冲工 具 应 与 钻 井 工艺 技术共同形成一套系统的提速技术 。 4 现场试 验 截至 2 0 1 2 0 5 ， S L T I D T型扭转冲击钻井提速工 具在胜利和新疆油田共完成现场试验 7口井 ， 提速 效果显著 。其 中 2 0 1 2 0 2 ， S L T I D T 型扭 冲与 P D C 钻头的组合 在樊 5 5井 试验 ， 试 验井段 3 1 9 8 ． 0 6 ～ 3 4 3 0 ． 0 0 m完钻 进尺 2 3 1 ． 9 4 m ， 纯钻时间4 0 ． 9 8 h ， 机械钻 速达5 ． 6 6 m／ h ， 同井 同地层相邻 井段对 比， 机械钻速提高 1 2 7 ， 行程钻速提高 2 7 4 0A。 扭冲在高 9 4 6井 的提 速效果也 十分 显著 。高 9 4 6井是一 口评价井 ， 构造位置为济 阳坳陷博兴洼 陷正理庄一樊家鼻状构造带高 9 4 6块较高部位 ， 设 计井深 4 2 0 0 I 3 1 。该井井身结构一开 0 ～2 0 1 m， 井 眼直径 0 4 4 4 ． 5 mm， 0 3 3 9 ． 7 mm表层套管下至井深 2 0 0 m， 水 泥 返 至地 面 ； 二 开 2 0 1 ～2 2 5 2 m， 井 眼 直 径 0 3 1 1 ． 2 mm， 0 2 4 4 ． 5 mm 技 术 套 管 下 至 井 深 2 2 5 0 m， 封 过 本 区 沙 三 上 开 发层 系 ， 相 当 于 高 8 9 4 井 2 2 2 8 I T I 的辉 长岩 地层 ； 三开 0 2 1 5 ． 9 mm 钻 头 钻 至井深 4 2 0 0 m， 下入 0 1 3 9 ． 7 mm生产套管， 水泥返 至井深 2 0 0 0 m。 该井 自三开后 ， 钻进地层属沙三中、 下层 ， 以深 灰 色 泥 岩、 灰 质 泥 岩、 砂 质 泥 岩 为 主。在 井 段 2 4 6 1 ． 0 ～2 6 6 6 ． 8 m使用 P D C钻头钻进 ， 转盘转速 1 0 0 r ／ mi n ， 钻压 4 O k N， 排量 3 2 L ／ s ， 钻时不稳定 ， 平均钻 时超 2 0 mi n ， 最长超时达 7 0 mi n ， 行程钻速 1 ． 7 1 5 m／ h ； 在井段 3 5 1 5 ～3 7 8 8 m 也 使用 P D C钻 头钻进， 钻井参数相 同， 平均钻时 2 2 ． 3 4 mi n ， 行 程 钻速 1 ． 8 m／ h 。 为提高机械钻速 ， 使用 P DC扭 冲工 具， 试验井 段 3 2 6 5 ～3 5 1 5 IT I 。钻压 8 O k N， 转盘转 速 6 0 r ／ mi n ， 泵压 1 6 MP a ， 排量 3 2 I ／ s ， 钻井 液密 度1 ． 2 3 g ／ cm 。 。 自2 4 6 1 ～3 7 8 8 r f l 的 5趟钻钻进数据如表 2 ， 钻时曲线如图 2 ， 转盘扭矩曲线如图 3 。录井数据表 明 5趟钻 中 P DC 扭冲的钻进井段钻时最低， 均值 1 o ． 5 6 mi n ／ m， 且钻时波 幅最小； 同时 ， P D C扭 冲 时的钻 进扭 矩 也 最 低 ， 均 值 2 ． 7 k N 1T I ； 钻 进 扭 矩 可 以和 没有 卡滑 问 题 的牙 轮 钻 头 相媲 美 ， 而且 扭 矩 波动 最小 ， 仅 为 1 ． 4 k N r n 。 此 次现场 试验 中 ， P D C扭 冲进 尺 2 5 0 m， 纯 钻 时 间 4 4 ． 0 3 h ， 机械 钻 速 5 ． 6 8 m／ h ， 行 程 钻 速 3 m／ h ， 与同井同地层前 、 后 2次单独使用 P D C钻头钻进 的井段 相 比， P D C扭 冲工 具机械 钻速分 别提 高 9 8 ． 