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一 4 4 一 ■ 技术交流 石油与 化工 设备 2 0 1 1 年 第1 4 卷 提高深部地层钻井速度的若干对策 金建忠 胜利油田海9 l I程 管理 中心 ， 山东 东营 2 5 7 0 01 [ 摘要]本文对近年来胜利油田黄河钻井总公司在胜利油区深部地层钻井速度进行了分析，从钻具组合设计和防斜打直技 术、钻头选型、井下动力钻具使用、深井套管防磨损等方面入手，提出了提高该油区深部地层钻井速度的对策。 [ 关键词]胜利油区；深部地层；钻井速度；套管防磨 1国内油 田深井钻探概况 近年来 ，我 国在塔里木 、川 东北、胜利油 田 等地进行 了多 口深井 、超深井钻探 ，2 0 0 5 年 1 1 月 英深1 井成功钻至7 2 5 8 m，2 0 0 6 年7 月塔深 1 井成功 钻至8 4 0 8 m。2 0 0 7 年3 月科学探索井胜科1 井成功钻 至7 0 2 6 m。深部地层的钻探成功标志着我国深井、 超深井钻井技术与装备水平有了很大提高。 在 地 层 深 处 ，地 壳 内 部 的环 境 条 件 十 分 复 杂 。井 下 温 度超 高 ，如 胜 科 1 井 井 底温 度 达 2 3 5 ℃；地层压力超高，地层压力系数高达2 ． 7 ；深 部地层可钻性差 、机械破岩效率低 。我 国深部地 层钻探面 临的问题一 是尚未完全掌握深部地层 的 环境 ；二 是国产井下测量仪器 尚不 能承受深层 的 高温 高压 ；三是缺少 可承受地下深层 高温 高压环 境 的钻井 设备 、工具及钻井液 ，同时国内对超深 井钻探技术 的系统研究也很不够 。 目前 ，胜利油 田的钻井技术水平 已有很大提 高，但 是，深部地层 的钻井技术水平远落后于上 部地层 的发展 。表 l 是近年来胜利油 田4 5 0 0 m以上 井深的完井指标统计表 。 表1 胜利油田2 0 0 4 2 o o 9 年4 5 0 0 m 以上井深的完井指标统计表 年份 口数 平均井深 m 平均钻速 r n ／ h 建井周期 d ～h 钻井周期 d ～h 2 0 0 4 1 3 4 8 5 4 ． 7 8 4 ． 8 9 1 5 0 8 1 3 2 1 7 20 05 5 467 8 ．0 0 6． 83 1 88 1 1 4 6- 6 20 06 9 48 67 ．7 8 4． O2 225 23 20 3 -5 20 07 5 52 97 ．6 0 2． 62 31 61 3 2 85 -2 0 20 08 6 49 00 ．0 0 5 ． 57 i 4 6 21 1 2 7 -2 0 20 09 4 48 59 ．7 5 5 ． 8O 1 75 -2 2 1 5 O l 5 以上资料显示，2 0 0 4 年以来，井深大于4 5 0 0 m 的井，平均机械钻速在6 ． 8 3 m／ h 以下，因此急需开 展专题研究，以提高深部地层钻井的速度 。 2 钻具组合设计和防斜打直技术要点 2 ． 1 防斜打直技术 井 斜是 石 油钻 井 的难 题之 一 。因地 质 因素 地层倾 角、层状结构 、断层 、软硬交错等 和 工程 技术 因素 钻具结构 、钻进参数等 均会导 致井斜 。其 中，地质 因素是客观 因素 ，在某些复 杂构造地 区，严重井斜是制约钻井速度的关键 。 