小井眼钻井和取芯新方法.pdf

④ q - I - 卜 弓 勘 一 小 ．； 11 - 眼 钻 井 和 取 心- i - i - 新 方 法 了E 2 ∈ ， A ． B e n c ic等 著 侣 、A 引 言 毫无疑 问 ，小井 眼 钻井 已经 拓宽 了其 应 用范 围 ，从 矿业 、建 筑业 发展 到石 油 工业 数十年来 ，小 井 眼钻井 不再 是节省 费用 的一 种试 验性 方 法 ，但是 它也没 有被接 受 为常 规 钻井 的真 正替代 。最 早的小 井 眼钻井 可追 溯 到五十年 代早期 ，但 直到八 十 年代 晚 期 ，油 价平稳 就要求 从成 本 的观 点 出发来提 高勘探 效 果 ．小井 眼钻 井还 ～直没有重大突破 。 从 八十 年代 末到 九 十年代 初 开展 的 旨在 降低小 井 眼作 业 费 用 的不 同 开 发研 究项 目， 以及小 井 眼钻井 在 水平井 、多 底井 、老井 再 钻 ，还有在边 远地 区或 环境 敏感地 区的应 用 中可 以看 到 ，到本世 纪末 ，小 井眼 钻井 数 量 将不 断增 加 ，并 会 赢 得 越来 越 多人 的接 受 。 这种对 小井 眼技 术 的新 兴趣导 致任 何小 直径 井眼项 目有 关 的研究 活 动增加 。新 方 法 如 改进 井 控 技术 和新 工 具 如 小井 眼评 价 ， 完井工具 等 有助 于 克服许多 对 小井 眼技术 存在 的偏见 。 谈起 油气勘 探 与开 发 ，小 井 眼钻 井 与连 续取芯话题 总是连 在 ～起 的。从成本 降至最 小这一点来 讲 ，这 种结 合代 表着一 种 战略趋 势。作为采矿 工业 的标准 作 法 ，石 油工 业在 八十 年代 开始越 来越 多地 注意 到连续 取芯过 程 。这也许是 把 采矿 系统 应用 于石 油 工业 中 的一种成 功尝 试 ，许 多 紧跟而来 的项 目再 次 显示 了 由于 采用 小井眼 方法而 直接 导致钻 井 汪海阁邢雷译 朱德 一校 费用大 大降低 ，以及一些潜在的收益 钻 井 效 率 小井 眼技术 的 主要缺 陷之 一就 是 钻井 效 率低 ，机械 钻速一 般较 常规 井低 。基 于小 井 眼系统本 身的约 束性 ，使用 刮刀 钻头要 优 于 牙轮 钻头。因为刮刀钻头要求施加 的钻压小 。 与常 规 尺 寸 的 钻 头 大 于 6 相 比， 目前小 井 眼取 芯 钻头 比全 尺 寸 钻头 钻速 慢 ， 磨损快 。总 的看来 ，对 小 直径 钻 头的 研究 和 开发仍欠缺 。同时小 井 眼钻 头在 钻不 同井段 且地层 特性 发生变化时 ，表现的效率也较低 ， 小井 眼 P DC钻头 ，尤为如此 。 当钻遇某 一特定地层 时 ，小井 眼 P I X -2钻 头可能钻速很 高 ，但 当钻遇 夹层时 其效 率 可 能下 降很 快 。最 坏 的 情 况是 钻 头 可能 磨 损 ， 导致钻 头过早 失效 。 本论 文所 开展 的项 目，初 始 目的就 是 填 补小钻头设 计 中所观 察到 的 问题 。但是 ，由 于小井 眼系 统本身 的变 化 ，该 问题就 变 得很 明显 ，改进 钻头 设计 的 自由度 将受 到很 大 限 制 ，甚至限制到不能 开发 任何 新产品的程度 ， 这在 以前 尚未发现 例如与 P DC钻头相关 的 技 术突破等 。因此要 求对小井眼钻井和 钻头 问题 开发一种 完全 不 同的设 计方法 。