旋冲钻井在塔河工区超深井段的应用.pdf

第 3 5卷 第 4期 2 0 1 3年 7月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI L LI NG PRODUCTI ON TECHNOLOGY V0 1 ． 3 5 No ． 4 J u l y 2 0 1 3 文章编号 1 0 0 0 7 3 9 3 2 0 1 3 0 40 0 4 40 3 旋冲钻 井在塔 河工 区超 深井段 的应用 索 忠 伟 王甲 昌 张 海平 李 广国 张 仁 龙‘敬 辉阳 1 ． 中国石油化工股份 有限公 司石 油工程技术研究 院， 北京1 0 0 1 0 1 ；2 ． 华东石油局钻 井公 司， 江苏镇 江 2 1 2 0 0 3 ； 3 ． 中国石油天然气管道局 天津设计 院， 天 津3 0 0 4 5 7 引用格式索忠伟， 王甲昌， 张海平， 等 ． 旋冲钻井在塔河工区超深井段的应用 [ J ] ． 石油钻采工艺， 2 0 1 3 ， 3 5 4 4 4 _ 4 6 ． 摘要为提高新疆塔河工区深部地层机械钻速 ， 在该区块试验应用了旋冲钻井技术。针对新疆塔河工区深部地层岩性特 点和钻头选型情况， 优选出旋冲钻井匹配钻头， 优化并确定 出射流冲击器结构性能参数。使用改进后射流冲击器首先在塔河 工区s l 1 6 ． 3井中配合 P Dc钻头在超深井段进行探索性应用， 验证射流冲击器 P D C钻头的可行性， 应用井深达 6 0 8 6 m。随 之， 在 T P 3 2 4井进行了长井段现场应用， 实现 了液动射流冲击器与P D C钻头配合实质性应用。S 1 1 6 ． 3井应用井段 5 9 9 8 ．4 1 ～ 6 0 8 6 m， T P 3 2 4井应 用井段为 6 1 5 1 ． 6 5 ～ 6 9 1 2 m， 总进尺 8 4 7 ． 9 4 m， 总纯钻 时间 3 1 4 ． 0 2 ， 机械钻速 同比提 高 3 2 ％ 4 5 ％。S l 1 6 3 、 T P 3 2 4井应用结果验证 了该技术在深井超深井的提速效果及可靠性 ， 为塔河工区深部地层探索了新的途径。 关键词旋冲钻井 ；射流冲击器；P D C钻头；超深井 中图分类号 T E 2 4 9 文献标识码 A App l i c a t i o n o f r o t a r y pe r c us s i o n dr i l l i ng o n t h e s upe r de e p s e c t i o n i n Ta h e Fi e l d S U 0 Z h 0 n g w e i ， WA N G J i a c h a n g ， Z H A N G H a i p i n g ， L I G u a n g g u 0 ， Z H AN G R e n l 0 n g ， J I N G H u i y a n g 1 ． S 1 NO P E CP e t r o l e u m E n g i n e e r i n g a n d T e c h n o l o g y R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e ij i n g 1 0 0 1 0 1 ， C h i n a ； 2 ． Dril l i n g C o m p a n y ， Ea s t C h i n a P e t r o l e u m Ad mi n i s t r a t i o n B u r e a u ， Z h e n j i a n g 2 1 2 0 0 3 ， C h in a ； 3 ． T i a n j i n De s ig n Re s e a r c h I n s t i t u t e ， C N PCPip e A d mi n i s t r a t i o n B u r e a u ， T a n g g u 3 0 0 4 5 7 ， C h i n a A b s t r a c t T o i m p r o v e t h e R a t e Of P e n e t r a t i