根据井斜控制原理及控制能力的不同，现有 防斜 打直技术分为被动防斜技术及主动防斜技术。 2 ． 1 ． 1 被动防斜技术 包括钟 摆钻 具、刚性满眼钻具 、偏重 心 钻具等组合 。特 点是利用钻具组合 BHA 自身 的受力和变形特性 ，不借助其它外部 因素 如井 下测量和控制系统等 防斜 ，因而也称 为B HA防 斜打直技术 。在地质构造复杂地区 ，这种技术应 用效果不理想。 1 钟摆钻具 。包括塔式钻具 、普通钟摆钻 具、柔性钟摆钻具等 。钟摆钻具主要用于纠斜 ， 作者简介金建忠 1 9 6 7 一，男，山东东营人，1 9 8 9 年毕业于 石油大学 华东开发系石油钻井工程专业。长期从事石油和天然 气钻井施工管理工作 ，现任胜 利石油 管理局海外工程管理中心 副经 理 ，高级工程 师。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 期 金建忠提高深部地层钻井速度 的若干对策 一 4 5一 其纠斜原理是利用BH A自重产生的 “ 钟摆力 ”， 使钻头处产生与井斜方 向相反 的侧 向切削作用 。 缺 点是无法避免钻头倾角 的增斜 因素。为 了提高 纠斜效果 ，只能尽量降低钻压，影响 了钻井速度 和钻井效益。 2刚性满 眼钻具 。包括满 眼钻 具、方 钻 铤、椭圆钻铤等 。满 眼钻具 主要用来 防斜 ，防斜 原理是通过提高B HA的刚性 ，减小钻具与井眼的 间隙，提 高B HA的抗弯 曲能力 ，减小钻头倾 角和 钻头横 向力。缺 点是没有纠斜 能力 ，井斜后不 能 用来纠斜。 3 偏 重 心 钻具 。包括偏 重 心 钻 具 、偏轴接头等 。 自上世纪8 0 年代 以来 ，国内主 要在这方面开展 了研究工作 。理论研究和实践证 明，偏重 心 钻具利用B HA涡动特性来防斜和 纠斜 。B HA存在质量或结构偏 心，在 自转 的同时 产生 比较大的离心力 ，使B HA发生周 向公转运动 涡动 ；在垂直井眼中，钻头倾角和钻 头侧 向 力 因为BHA公转运动而没有方 向性 ，可 以防斜； 在斜 井 眼 中，周 期性 的离 心力 与 钟摆 力联 合 作 用，使井斜角减小而实现纠斜。 2 ． 1 ． 2主动 防斜技术 包括 垂直 钻井 系 统 VDS 、直井 钻 井系 统 S DD，均带有井下测 量仪器和 自动控制系 统，能够 自动对直井井斜连续测量和控制 ，代表 着 目前 防斜打直 的最高水平 。该 防斜打直系统源 于上世纪9 0 年代初期 ，德 国为实施KT B工程 ，联 合研制 了Z B E 一 5 0 0 0 VDS 一 3 垂直钻井系统 ，但井 斜控制原理各不相同。KT B工程应用VDS 一 3 系统成 功钻至约7 2 0 0 m，井眼轨迹几乎垂直；在7 2 0 0 m以 下 因为井壁扩大，该系统 不能发挥作用 。KT B工 程项 目结束后，Ag i p 公 司与Ba k e r H u g h e s I NT E Q 公司合作，在VDS 系统基础上研 制了S DD直井钻 井系统。 国内近年来采用 “ 金刚石钻头或HJ 系列牙轮 钻头小度 数弯外 壳马达 螺杆 、涡轮 转盘 钻”技术来防斜打直。 2 ． 2防斜打直技术的现场应用 现场 实践发现 ，使用P DC钻头小钟摆钻具 ， 在出现井斜后往往不纠斜 ，反而成为强增钻具结 构 。