这 基本 也就是 如何 在井 下改变 钻 头 ， 及 “ 动 态 调 节型”钻井 工具 由来 的原 因。这一 思路 主 要 意图并不 是 加速 实际 钻井 过程 ，但 是却 大 大 降低 了耗 费在钻 井辅助 作 业 起 下 钻 、更 换 维普资讯 1 0 国外钻井技术 第 1 5卷2 0 0 0年第 3期 钻 头等 中的时 间。 动 态调 节 方 法 双体钻头概念 一 旦识 别 出问题 ，还是 要 回到有 限 的可 能 性方 面去调节 钻头类 型 或设 计新 的钻头 类 型 ，以对付钻 井 中遇到 的不 断变 化的 岩石 性 能 ，很 明显“ 动 态调节 工具 ”无疑 是 一种 完 美 的选择 。作 者 相信采 用这种“ 双 体概 念钻 头” ，可使 上述新概念得以合理实现 ，这种 合 理性表现在 时间 、费用和付出的努 力等 方面 。 双体钻头概 念包 括使用 小井 眼 取芯井 底 钻具组合 ，其钻 头 的外部 切削 部分 装在外 管 上 ，其 内部 塞 子 切削 刃部分 则 借助于 常 规的电缆组合可 以回收 。 从钻头设计 的观 点来 看 ，仍遵 循 一些 基 本的设计 规则 基于 以前 下人井 眼 内钻 头 的 使用 效果 ，硬合 金齿 采 用下述 方法 安装 塞 子与包 围它 的牙齿 圈突 出一定 的距 离 ，这 相 当于钻头 内部具 有 某种 形式 的导航 作 用。众 所 周知 这种安装 方式增 加 了钻井 系统 的稳 定 性 。同时塞子也代表 了上述概念 中的新东西 ． 因为它是 在钻 遇不 同地 层 时可调节 的主要 部 件 。这一 部 分 可 以 回 收 ，并 可 经 常 地 甚 至 “ 实时”的对钻头系统进行调 节 ，以使其效 率 晟高 。已研 制出不 同的塞子 设计 方 案 、可 能 的几何剖 面 、水力 学 和切 削齿形 状 。但 很 明 显 ，设计 灵活 性受 到相 当大 的 限制 ．主要是 由于 工具 的尺寸 小 ，和晟 小 可用 的切 削齿 尺 寸 同 6 2 ram 的 工具 直径相 比 ，最 小切 削齿 尺寸 只有 f 8 mm 。更多 的设 计选 择方 案采 用小 尺 寸 8 mm的 圆柱 型 切 削 齿 得 以实 现 。 另一 方面齿圈 的设计标 准及其 主要 目标 ， 就是要求 寿命 长 ，因为齿 圈 的更 换要 求 进行 附加 的起下 钻 作业 ，就象 常规钻 井 中所 遇到 的情况一样 。 在“ 常规”钻 井过 程 中 ，无论 什 么 时候 钻速低 于经 济值 ，亦 即钻 头磨损 之 后 ，就该 把钻柱起 出 井 眼 ，因此 有 效 钻 井 时 间 减少 ， 整个钻井过 程效 率就 降低 了。例如 对于 1 5 0 0 米 的井 深 ， 可 能 需 要 4个 小 时 把 整 个 钻 杆 从 井跟 内起 出，大约 需要 同样 长 的时 间再 把这 些起出 的钻 杆下人 井眼 内 更 换钻 头的 时 间 还不包括在 内 。钻头寿命 与钻 头类 型和地层 特性有关 在各 向 同性 地 层 中 ，在 5 0 0米 左 右的井段 内大 约需 要 5只钻 头 。通 过 电缆 下 人 打捞简 ，取出硬质合金 齿 ，更换 易损部件 ， 假设井深仍为 1 5 0 0米的话 ，可能在两个 小时 内就 能够 完成 这 一作业 假定 管 柱下 放速度 为 0． 8米 。 