o n R OP f o r d r i l l i n g d e e p f o r ma t i o n s i n T a h e F i e l d ， r o t a r y p e r c u s s i o n d r i l l i n g t e c h n i q u e wa s t e s t e d ． Ac c o r d i n g t o t h e l i tho l o g i c f e a t u r e s a n d d ril l i n g b i t t y p e s e l e c t i o n i n t h e r e g i o n ， t h e fi x e d b i t wa s s e l e c t e d ， a n d t h e s t r u c t u r a l p r o p e r t i e s o f j e t i m p a c t o r w e r e o p t i mi z e d and fi x e d ． T h e i mp r o v e d j e t i mp a c t o r w a s fi r s t l y p u t i n t o u s a g e i n t h e s u p e r d e 印 s e c t i o n o f We l l S 1 1 6 - 3 ， c o mb i n e d wi th P D C b i t ， p r o v i n g the f e a s i b i l i ty o f j e t i mp a c t o r P D C b i t ， a n d t h e d e p t h r e a c h e d 6 0 8 6 m． As f o l l o wi n g ， i t w a s fi e l d a p p l i e d o n We l l T P 3 2 4 ， wh i c h r e a l i z e d the r e a l a p p l i c a t i o n o f t h e c o mb i n a t i o n o f j e t i mp a c t o r a n d P DC b i t ． As a r e s u l t ， t h e a p p l i c a t i o nd e p th r an g eo f W e l l S 1 1 6 - 3wa s 5 9 9 8 ． 4 1 ～ 60 8 6m ， an di t wa s 61 5 1 ． 6 5 - 691 2m for W e l l TP 3 2 4 ， S Ot h et o t a l p e n e t r a t i o nwa s 8 4 8 ． 1 6 m ． T h e t o t a l n e t d r i l l i n g p e rio d wa s 3 1 4．0 2 ， an d the ROP wa s i n c r e a s e d b y 3 2 ％- 4 5 ％ ． Th e a p p l i c a t i o n o n t h e t wo we l l s p r o v e d the e ff e c t a n d r e l i a b i l i ty o f the t e c hn i q u e i n d e e p a n d s u p e r d e e p we l l s ． I t s u p p l i e d n o v e l wa y t o d e v e l o p T a h e d e e p f o rm a t i o n ． Ke y w o r d s r o t a r y p e r c u s s i o n d r i l l i n g ； j e t i mp a c t o r ； P DC b i t ； s u p e r d e e p we l l 旋 冲钻井技术是在旋转钻井 的基础上 ， 增加一 个冲击器产生的高频冲击作用， 使钻头承受周期性 的冲击载荷， 实现冲击载荷与静压旋转联合作用破 碎岩石 。