因此对 于易斜地 区尽量采用塔式钻 具结构， 小钻压钻进 为宜。对 于易斜地 区，使用P DC i 头 尽可能不采用钟摆钻具结构 。 1 柔性大钟摆钻具 ，大钻压防斜钻进 。 3 1 1 ． 1 mm 1 2 ” 井 眼 3 1 1 ． 1 mm 1 2 ” 钻头 2 2 8 ． 6 mm 9 ” 1 钻铤 4 根 ①3 1 1 ． 1 mm 1 2 ” 稳 定 器 ① l 5 8 ． 8 mm 6 ” 钻 铤 1 根 中3 1 1 ． 1 mm 1 2 ％” 扶正器 c I 2 0 3 ． 2 mm 8 ” 钻铤 7 根 中1 5 8 ． 8 mm 6 ％” 钻铤 9 根 c I 1 2 7 mm 5 ” 加 重钻杆 x 3 0 根中1 2 7 m m 5 ” 钻杆。 这种柔性钟摆钻 柱组合 ，如果施加大钻压， 稳定器 以下与稳定器之 间都易形成与井壁接触的 切点，因而适于用大钻压打直井段 。 使 用 这 种 钻 具 组 合 ， 钻 压 要 大 2 6 0～ 3 0 0 k N ， 转 速 要 快最 好 大 于 2 0 0 r p m，钻 头选用 具有外 切 削能力且保 径 能 力 强的钻头 。在钻进 中每钻完一根单根都要提起 来划 眼，划 眼只划 下单根 ，不划上单根 ，划眼一 定要控制速度慢划 特别是在硬地层 。采用 自 浮式测斜仪勤测斜 ，发现井斜有增大或超标 的趋 势 ，可 以在每个单根最后 l m进行 吊打 ，也可 以钻 进一段后吊打4 ～5 根单根。 2 刚性大钟摆钻具，大钻压纠斜钻进 。 ①3 1 1 ． 1 mm 1 2 ” 井 眼 3 1 1 ． 1 mm 1 2 ” 钻头 中2 2 8 ． 6 mm 9 ” 钻 铤 4 根 ①3 1 1 ． 1 mm 1 2 ” 稳 定器 2 2 8 ． 6 mm 9 ” 钻 铤 X 1 根 中3 1 1 ． 1 mm 1 2 ％” 扶正器c I 2 0 3 ． 2 mm 8 ” 钻铤 X7 根 ①1 5 8 ． 8 mm 6 A ” 1 钻铤 9 根c I 1 2 7 mm 5 ” a n 重钻杆 x 3 0 根 1 2 7 mm 5 ” 1 钻杆 这 种 刚性 钟摆 钻 具组 合 ，稳 定 器 下 的钟摆 段较 长，而稳定器之 间的钻铤 由于刚度大 ，在大 钻压 下切 点不 易与井壁接触 ，故用大钻压打 降斜 段 。考虑NP DC 钻头一般用小钻压 6 0 1 0 0 k N 吊 打 ，为防斜打直 ，可采用钟摆钻具结构。 牙轮钻 头优选满眼钻具 ，也可使用塔式钻具 或钟摆钻具 ，在减小井眼 曲率 ，保证套管好下的 同时，可加大机械参数 。 在 高 陡斜 构 造上 的大尺 寸 井 眼 ，为 防斜 打 直 ，用P DC3 H 钟摆 钻具 的方 法最 为 有效 。必 要 时 钻 具 结构 还 可 以改为PDC 弯 外 壳 动力 钻 具 MWD，复合钻 、转盘转配合使用。 3 偏轴钻具组合 ，大钻压防斜／ 纠斜钻进 偏 轴钻 具 具有 防斜和 纠 斜 功 能 ，在相 同条 件下 可使 用较 大 钻压 比普通 钟 摆钻 具 的钻压 大 ，有利于在较大倾 角地层实现 防斜 打快 。胜 利 油 田钻井 五 公司在 钻 井 中采用 了偏 轴 钻具 组 合 。基 本结 构 为偏轴 接 头紧 靠钻 头 ，扶 正器距 钻头约2 单根 ，因此 也称 为 “ 偏轴钟 摆钻具 ”。 