因此 同通 常 所要 求 的起 下钻 作业相 比，采用 这种新 方 法节 省的 时 间大约 有 8 0 ％。考虑 起下钻时最 坏的 可能性 更换 钻 头和转换 钻井方 式 ，起下钻 可能要 占去一 口3 0天完 钻 的 井眼 时 间 的 2 5 ％。那 么采 用 这种方法 ，总共 可提前 大 约五 天完 钻 。对 于 钻井 日费很 高 的项 目，采用 这种新 概念钻 头 可节约相 当可观 的 费用 不 考 虑 同时可 能获 得 的钻头更 为灵 活 的调 节方式 和钻 速优化 所 带来 的效益 节省额外 的费用可能仅 通过更 换钻 头的一 个很 小部件 而 实现 同更 换 一个 直径 为 4英 寸 的钻头相 比，这种新 概 念 中的 小塞子直径 ，大约 只有 2 ． 5英寸 另一点需要 提及 的是这 一 系统 一旦 以取 芯方式下人 井眼 内 ，在井 眼 直径 为 1 0 1毫 米 时 ，回收 的岩芯直径大 约为 6 3毫米 ，这样 就 获得 了相 当合理 的岩芯 样 品。 即便 在 这么 小 的井眼 内，也会得到相 当不 错的岩芯收获率 实验室测试程序 建立 了一个特 殊 的室 内实验装 置 ，以便 在压力 高达 4 0 0巴的 情况 下进 行钻 井测 试 工 作 。实验装置 包 括执 行部件 下人 时 的压 力 和 振动控 制传感 器 图 1 。 测试 了八 种不 同类型 的 钻头 ，或单 独 测 试 ，或分组测 试 。钻取 的岩 芯样 品 由四种 岩 石类型组 成。各种 岩石 的抗 压 强度和 剪 切 强 度都不 同。 每进行一 种 实验 ，都 要 记 录下 所使 用 的 钻头类型 、作 业参数 、所 要求 的力 、磨 损 情 维普资讯 国9 钻井技术 图 t 实 验室 测试 装备 图 1 控 制室 ； 2 液 压管{ [； 3 动力 ； 【 4泥浆 泉； 5 安 全阀 ； 6 泥 浆箱 ； 7主汽缸 ； 8钻 头 ； 9 压力 容器 ； 1 0 注 泥 浆管线 ； 1 1 返 回泥浆 管线 ； 1 2 过滤 器 况 、以及传感器 测量 到的工具 振动特性 。 实验室测试结果 室 内实验是 采 用下 述方 法进行 的收集 和记录钻 头性 能参 数 ，以便分 析每 一个 单独 部分的设计 。结果 表 明为使钻 头在最 佳 作业 参数范 围 内工 作 ，选择 正确 的作业 参 数 根 据钻头类 型与 地层 特性 ，选 择钻 压 、转 速和 流量大 小非常重要 。如果达不到这种要求 ， 钻速就会 降低 ，导 致振 动增 加 ，钻 头 切削齿 快速磨损 ，失效就 会 发生 。第五次 实验 表 明 了采用这种 最优 组 合 ，大约 可 取得 3 0米剧 、 时 的高钻速 。 前 八 次 实 验 表 明 具 有 四 个 塞 子 和 齿 圈 组 合 的钻头 的实 验结 果 ，尽管 事实上 塞 子从来 不是单 独下 人的。 观 察到的一种 现象 就是位 于后 切 削齿处 的切 削 齿边 缘 会 很 快 磨 损 例 如 金 刚石 刀 刃 ，确信这是 由于缺乏支持材料 的支撑所 引 起 。在 接近钻头保 径部 分进 一步观 察 到 了切 削齿的损 害 前倾 角大于 或等于 2 】 度 。这 在 另一方 面也解 释 了为什 么 圆柱型金 刚石切 削 齿在经 历这 么多的 实验之后 几乎不 磨损 的 原 因 ，尽管 它们 安装 的角度与后切削齿相似 根据钻头性 能 ，带 有 碳化 钨销 子 的钻头 11 为选到平 均钻速 要求 ，需 要施 加较 大 的钻压 同第一 、二 次实验相 比 。