涡轮钻井技术在元坝等重点区块的应用.pdf
第 3 9卷 第 6期 2 O 1 1年 1 1月 石 油 钻 探 技 术 P ETROI EUM DRI I LI NG TE CHNI QUES Vo1 . 39 No .6 NO V., 2 01 1 . _深井超 深 井钻 井提 速专题 d o i 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 0 0 1 0 8 9 0 . 2 0 1 1 . 0 6 . 0 0 4 涡轮钻井技术在元坝等重点区块的应用 解 兰宏 , 张金 成 , 张东清 , 臧艳彬 1 .中国石化石油工程管理部生产管理处 , 北京 1 0 0 0 2 9 ; 2 .中国石化石油工程技术研究院, 北京 1 0 o 1 o 1 摘 要 针对高研磨性 坚硬地层机械钻速慢 的难题 , 中 国石化 近年 来 引进 了“ 孕 镶金 刚石 钻头 涡轮 钻具” 复 合钻 井技术 , 取得 了较好的应用效果 , 同时也暴露 出一 些 问题 。为全 面准确掌握 涡轮钻 井技 术在 油田现场 的应用 情况 , 对涡轮 钻井技术在元坝 、 川西和 巴麦地 区的应用情况进行 了统计分析 , 并对其在现场 应用过程 中存在 的问题 进行 了总结 。结果表 明 元坝 、 川 西和 巴麦地区应用 “ 孕镶金 刚石钻 头涡轮钻 具” 复合钻井技术后 , 平均机械钻速 同 比提 高 了 1 0 2 . 7 4 , 1 2 8 . 2 4 和 1 】 5 . 3 8 , 钻 井提 速 效 果 明 显 ; 元 坝 地 区采 用“ 孕 镶金 刚 石 钻 头 涡轮 ” 复 合 钻 井 技 术钻进 自流 井组地层取得 了直接 经济效益 , 而在钻进 该地 区其他 地层和其他 区块还 没有取得 直接 经济效益 ; 涡 轮钻 井技术现场应 用中主要存在 部分井的机泵条件达不到涡轮钻具 高压 降要 求、 与涡轮钻 具配套的钻 头选择 不尽 合理 以及卡钻等复 杂情 况时有发 生等问题 。 关 键 词 涡轮 钻 井 孕 镶 金 刚 石 钻 头 元 坝 地 区 川 西地 区 巴 麦 地 区 中图分类号 TE 2 4 2 . 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 卜0 8 9 0 2 0 1 1 0 6 0 0 1 5 - 0 4 The Ap pl i c a t i o n o f Tu r b o d r i l l i n g Te c h no l o g y i n Yu a nb a Ke y Ar e a Xi e La nh o ng , Zh a ng Ji n c h e ng 。, Zh a ng Do n g qi n g , Za n g Ya nb i n 1 .Pr o d u c t i o n Ma n a g e me n t Of fi c e , S i n o p e c Pe t r o l e u m En gi n e e r i n g Ma n a g e me n t De p a r t me n t , Be i ~ j i n g, 1 0 0 0 2 9 , Ch i n a; 2 .S i n o pe cRe s e a r c h I n s t i t u t e o f Pe t r o l e u m En g i n e e r i n g, Be i j i n g, 1 0 0 1 0 1 , Ch i n a Abs t r a c t I n r e c e n t y e a r s , t h e i m p r e gn a t e d d i a mo n d b i t a n d h i g h s p e e d t u r b i n e wa s c o mb i ne d t o i n c r e a s e