以 2 1 5 ． 9 i n i i 1 井 眼 为 例 ，该 钻 具 结 构 如 下 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 一 6 ■ 技术交流 石油 与化工设备 2 0 ] 1 年第 1 4 卷 ①2 1 5 ． 9 mm钻头偏心接头 1 7 7 ． 8 mm钻铤2 根 稳定器中1 7 7 ． 8 mm钻铤 1 O 根 1 2 7 mm钻杆 。 此外 ，还 使用 了P DC 钻头 螺杆钻具进行 防 斜钻进 ，也有较好效果，但其限制条件 是有 的 地层不 能用P DC钻头 ；螺杆钻具使用造 价较 高且 寿命较短。 3使用钻头选型及应用技术提高深部地层钻井速 度 3 ． 1利用声波 时差和岩石物 性参数优选钻 头 岩石 的硬度 、地层强度指数 、岩石可钻性是 钻头选型 的重要依据 。传 统的室 内岩石 力学实验 方法需要 昂贵 的岩芯 。由于取芯困难 、成本 高， 国内外专家长期 以来都在寻找一种 简便 的方法来 确 定地层 的强度参数和地层钻井特性 。由于声波 在岩石 中的传播特性与岩石的密度 、孔 隙度 、结 构强度等密切相关 ，可 以利用声波 时差和岩石物 性参数优选钻头 。 通 过研 究 胜利 油 区 声波 时差 与 最优 钻 头之 间的等概关系可看 出，在深部硬地层选用进 口片 的P DC，在无法使用P DC的井段选用江钻股份生 产 的宽齿钻头 ；在特殊地区上部含砾石层较 多的 井 ，使用H A T1 2 7 钻头；对井深超过3 0 0 0 m的井 ， 根据各 区块的地层特 性，选用4 ～8 翼P DC 钻头钻 进和H系列钻头 。 3 ．2区别地层地质情况优选钻头 1 对普通深层钻探 ，采用新型脉冲P D C钻 头 新型脉冲P DC钻头是把 自激振荡脉冲射流喷 嘴安装在钻头 的水眼 内，将进入钻头 的连续射流 转变成 出钻头的脉冲射流 ，从而大大提 高钻井速 度 ，提高钻头寿命 ，同时也使破碎 的岩屑颗粒直 径增 大2 4 倍 。 具体应用 在江汉油 田万 1 2 井使用 ，与普通 P DC钻头相 比，平均机械钻速提高 了8 0 ％；在 四 川普光气 田普光2 0 2 1 井使用 ，与普光2 ． 2 井 同井段 相 比，平均机械钻速提高了5 2 ． 4 ％；在塔里木油 田 T K2 4 6 H井使用 ，与普通P DC 钻头相 比，平均机械 钻速提高 了7 6 ． 3 ％。 2 对硬地层深层钻探 ，采用低温电铸孕镶 金刚石钻头 高速涡轮钻具组合 低温 电铸孕镶 金刚石钻头是利用 电镀 原理， 金属离子在金 刚石钻头表面还原成金属 ，包裹金 刚石而形成的孕镶金刚石钻头 。 高速 涡轮钻 具具有 强动力输 出、极低 的震动 性、零件均为金属件 、模块式工具等特点和不受 温度约束、强适应性、保护钻头等优点。 具 体应 用 在 川 西 新场 气 田新 场 8 井 成 功 应 用 。钻具 组合 1 6 5 ． 1 mm孕镶 金 刚石钻 头 1 2 0 ． 6 5 mm高速涡轮钻具十 中1 5 8 ． 7 5 mm球形扶正 器 浮阀中1 2 1 mm钻铤 9 根 震击器 1 2 1 mm钻 铤 3 根①1 0 1 ． 6 mm J H 重钻杆 9 根 ①1 0 1 ． 6 mm钻 杆 施 工 井 段 4 8 2 8 m～ 4 9 6 6． 