而第 四次实 验 中 所观 察到 的高钻 速就是 钻头在 实验最佳 工作 参数 范围以外工 作 ，这样 就 明显导 致钻 头 的 快速 磨损 。 下列 实验 系列 将 集 中于 工具 成组 使 用 ， 改变塞子与齿 圈的组合 ，在不同地层 中下人。 根据 岩石压缩 强度 对地层进 行分 级 软 、中 、 硬 ．但是就 工具切 削作用 的刮 刀类 型而 言 ， 切削 “ 软地层 ” 比切 削 中硬 地层 平均 剪切 强度 ⋯1 8 6 k g ／ e m2 时 会遇到 更多 的 问 题 。 第 1 2 、1 3次实验很好地说 明了钻 头可能 钻遇 也可 能钻遇 不到 的岩石 中所 出现 的 问题及其答 案。在大 理石地层 中 ，碳化 钨类 型钻头在合理 钻压 下工作很 好 ，但 却在 含极 硬砾岩的地层 中不能很好 工作 。为取得 高钻 速 ．就需要施加 过大 的钻压 大约高 出常规 值 3 0 ％ ，这 样 就 同预期 值 一样 ，出现 了高 磨损率 。记录下 了正 负 2毫 米左右 的振 动 幅 度 。 在记录下钻 井参 数 的同时 ，监 测钻 头动 态性 能 的传 感器测 量装 置也记 录下来 钻头 的 动态性能 ，如垂直 运动 振 动 和 水平 运动 沿 x轴和 Y 轴运动 。 采用滤波处理和快速 F o u r i e r 变换可得到 钻头水平和 垂直 方 向运 动的渡 型 图。除 了碳 化钨钻 头下人硬砾岩 中例外 ，使用 P D C钻头 即使在 同样 坚硬 的砾 岩中 ，几乎没 有遇 到振 动 问题 。 这种新概念 起作 用的证据 就是 实 验系列 的结果 ，它表 明 了改 变整个 钻头性 能 的能力 和 因此 交换 部 件 塞 子的特性 ，如改 变井 下 系统 水力学要求等 为了优化设 计 ，并 基于 工具和 切 削齿 的 尺 寸和类 型 ，要求 录求 系统的约 束 条件 ，进 行进一步 的研究 和开发 是很有 必要 的。很 清 楚 ，只要进行 进 一步的 实验 ，研 究小组 的 经 验 肯定 会增加 。因此将有 助于钻 设计过程 、 实验架建立 ，以及实验结果 的分析 。 维普资讯 1 2 国 钻井按 术 第 1 5卷2 0 0 0年第 3期 从取芯操 作转换 为钻进 作 业 ，改变 井底 钻具组合 的观点 并不新 颖 ，类 似 的观点 已 经 应用于矿 业 开采 中去。对 于浅 层矿 井 同 油 井的 常 规深 度 相 比 ，钻 遇 的 岩 石 类 型较 软 如沉积岩 环境 和 低强度 等 ，在其 作业 范 届 内井底钻具 组合 工 作得越 好 。同样 的方 法卫 成功地应 用于 另一 个领域 ，那就 是对 煤 层气 进行评 价。但是 ，利 用这种 思想 并对 工 具修 改以后 ，以达到真 正替代 常规钻 井 的方 法这 种观点则属创新 。 就钻井方式 而 言． 由于需要 置 于常规 的 钻井应 力 和载荷 状 态之下 ，有必 要 对钻头 提 供足够 的稳定性 和强度 但对 于取 芯则无 需 这样 。适合上 述意 图的井底钻具组合概念设 计已经进 行 了，在年 内将 对利 用这 一新概 念 设计 出的井底 钻 具组合 进行 实 验。同 目前 类 似 的系统 相 比．