r a t e o f p e ne t r a t i o n whe n d r i l l i n g hi g h a b r a s i v e l y c o mp e t e n t f o r ma t i o n. Go o d r e s u l t s we r e o b t a i n e d a n d s o me p r o b l e ms we r e e x p o s e d . I n o r d e r t o a c c u r a t e l y ma s t e r t he t u r b o d r i l l i ng a p p l i c a t i o n e f f e c t i n o i l f i e l d s , t h e s t a t i s t i c a l a n a l y s i s f o r t u r b o d r i l l i ng a p p l i c a t i o n i n Yu a n b a Ar e a, W e s t e r n S i c h u a n Ar e a a nd Ba ma i Ar e a we r e ma d e . Th e p r o b l e ms e x i s t i ng d u r i n g f i e l d a p p l i c a t i o n we r e s u mma r i z e d .An a l y s i s s ho we d t h a t b y u s i ng t u r b o dr i l l i n g t he a v e r a g e ROP wa s i n c r e a s e d b y 1 0 2 . 7 4 , 1 2 8 . 2 4 a n d 1 1 5 . 3 8 i n Yu a n b a Ar e a , We s t e r n S i c h u a n Ar e a a n d B a ma i Ar e a . Dr i l l i n g r a t e i nc r e a s e me n t i s o b v i o us by u s i n g t u r b o d r i l l i n g t e c h n o l o g y . Th e d i r e c t e c o no mi c b e n e f i t wa s o b t a i n e d i n Yu a nb a Ar e a b y u s i ng t he i mp r e g na t e d d i a mo n d b i t a n d h i g h s p e e d t u r bi ne wh i l e i t wa s n o t a c h i e v e d i n o t he r r e g i o n s . The ma i n p r o b l e m i n t u r b o d r i l l i n g i s t ha t t h e d r i l l i n g p u mp c a p a c i t y d i d n o t me e t t h e r e q u i r e me n t o f h i gh t u r b i n e p r e s s u r e d r o p, d r i l l b i t s e l e c t i o n d i d n o t ma t c h t u r b o d r i l l i ng a n d d r i l l p i p e s t u c k. Ke y wor d s t u r bo d r i l l i ng; i m pr e gn a t e d d i a m o nd b i t ; Yu a nb a Ar e a;W e s t e r n of Si c hu a n Ar e a; Ba ma i Ar e a 中 国石 化 重 点 勘 探 区域 元 坝 地 区下 部 陆 相 地 层 、 川 I 西 地 区须 家河 组 须 3段 地层 和 巴麦 地 区石 炭 系 、 泥盆 系 等地层 岩 石 研 磨 性 强 , 可 钻 性 差 , 采 用 常 规钻井技术机械钻速低 。