4 3 m ，进 尺 1 3 8 ． 4 3 m，纯钻时间9 6 ． 7 5 h ，机械钻速1 ． 4 3 m／ h 。 效果分 析与邻井 新 1 0 、新2 0 1 、新5 、新 1 1 、新2 0 2 井二段不使用孕镶金刚石钻头和高速 涡轮钻具相 比，提高机械钻速在0 ． 1 8 ～0 ． 7 9 m／ h ， 平均提高0 ． 6 3 m／ h 。 从该次使用情况分析 ，低温 电铸孕镶金刚石 钻 头 高速 涡轮钻 具在 此井 段 的寿命 可达5 0 0 小 时，是 区域钻头平均钻头寿命的1 2 倍 ，是最高寿 命的6 倍。 3 对砾石或含砾深层地层采用新型P DC 钻 头或采用旋冲钻井 旋冲钻井 的设想始于欧州 ，l 9 0 0 年～ 1 9 0 5 年 间，俄 国工程师B 沃尔斯基 设计 了几种石油液动 冲击器 。 lJ 2 0 世纪9 0 年代 ，由于石油钻井越钻越 深 ，所处工作环境更加恶劣 ，国内外石油钻井界 相继对不 同结构 的液动冲击器进行 了研 究 ，我国 从2 0 世 纪9 0 年代中期开始 ，陆续有 多家石油、地 质 院校及科研单位对旋冲钻井在石油钻井工程领 域 的应用进行 了可行性研究 ，先后设计 了多种类 型 的液动冲击器 ，但 由于种种原因 ，试 验效果并 不 理想 。 旋 冲钻 井 是在 常 规 旋转 钻 井工 艺基 础 上 发 展起来 的一项新型钻井技术 ，液动冲击器是实现 能量转换、实施旋冲钻井工艺的井下动力钻 具。 随着石油勘探开发 的步伐加快 ，新的勘探领 域的 出现和井下地层岩石硬度高、可钻性差 的矛盾更 加突 出。旋冲钻井可从根本上改变 以往 旋转钻井 的破岩方式，它引用合理的机械设计方法 、流体 力学原理、波动理论 ，实现 了旋转和冲击联合作 用下的 “ 体积破碎 ”，这 就可 以大大提 高机械钻 速，提高钻井效率 。 德州石油钻井研究所开发 的旋冲钻井技术在 石油工程应用方面取得 了成功 。其中YS C一1 7 8 型 液动射流式 冲击器在胜利 、塔河等油 田，松南 、 川西等地 区以及加拿大等 国家进行 了广泛应用， 平均机械钻速提高3 0 ％～5 0 ％。特别是近年来 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 期 金建忠提 高深部地 层钻 井速度的若干对策 ．． 4 7 ． ． 经过对液动射流式冲击器 的结构 、加工工艺及材 料等方面 的不断完善 ，提高 了冲击器功率传递效 率 ，改善 了密封效果 ，并使射 流元件、缸体和活 塞等冲击器易损件 的寿命达到8 0 ～1 2 0 h 。 用 于砾 石 钻进 的新型P DC钻头 由武汉 地 大 长江钻 头有 限公司等厂研 制 ，并在文 1 4 ． 4 6 、胡 5 - 2 2 3 、胡7 3 2 2 等井成功使用 ，较普通P DC 钻头钻 井效率提高2 6 ％以上 。 4 使用井下动力钻具提高深部地层钻井速度 与常规转盘钻井相 比，应用 “ P DC钻头 井下 动力钻具 转盘钻 ”复合钻井方式钻直井 ，具有如 下的优越性 1 由于复合钻进的钻头转速是钻机 I I 档速 的2 倍 ，接近 I档速 的4 倍 ，大幅度提高机 械钻速 很容易实现 。 2 复合钻进 的高转速适合于P DC 钻头剪切 地层的切削特 点。 