6 、 1 1 1 ．5 ，行 程 钻 速 分 别 提 高 7 4 ． 9 、 6 6 ． 7 。 在整个钻进过程 中， S L TI DT型扭转冲击钻 井提速工具能够很好地解决 P D C卡滑问题 ， 提高了 机械钻速； 同时由于其稳定了钻进过程， 还延长了钻 头等钻具的使用寿命 ， 是一种经济高效的钻井提速 工具 。 7 O 石 油 矿 场 机 械 2 0 1 3 年 1 月 5 结论 _ ’ 一 一 I一 一 I I I I I ． u ．IIII 。 _ I ．’ 井深， m 图 2 高 9 4 6 井 2 4 6 1 ～3 7 8 8 m 间 5 趟钻 的钻时 曲线 P D C 牙轮 一 牙轮 一 一 P D c 扭冲工 一 PDC I l l l l - r 一．； I l 门 ． ． ’ _ 一 l l - _ _I ． 。 井深／ m 图 3 高 9 4 6井 2 4 6 1 ～3 7 8 8 m问 5趟钻的转盘扭矩 曲线 1 S I TI D T型扭转冲击钻井提速工具利用流 体直接驱动 ， 内部无涡轮 、 螺杆 、 叶轮等复杂零件， 可 靠性好 ， 效率高。在现有旋转钻井条件下 ， 不增加任 何动力 ， 就能提供 了一种安全经济 的提速方案 。随 着技术工艺的逐步完善 ， 必将展现其技术优势 。 2 扭冲能够解决 P DC钻头的卡滑问题 ， 稳定 钻进过程， 提高难钻地层机械钻速 。但其有使用范 围， 适合 P D C钻头钻进但机械钻速≤5 m／ h的难钻 地层。经过室内 1 5 O h的寿命测试和 7口井的现场 试验 ， S L TI D T型扭 冲工具在提 速技术上逐步走 向 成熟 。 3 对 扭 冲 的关 键技 术 尚需 深 入研 究 ， 需 要 大 量现场应用数据， 为深入探索扭转 冲击复合钻井提 速技 术奠 定基 础 。 4 S L T I D T型扭 转冲击钻井提速工具依靠流 体压力驱动， 对流体压力的控制可以向智能化方向发 展 ， 形成新一代智能控制的扭转冲击钻井提速工具。 参考文献 [ 1 ] 隋梅 ， 金建 忠． 胜 利油 田中深井 下部井 段 P D C钻头 应 用技 术研究 [ J ] ． 西部探 矿工程 ， 2 0 0 3 ， 1 4 6 8 7 8 9 ． [ 2 ] 杨 丽 ， 陈康 民． 改 进 P DC钻头性 能 的设计 方法 [ J ] ． 石油机械 ， 2 0 0 5 ， 3 3 3 2 5 2 7 ． [ 3 ] 邹德永 ， 张将海 ， 王瑞和． P D C钻头力学 模型 的试 验研 究E J ] ． 石油钻探技术 ， 2 0 0 5 ， 3 3 2 4 1 4 3 ． [ 4 ]T r e v a s D a v i d ． R o t a r y i mp a c t w e l l d r i l l i n g s y s t e m a n d me t h o d US ， 7 0 9 6 9 8 0 B 2 E P ] ． 2 0 0 6 0 8 2 9 ． [ 5 ] 闫向宏 ， 孙建盂 ， 张美玲 ， 等． 钻柱系统纵向振动等效 网 络分析[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 4 1 6 2 0 ． [ 6 ] 马希金 ， 邵 莲． 多相流量计量技术综述 [ J ] ． 石油矿 场 机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 5 5 9 - 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