因此 , 中国石化在上述地 区开展了孕镶金刚石钻头涡轮复合钻井技术先导 试验 , 由于国内涡轮钻井技术尚处于探索试验阶段 , 施工队伍缺乏相关施工经验 , 造成现场试验效果不 收稿 日期 2 0 l 1 0 8 - 1 7 ; 改回 日期 2 0 1 卜1 1 - 1 0 。 作者简介 解兰宏 1 9 6 2 , 男, 江 苏靖 江人 , 1 9 8 1年毕业 于江 苏石油学校 , 2 0 0 4年 中国石 油大学 华 东 函授本科毕业 , 处长, 高级 经济师 , 主要从事石油工程技 术与管理工作。 联系方式 O 1 0 5 9 9 6 8 5 5 7 。 基金项 目 中国石化科技攻 关项 目“ 元坝地 区优质快速钻井关键 技术研 究” 编号 P 0 9 0 8 4 部分研 究内容 。 石 油 钻 探 技 术 稳 定 。为此 , 笔者 对 涡轮 钻 井 技术 的实 际 应用 效 果 进 行 了总结 与分析 , 指 出 了应用 中存 在 的问题 , 为涡 轮 钻井 技术 的进 一步 科 研 攻关 、 现场 试 验 与推 广 提 供参考和借鉴 。 1 涡轮钻井技术 的发展 可 , 首次在西 方钻井 中使 用, 其 后 P r e u s s a g公 司、 Dr e s s e r 公司、 C h r i s t e n s e n公司和其他公 司开始生 产 涡 轮钻 具 , 但 是 Ne y r f o r公 司一 直 占据着 市 场 的 主导地位 。美 国 S mi t h公 司收 购 法 国 Ne y r f o r 公 司 后 , 开 始在全 世界 钻井 市场开 展“ 孕镶 金 刚石钻 头 十 涡轮钻 具” 复 合钻井 技术 服务 。 1 . 1 技术概 述 1 3 国 内涡 轮钻 井技 术发展 概述 涡轮钻 井是 指采用 涡轮 钻具 配合孕镶 金 刚石钻 头进行钻进的一种钻井技术 , 它具有以下特点[ 1 ] 1 涡轮 钻具 具有 转 速 高 涡 轮 转 速 可 达 1 4 0 0 r / mi n以上 , 是 普 通 螺 杆 转 速 的 7倍 以 上 、 输 出动 力强 声 2 4 1 . 3 mm 1 5 0级 T 2 MK1涡 轮 的扭 矩 可 达 6 8 7 5 N m, 功率可达 3 7 9 k W 、 工作寿命长 没有 橡胶件, 耐高温 , 可连续在井下工作 4 0 0 ~1 0 0 0 h 等优点, 能够满足深井超深井 的井下高温环境 。 2 孕镶金刚石钻头以切削方式破岩 , 工作时需 要的钻压小、 转速高 , 正好与涡轮钻具的高转速特性 相匹配。因此 , 涡轮钻具配合孕镶金刚石钻头 , 再辅 之 以转 盘或顶 驱复 合 钻进 , 可 以在 常 规 钻压 下 获 得 较 高 的机械钻 速 和进尺 。 3 套管磨损量 大大减少, 与常规转 盘钻井相 比, 涡 轮钻井 时套 管磨损 量减 少 5 0 以上L 1 ] 。 涡轮钻具按 照结构 可分 为单节式 、 多 节式 和 支承节式 单 节式是指 只有一 个涡轮节 的涡 轮钻 具 ; 多节 式 是 指 有 2个 以 上 涡 轮 节 的复 式 涡 轮 钻 具 ; 支 承节 式 是 指 将 轴 向推 力 轴 承 均 安 装 成 专 门 单体的涡轮钻具l_ 6 。 ] 。此 外 , 根据 涡轮钻具组合 的 转速还可分为 高速涡轮 钻具组合 ≥6 0 0 r / mi n 、 中高 速 涡 轮钻 具 组 合 3 0 0 ~ 6 0 0 r / rai n 和 中 低 速 涡轮钻具组合 ≤3 0 0 r / mi n 。