3 井眼轨迹平滑。导向钻进和滑动钻进相 结合 的间隔变换 ，易于控制狗腿 度 ，保证井 下安 全 。 4 钻具结构得到有效简化 。复合钻进时钻 压一般1 0 0 ～1 2 0 k N ，少下或不下钻铤即可完成 钻进要求，粘卡机率大大降低。 5 高效P DC钻头配合动力钻具钻井 ，避免 了高转速 下牙轮轴承 的先期失效 ，不会发生掉牙 轮事故。 6 导向钻具结构若采用MWD监测井眼轨 迹 ，更能发挥优势 。2 0 0 5 年 以来 ，黄河钻井总公 司在近9 O口井 的深部及 中深部地层利用井 下动力 钻具复合钻进技术提高钻井速度 ，效果明显 。钻 井五公司在丰深4 井深部地层应用复合钻井技术， 提高机械钻速效果十分明显，是常规钻井速度 的 2 ． 9 6 ～3 ． 7 2 倍 。具体指标见表2 。 一 表2 丰深4 井复合钻井效果统计表 井段 m -m 进 尺 m 纯钻进时间 h 机械钻速 m ／ h 钻头型号 备 注 3 5 2 7 - 3 5 8 0 5 3 5 3 ． 7 5 0 ． 9 8 L H J 5 3 7 G 单弯 动力钻具 3 5 8 0 3 5 9 7 1 7 5 1 ． 3 3 O ． 3 3 L H J 5 3 7 G 常规钻具 组合 3 5 9 7 3 6 5 3 5 6 4 4 ． 9 2 1 ． 2 3 L H J 5 3 7 G 单弯 动力钻 具复合钻进 3 6 5 3 3 7 0 9 5 6 7 9 ． 4 2 O ． 7 O L H J 5 3 7 G 直螺杆动力钻具复合钻进 5 应用套管防磨损技术提高深部地层钻井速度 5 ． 1 套管防磨技术 根据 国外的实验及对 胜利 、南方 、西部深 井 钻井现场 的研究 ，套管磨损失效的主要影响因素 是狗腿度变化 、固井质 量差、新钻杆接 头的耐磨 圈、钻井液性能差、高钢级套管耐磨性 差、腐蚀 后套管强度降低等 。为克服这些缺 陷，钻井 中主 要应用 了钻杆接头敷焊耐 磨带技术和套 管减磨接 头技术。 5 ． 1 ． 1 钻杆接头敷焊耐磨带防磨技术 钻杆及加重钻杆在钻进过程 中与井壁接触 ， 由于钻具本 身的 自转及钻柱 公转 ，钻具接头在严 重磨损的同时也对套管造成磨损 ，通过在钻杆接 头敷焊耐磨带，利用耐磨带硬度高、摩擦系数小 的特点，可有 效降低钻具 的旋转 阻力 ，减小钻具 的磨损，保护套管 ，延长钻杆使用寿命。 5 ． 1 ．2套管减磨接头防护技术 在套管 内的钻杆柱上使用套管减磨接头 ，如 图l 所示。将 减磨接头安装在钻杆接头处 ， 外套 非旋转 与套管 内壁接触 ，而心轴与钻 杆一起 旋转 ，从而在外套和心轴之 间产生磨损 。外套仅 在套管 内滑动，不随钻杆转 动，因而与套管 内壁 不产生相对转动 ，减少 了套管的磨损 。由于心轴 与非旋转外套摩擦副的动摩擦 因数较小 ，其独有 的钻井液 自润 滑特 性，有效地 降低 了钻柱传递 的 扭矩损失。 心轴 挡圈 旋转外套 下接头 图1 套管减磨接头 5 ． 1 ． 3 其他套管防磨技术 1 优化钻井液体系，使用石墨粉类 固体润 滑剂 。石墨粉类 固体润滑剂MHR在钻具上形成一 层保护膜 ，减少钻杆与套管 间的摩擦 ，降低套管 的磨损程度。 下转5 O 页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m