新 的井底 钻具组 合加 强 了锁 扣 装置 ，且在其下部有一个 附加 的稳定装 置 ， 这种 系统在钻井时就能够承受压缩载荷作 用 ， 并进 一步 把扭 矩传 递 给钻头 。这 样 对井 底钻 具组合 改进 以后 ，作者相 信对 于小井 眼钻 井 可能 在钻进 全过 程中均 可替代 常规钻井 的方 法 ，而不是象原 来那 样始终 只是 一个 未能 实 现 的 梦 。 结 论 文 中给 出的这 种“ 动态可 调” 钻井 工具 概念使 作业 者有 可能很快 调整 钻头性 能使 其 适 合各 向异性 地 层的需 要。 因此 它代 表 了一 种系统 的 方法 ，可 以 以更 有 效 的钻 井 方 式 ， 在与钻井相伴 随的活 动 中 如更换 钻头 时 的 起下钻 ，或者 由钻进转换为取芯 时更换钻具 花费更少 的时 间 ，因此在 几个 井段 或全 井 中 提高 了钻井效率 。 双体 钻头概 念 由于钻 头尺 寸减 小 ，因而 降低 了钻井成 本 经常 只是更换 内塞钻 头这 种小 尺寸的结构 。这 种双体结构设计增加 了 钻井 工具 可 能组 合 的数 量 。另 外它 同样 简 化 了生 产商所必 须的钻 头 作业 范 围参数 ，降低 了生 产 和 库 存 以 致 整 个 商 业 费 用 ，例 如 三 套 齿圈与塞子 的组合 六 件 可 提供 九种 可能 的钻头组合 ，四套可提供 1 6种钻头组合 ，依 此类 推， 同上述 概念相 关 的还 有 ．要 更换 的钻 头 可采用 比常规 钻井 中更快 、更省 钱 的方 式 进 行更换 对 钻井方 式和 取 芯方式 的更 迭使 用 也是 如此。这种新 思路 具有 降低 起下 钻 时问 和相关费用达 5 O ％的潜力 因此这种 新思路 最有 希望 的应 用 可能是 勘探钻井 领域 ，因为这 时要 求不 断 取芯 ，并 计划获取很 关键 的岩石 类 型和 油藏 参数 ，尤 其在含有 多层袖 藏 的条件 下 ，而不 同产层 之 间又 由松 散材料 所截 断 。这 种思路 允许 钻 井 和取芯方 式之 间很有 效地 相互 转换 ，避免 了 那种需 要 取一部分 不需 要 的岩芯 ，或 者起 出 取芯钻具组合 ，然后 再下人钻进钻具组合 。 按 这种 思路 已经设 计 出符 合要 求 的系统 及其尺寸 大小 ，可 满足通 常 的勘探 和 生产钻 井标准 ，同样也能 够满 足 采矿标 准 相对 于 井 尺 寸 、取 芯 直 径 和 井 场 现 有 的 钻 杆 尺 寸 等 。 但是 为设 计 出更 为复 杂 的齿 囤 、塞 子 组 合 ，并进一 步在现 场两种 作 业方式 下 钻 井 和取芯测试 全套 ，还需要作 出更大的努力 ， 这样将 给 出进 一 步 改进 时的 具 体 量化 数 值 。 这种系统 实验计划在 9 8年夏 季进行 。 建议使用 可收 回式 系统 ，因 为这样 将更 为经济 ，它所 要求 处理和 改 变的设 备 的作用 的数量 减少 了 避免了全井起下钻 ，因此加 快 了钻井 速度 。另 外这一 系统允许 达 到最优 的岩芯 收获率 。随着人们 对 大位 移 井 、水平 井和多底 井钻 井兴趣 的增加 ，这种 新型 钻 头 设计降低 了起下 钻时 间 ，具 有 边取 芯边 钻井 的能力 ，从 战略上就瞄准 了技术进步的方 向。 译 自 SP E 4 9 2 6 1 维普资讯