高速涡轮钻具组合 不配 置 减 速器 , 钻 头 转 速 高 , 适 用 于 硬 度 高 和 研 磨 性 强 的地 层 。 中高 速 和 中低 速 涡 轮 钻 具 组 合 在 轴 承节和钻头之 间装有减 速器 , 可降低 涡轮输 出转 速 , 增大钻 头扭 矩 , 提 高钻头破 岩能量 , 有 效减小 钻 头磨 损 。 1 . 2 国外涡轮 钻 井技术发 展概 述 2 0世纪 2 0年 代 初期 , 苏 联 开 始 涡 轮 钻 具 的研 发 , 1 9 2 4年成功将涡轮钻具应用到石油钻井 中。2 O 世纪六七十年代中期 , 涡轮钻具的钻井工作量曾一 度占前苏联钻井工作总量的 8 0 以上 。1 9 5 6年法 国 Ne y r f o r 公 司最先 取得 前苏联 涡 轮钻 具 的生 产许 我国在 2 O世纪 5 0年代 中期开始 引进 前苏联 的涡 轮 钻具 , 并 先 后 在 四川 、 玉 门 等油 田进 行 了 应 用 。“ 七 五” 以来 , 中 国石 油 大 学 北 京 、 江 汉 石 油 学 院在 涡 轮 钻 具 的研 究 和 试 验 方 面 作 了 大 量 工 作 。随着 国 内超 深 井 、 致 密 硬 地 层 钻 井 提 速 技 术 对 涡轮 钻 井 技 术 的 需 求 不 断 增 加 , 相 继 有 江 汉 钻 头股份 有 限公 司等 多家单 位 开展 涡 轮钻 具 的研 发 。但 与 国 外 相 比 , 国 内 涡 轮 钻 井 技 术 的 研 发 还 存 在 以下 不 足_ 3 ] 1 虽然进行了理论方面的研究探索 , 但没有形 成 系列化 、 规模 化 、 标 准化 的涡 轮钻具产 品 ; 2 基本 上没 有 开 展 适应 高速 涡轮 钻 具 钻 头 的 研究 ; 3 投入资金少 , 研究人员少, 因此涡轮钻具难 以走向市场转变为生产力 , 影响了国内涡轮钻井技 术 的发 展 。 2 在元坝等重点 区块 的应用 2 . 1重点 区块 的基 本情 况 元坝地区是继普光气 田之后 中国石化天然气 增 储 上 产 的又 一 重 点 探 区 , 也 是 川 I 气 东 送 工 程 资 源接替 的重要地区 。元坝地 区的 自流井组 和须家 河组 地 层 岩 性 坚 硬 、 石 英 含 量 高 、 研 磨 性 强 、 部 分 井段 含 砾 岩 , 可钻 性 极 差 。川 I 西 地 区为 超 高 压 、 超 致密复杂气藏 , 主要 目的层须 家河组须 2段埋 深 超 过 4 5 0 0 m, 地 层 研 磨性 极 强 , 泥 页岩 夹 层 多 , 常 规钻井机 械钻速低 、 钻头 失效快 。巴麦 区块 麦盖 提新区玉北 1 井在奥 陶系钻遇溶洞并发现 了良好 的油气显示 , 但是油气储层埋藏深 , 二叠系~石炭 系地层 坚 硬 致 密 , 泥 盆 系 、 志 留 系 地 层 可 钻 性 差 , 机械钻速低 。 2 . 2 重点 区块应 用综述 自 2 0 0 6年 在 元坝 1井 第一 次进 行 涡 轮钻 井 技 第 3 9卷 第 6期 解 兰宏等. 涡轮钻井技术在元坝等重点 区块 的应 用 术 l_ 8 试 验 以来 , 截 至 2 0 1 1年 7月 3 1日, 在元 坝 、 川 西 、 巴麦 3个地 区共 应 用 涡 轮 钻 井 技 术 4 1井 次 , 总 进尺达到 6 6 8 8 . 8 2 m, 平 均单趟钻进尺 1 6 3 . 1 4 m, 平均机械钻速 1 . 6 1 m/ h 。其中, 在元坝地 区应用井 次最 多 , 共 应 用 2 6井 次 , 川 西 地 区应 用 1 O井 次 , 巴 麦地 区 最 少 , 应 用 5井 次。在 3个 区块 应 用 了 S mi t h公 司 、 俄罗 斯及 引进 组装 的 3种 涡轮 钻 具 , 其 中 S mi t h公 司 涡轮 钻 具 应 用次 数 最 多 , 共 3 5井 次 , 占总井次的 8 5 . 