由于在钻进过程中施加了高频 的冲击载荷 ， 使岩石形成体积破碎 ， 从而提高钻井速度 ， 特别在可 钻性级值 4级以上 、 抗压强度大于 1 0 0 MP a的硬地 层中钻进效果更佳。实现旋 冲钻井的主要工具是液 动冲击器 ， 是一种以钻井液为动力 ， 直接在钻头上施 加 冲击能， 实现冲击载荷与静压旋转联合破岩的工 具。YS C 一 1 7 8 型液动射流式 冲击器具有结构简单 、 攻 关项 目中国石 油化工股份有限公司项 目 “ 新疆塔 河工区 YS C一 1 7 8冲击器推 广应用” 编号 S G1 l O 4 4 。 作者简介索忠伟， 1 9 7 0 年生。1 9 9 4年毕业于长春地质学院勘察工程专业， 现主要从事钻井工程科研工作， 博士， 高级工程师。电话 0 1 0 8 4 9 8 8 1 2 5 。E ma i l s u o z h o n g we i 1 2 3 1 6 3 ． t o m。 索忠伟等 旋冲钻井在塔 河工 区超深井段 的应用 4 5 性能可靠、 启动灵活、 工作稳定且适用范围广等优 点 ， 不必改变现有 的钻井装备。不受背压影响， 有利 于深井钻井。 近年来 ， 基于黏滑振动理论 ， 旋冲钻井技术应用 于P D C钻头取得了突破性进展， 即利用冲击振动发 生工具减轻 或消除有害黏滑振动对 P DC钻头 的影 响， 实现 P DC钻头提速及提高进尺。最具代表性 的 是 阿特拉的 T o r k B u s t e r 扭力 冲击器 、 NOV公 司的旋 冲钻具 ， 中国石 油大学研制 的 自激震荡旋冲钻井工 具 P DC钻头也在试验 中取得 了较好 的效果 ， 除扭 力 冲击器为周 向冲击 以外 ， 另外 2种技术均为轴 向 高频温和冲击工具。实践证明， 使用合理的冲击器 参数， 在适宜的冲击振动作用下， 可以有效消除井底 钻头及钻具的有害黏滑振动 ， 改善钻头工作状态 ， 使 钻头更平稳地切削从而扩大钻头适用地层 范围， 发 挥 P DC钻头钻速高 、 进 尺多的优势 ， 减少起下钻 次 数， 降低钻井成本。射流式液动冲击器作为一种参 数调节范 围很宽 的轴 向冲击 振动发生工具 ， 通过合 理调整分流孔径、 冲击行程、 冲锤重量获得合适的输 出参数 ， 可配合 P DC钻头进行旋冲钻井 。 1 冲击器性能参数确定 考虑 冲击器工作频率过高会加速活塞 的磨损 ， 降低 冲击器工作寿命， 在满足冲击器降低冲击力 的前提下， 结合性能试验结果 ， 选择活塞行程为 1 5 mm， 锤重 4 5 ， 分流孔直径 1 3 mm。表 1 列举 了排 量为 2 5 ～ 3 0 L ／ s时对应 的冲击器性能参数 。 表 1 冲击器结构参数及性能参数 序 排量 ／ 行程 ／ 锤重 ／ 分流孔／ 冲击功／冲击力／ 冲击频率／ 号L S 一 mm k g mm J k N Hz 1 2 6 1 5 4 5 1 3 1 9 3 5 7 8 ． 5 2 2 7 1 5 4 5 1 3 2 3 0 6 9 8 ． 8 3 2 8 1 5 4 5 1 3 2 6 8 7 6 9 ． 1 4 2 9 1 5 4 5 1 3 2 8 8 8 4 9 ． 5 5 30 1 5 45 1 3 3 00 9 0 】 0． 5 依据冲击器性能参数与排量关系曲线 图 1 可 确定现场不 同排量下对应 冲击器 冲击功及冲击频率 大小 ， 为旋 冲钻井参数优选提供 了实验依据 。 帽 是 排量／ L S ’ 。 图 1 冲击器性能参数与排量关系曲线 R 懵 是 2 钻头选择 塔 河地 区志 留系一 奥 陶系地 层岩石 强度 3 4 ～ 2 0 0 MP a ， 变化范 围较大 ， 上部井段抗压强度相对较 高。拟应用井段地层硬度分级为 I ADC 4 ． 7 ， 地层软 硬交错综合考虑托普 台地层特点和 P DC钻头的地 层适应性， 结合本区块钻井实践， 对石炭系及石炭 系以下地层 以压实性好 的泥岩为主 ， 可钻性相对较 差 ， 推荐选 择 中等抛物线 型 、 中等布齿密度 、 1 3 ～ 1 6 mm 复合 片 、 负前 角 2 0 。 或 2 5 。 的胎体 P D C钻头 。 另外， 综合考虑 P D C钻头配合冲击器使用， 钻头须 能够承受一定 冲击力 ， 采用热稳定性好 、 特别耐磨 、 耐 冲击 的 X3齿 ， 单个金 刚石复合片可承受 6 0 J以 下的冲击能。0 2 1 5 ． 9 mm F X 6 5 D钻头采用双排齿 设计 ， 后排齿 可有效降低载荷 波动范 围， 提高钻头 安全。 3 现场应 用 3 ． 1 S l 1 6 - 3井 S l 1 6 ． 3 井 在 库 车 县 境 内， 为 沙 雅 隆起 阿克 库 勒 凸起 南 斜 坡 带 布 置 的一 口评 价 井 ， 设 计 井 深 6 2 9 5 m， 为五开制直井 ， 目的层位 奥陶系 中一下 统鹰山组。因为首次冲击器与 P D C钻头配合应用， 选取 该井 四开 1 3 2 1 5 ． 9 mi l l 井 眼， 在 四开设 计 中完 前 1 0 0 m井段进行探索 l生试验应用 ， 实际应用井段 5 9 9 8 ． 4 1 ～ 6 0 8 6 m 四开 中完井深 ， 地层为奥陶系上 统桑塔木 组 、 良里塔 格组 、 恰 尔 巴克组 。地层 岩性 主要 为灰 色泥岩 、 灰 岩、 棕红色泥 岩。钻具组合为 13 2 1 5 ． 9 m m F X 6 5 D Y S C 一 1 7 8 射流冲击器 单流阀 4 1 1 4 A1 0 1 6 3 mmD C2根 13 2 1 5 mi l l 扶正器 131 6 3 mmDC1 9 根 4 A1 1 4 1 0 131 2 7 mmH WDP 6根 131 2 7 m mDP 。 旋冲钻井参数钻压 6 0 8 0 k N， 转速 6 5 ～ 7 0 r ／ m i n ， 排量 2 6 ～ 2 8 L ／ s ， 立压 2 O ～ 2 2 MP a 。钻井液性能 密 度 1 ． 3 0 g ／ c m ， 黏度 5 1 S ， 含砂量 0 ． 1 ％。冲击器入井 共计 8 7 h ， 纯钻 4 1 ． 0 2 h ， 进尺 8 7 ． 5 9 m， 采用旋冲钻井 较 常规 钻井机械钻速提 高 4 0 ％ 以上。冲击 器及 钻 头出井后均保持完好， 可继续使用。该井试验井段 虽短 ， 但 由于钻穿多套地层 ， 同时验证了射流冲击器 与 P DC配合应用 的可行性。在 S 1 1 6 3探索性应用 的基础上 ， 开展了 T P 3 2 4井长井段 的应用 ， T P 3 2 4井 选用钻头为 S l l 6 3井出井钻头 。 3 ． 2 T P 3 2 4井 T P 3 2 4井在沙雅县境 内， 位 于 T P 3 1 3 H井 口东南 1 1 6 o 4 7 ’ 4 6 ” 方位 ， 平距 1 8 8 8 m； T P 3 9井南东 6 0 。9 ’ 石油钻采工艺 2 0 1 3年 7月 第 3 5卷 第 4期 2 3”， 平距 2 5 5 7 m；T P 3 1 1 井 东南 1 7 2 。2 5 ’3 7”方 位 ， 平距 2 8 1 5 m。设计井深 7 0 3 5 m。旋 冲应用井 段 为 6 1 5 1 ． 6 5 ～ 6 9 1 2 m， 地 层 为 奥 陶 系桑 塔 木组 、 良里塔格组、 恰尔巴克组。地层岩性主要为灰色泥 岩、 灰岩 、 灰质泥岩 、 泥质灰 岩、 棕红色 泥岩。钻具 组 合为 O2 1 5 ． 9 mm F X6 5 D YS C 一 1 7 8射流 冲击 器 单 流 阀 4 1 1 4 A1 0 O1 6 3 mmD C2根 O 2 1 5 1T n T I 扶 正 器 1 6 3 mmD C1 9 根 4 A1 1 4 1 0 O1 2 7 mmH WDP6 根 O1 2 7 mmD P 。 钻井参数 钻压 3 0 ～ 8 0 k N， 转速 6 5 ～ 7 0 r ／ mi n ， 排 量 2 6 ～ 2 8 L ／ s 。钻井液性能1 ． 3 5 g ／ c m ， 黏度 5 7 S ， 含 砂量 0 ． 2 ％。冲击器人井井深为 6 1 5 1 ． 6 5 m。起钻 井深为6 9 1 2 m， 因三开中完起钻。旋冲钻井上返岩 屑颗粒较常规钻井上返岩屑颗粒粒径大， 说明了旋 冲钻井有利于岩屑录井 ， 便于鉴别分析岩性 ， 是地面 实时判断冲击器是否正常工作的一个重要依据。 