3 7 , 俄罗斯涡轮钻具应用 了 1井 次 , 引进 组 装 的涡 轮 钻 具 应 用 了 5井 次 。S mi t h公 司涡轮 钻 具 平 均 单 趟 钻 进 尺 和 平 均 机 械 钻 速 均 最 高 , 分别为 1 7 7 . 2 7 m和 1 . 6 4 m/ h , 其次为俄罗斯涡 轮钻具 , 平均单 趟钻进 尺 1 0 2 . 5 6 m, 平均机械钻速 1 . 0 1 m/ h , 引 进 组 装 的 涡 轮 钻 具 平 均 单 趟 钻 进 尺 7 6 . 4 m, 平 均机 械钻 速 1 . I 5 m/ h 。S mi t h公 司 涡 轮 钻具的应用效果明显优于俄罗斯涡轮钻具和引进组 装的涡轮钻具 。与涡轮钻具配合使用 的钻头有进 口 和 国产 的孕镶 金 刚石 钻头 以及 P DC钻 头 , 以进 口孕 镶金 刚石 钻 头为 主 。 2 . 3应 用效 果分 析 2 . 3 . 1提速 效果 分析 1 元坝 地 区 涡轮钻 井技 术 在元 坝 地 区 1 2口 井上应 用 了 2 6井 次 , 总进 尺 4 2 1 7 . 2 4 1T I , 平 均机 械 钻速 1 . 4 0 m/ h, 与陆相 下 部地层 牙 轮钻 头平 均 机械 钻速 0 . 7 3 m/ h 相 比 , 提 高 了 9 1 ; 去 除应 用 不 成 功 的 井 次 , 平 均 机 械 钻 速1 . 4 8 m/ h , 提 高 了 1 0 2 . 7 4 。其 中元 坝 2 2 4井 在下 沙溪 庙组 至 自流井 组地层创单趟钻进 尺最高纪录 5 2 9 . 0 3 m , 该井还 在 自流井组和须家河组 地层 创机械钻速 最高纪 录 2 . 0 8 m/ h 。 2 川 西 地 区 涡 轮 钻井 技 术 在 川 西 地 区新 8 井 、 新 5 0 1井 、 新 2 0 9井 、 新 2 0 6井 和 鸭 3井 等 5口 井应 用 了 1 0井 次 , 总进 尺 1 1 8 7 . 2 7 m, 平 均机 械 钻 速 1 . 8 9 m/ h, 与 常 规 钻 井 0 . 8 5 m/ h 相 比 提 高 了 1 2 2 . 3 5 ; 去 除应 用 不 成 功 的井 次 , 平 均 机 械 钻 速 1 . 9 4 m/ h , 提 高 了 1 2 8 . 2 4 % 。其 中新 5 0 1 井 在 须 2 段 地层 创单 趟钻 进尺 最高纪 录 2 2 4 . 6 6 m 。 3 巴麦 地 区 涡轮 钻 井 技 术 在 巴麦 地 区 Y B 4 井 、 B T5 井 和 B T 7井应用 了 5井次 , 总进 尺 1 2 8 4 . 3 1 m, 平均 机械钻速 2 . 2 1 m / h , 与常规 钻井 1 . 1 7 m/ h 相 比提高了 8 8 . 8 9 ; 去除应用不成功的井次 , 平均机 械钻速 2 . 5 2 m/ h , 提高了 1 1 5 . 3 8 。YB 4井在沙井 子组和 开 派 兹 雷 克 组 地 层 创 单 趟 钻 进 尺 最 高纪 录 4 8 2 . 1 7 m , 并 在库 普库 兹 满组 地 层创 机 械 钻速 最 高 纪 录 2 . 8 O m/ h 。 2 . 3 . 2直接 经 济效益 分析 从元 坝 、 川西 和 巴麦 3 个 地 区的应用情 况看 , 元 坝 1 2 4井 和元 坝 2 2 4井 的应 用 效 果最 好 , 现 对元 坝 1 2 4 井的经济效益进行计算分析 。元坝地区 3 1 1 . 1 mm井段采用常规钻井技术钻进时, 千佛崖组 、 自流 井组 和 须 家 河 组 地 层 单 位 钻 井 成 本 分 别 为 0 . 7 6 , 1 . 4 5和 1 . 8 2万元 m, 综合单位钻井成本为 1 . 4 8万 元/ m。采 用涡 轮钻井 技术 钻进 时 , 单位 钻 井成 本 为 1 . 9 9 万元/ m, 整体上未取得直 接经济效益 。