钻进至 6 5 5 5 m进行测斜 ， 测斜点为 6 5 5 0 m， 测斜结果 井斜 0 ． 7 6 。 ， 方位为 2 0 ． 4 。 ， 温度为 1 2 2 ． 7 8 q C 。测斜结果符合设计要求 ， 说 明旋冲钻井在提高 机械钻速同时 ， 可以保证井斜控制要求。 冲击器使用井段 6 1 5 1 ．6 5 ～ 6 9 1 2 m， 钻头总进尺 7 6 0 ． 3 5 m， 总计人井时间 3 5 1 h ， 纯钻时 2 7 3 ． 7 h ， 循环 3 3 h ；其 中冲击器 正常工作 井段为 6 1 5 1 ． 6 5 ～ 6 5 2 2 r n ， 旋冲钻井进尺 3 7 0 ．3 5 m， 纯钻时 1 1 3 ． 1 h 。冲击器 本体及钻头出井后保持完好， 钻头新度为 9 0 ％， 可继 续使用 。 T P 3 2 4 井旋冲钻进井段钻速与上部井段、 下部 井段及邻井相应井段对 比情况见表 2 。 表 2 T P 3 2 4井与邻井及邻井段钻进效果对比 综合以上对比分析， 可以看出， T P 3 2 4 旋冲钻井 井段平均机械钻速较上部邻井段提高 3 5 ． 7 ％， 较下 部邻 井段提 高 3 4 ． 5 ％， 与邻井 T P 3 1 1 、 T P 3 1 3 H同井 段平均机械钻速相 比分别提高 3 2 ． 9 ％、 4 5 ． 3 ％。 4 结论 1 YS C 一 1 7 8射 流冲击器可应 用于 6 0 0 0 I l l 以 深超深井钻进 ， 工作可靠 ， 为塔河工区深部地层提速 提供 了新的途径。 2 采用射流冲击器在塔河奥陶系地层 中进行旋 冲钻进 ， 提速效果 良好 ， 与同井上下井段及邻井相同 井段相 比提速 3 2 ％～ 4 5 ％。 3 旋 冲钻井钻进方式岩屑颗粒较大 ， 有利于岩 屑录井。 4 射流冲击器配合 P DC钻头使用 ， 其有效工作 寿命与 P D C钻头使用寿命还不匹配， 有必要进行大 幅度提高冲击器工作寿命深入研究 。 参考文献 [ 1 ] 马清明， 王瑞和 ． P DC切削齿破岩受力的试验研究 [ J ] ． 中国石油大学学报自然科学版， 2 0 0 6 ， 3 ff2 4 5 4 7 ． [ 2 ] 蒋宏伟， 刘永盛， 翟应虎， 等 ． 旋冲钻井破岩力学模型的 研究 [ J ]． 石油钻探技术， 2 0 0 6 ， 3 4 1 1 3 1 5 ． [ 3] 陈志学， 于文华， 朱进祖， 等 ． 液动冲击钻井技术在青西 地 区的试验与应 用 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 0 6 ， 2 8 5 l 9 21． [ 4] 张晓东， 易发全， 张强， 等 ． P D C钻头与岩石相互作用规律 试验研究 [ J ] ． 江汉石油学院学报， 2 0 0 3 ， 2 5 S 1 6 4 6 5 ． [ 5 ] 黄志强， 范永涛， 魏振强， 等 ． 冲旋钻头破岩机理仿真研 究 [ J ]． 西南石油大学学报自然科学版， 2 0 1 0 ， 3 2 1 1 48 1 5 0． [ 6 ] 陶兴华， 张建龙， 曾义金 ． 石油旋冲钻井技术研究及应 用 [ J ]． 石油钻采工艺， 1 9 9 8 ， 2 0 2 2 7 ． 3 0 ． [ 7 ] 屠厚泽， 高森 ． 岩石破碎学 [ M]． 北京地质 出版社， 1 99 0． [ 8] 陶兴华 ． 提 高深井钻井速度的有效技术方法 [ J ]． 石 油钻采工艺 ， 2 0 0 1 ， 2 3 5 4 8 ． [ 9] 索忠伟， 曾义金， 王治刚， 等． 基于虚拟仪器检测系统测射 流冲击器性能参数 [ J ]． 石油机械 ， 2 0 0 8 ， 3 6 8 1 6 1 9 ． [ 1 0] 刘德顺 ， 李夕兵 ． 冲击机械 系统的波动力学研究 [ J ] ． 机械工程学报， 1 9 9 7 ， 3 3 4 1 0 4 ． 1 0 6 ． [ 1 1 ] 陶兴华 ． 冲击回转钻井技术的现状及发展方向 [ J ]． 钻采工 艺， 1 9 9 6 ， 1 9 1 1 0 ． 1 2 ． 修 改稿收到 日期2 0 1 3 - 0 6 1 1 [ 编辑薛改珍 ]