元 坝 2 2 4井 j 5 3 1 1 . 1 mm 井 眼段单 位 钻 井成 本 为 1 . 6 4万 元/ m, 接 近常 规 钻井 技 术 的单 位 钻 井成 本 , 也 未 取 得直接经济效益 。但元坝 2 2 4 井和元坝 1 2 4井在 自 流井组 地层 获得 了直 接经 济效益 见表 1 。 表 1 元坝地 区自流井组地层钻 井技术经济效益对 比 T a b l e 1 EEc o n o mi c e f f i c i e n c y c o n t r a s t o f t u r b o d r i l l i n g t e c h n o l o g y i n Zi l i u i i n g F o r ma t i o n o f Yu a n b a 以上分析表明 , 应用涡轮钻井技术虽取得 了较 好的提速效果 , 但 由于孕镶金刚石钻头价格昂贵 每 只高达 1 0 0万元左右 , 涡轮钻具费用 高 其 中动迁 费 2 O万 元/ 井 次 , 租 用 费 1 2 . 5万元 / d , 人 员 服 务 费 0 . 3万元/ d , 目前只在元坝区块 的 自流井组取得了 直接经济效益, 在元坝地区的其他井段和其他地 区 还没有取得直接经济效益。 2 . 4 存 在 问题分 析 涡 轮钻 井 技术 在 现 场应 用 过 程 中 , 暴 露 出一 些 』 8 石 油 钻 探 技 术 问题 , 经归纳分析主要有以下几点 1 部分井的机泵条件达不到涡轮钻具高压降 要求 。元 坝 1 0井 在 4 7 3 5 . 4 4 ~ 4 8 3 8 . 0 0 m 井 段 , 由于现场设备未达到 涡轮钻具要求 的泵 压及 排量 设计泵压 3 0 ~3 2 MP a , 排量 4 0 4 5 L / s ; 实际泵压 2 8 . 5 MP a , 排 量 3 7 L / s , 钻井 进 尺 1 0 2 . 5 6 m, 纯 钻 时间 1 0 1 . 0 8 h , 平均机械钻速仅 1 . 0 1 m/ h , 与牙轮 钻 头 0 . 7 3 m/ h 相 比 , 只 提高 了 3 8 . 3 6 , 未 取得 明 显 的提 速 效 果 。YB 4井 在 4 0 5 5 . 7 9 ~ 4 5 3 7 . 9 6 m 井 段进行 了涡轮钻 井技术 试 验 , 与 同井 同地层 相 比 , 平均机械钻速 与“ P D C钻头 螺杆 ” 复合钻井相 当 , 均 为 2 . 1 7 m/ h , 未能体现出涡轮钻井技术的提速优势。 分析其原因, YB 4 井所配机泵、 立管及设备无法完全 满足涡轮钻具 的需 要 , 现场最高允 许泵压 2 3 MP a , 正 常钻 进时排 量 只能达 到 2 5 L / s 左 右 中途 进行 了试 验 , 把 泵压 提高 至 2 5 MP a 、 排 量 达 到 2 7 L / s时 , 机 械钻速达到 2 . 3 9 m/ h , 与“ P D C钻头 螺 杆” 复合 钻井相比大约提高了 1 0 9 / 5 。 2 与涡轮钻具配套的钻头选择不尽合理。2 0 0 6 年元坝 1 井 钻进 须 家河 组 4 6 2 7 . 2 4 ~4 6 5 0 . 5 6 m 井 段时, 由于采用 的涡轮钻具为高速涡轮, 转速太高 , 所 选 P DC钻 头 与 涡 轮 钻 具 不 匹 配 , 造 成 钻 进 进 尺 仅 2 3 . 3 2 m, 纯 钻 时 间 3 O . 2 5 h , 平均机 械钻 速 只有 0 . 7 7 m/ h , 并且钻头牙齿及刀翼全部崩断 , 涡轮钻 井 技术 试验失 败 。 3 井下故障和复杂情况时有发生 。与涡轮钻 具配合的孕镶金刚石钻头属全保径钻头 , 为保证涡 轮钻具工作时的稳定性 , 涡轮钻具 自带稳定器 , 井眼 间隙小 , 易发生卡钻 。如川西地区 5口试验井发生 2次卡钻 , 新 2 0 6 井 和新 2 0 9 井 各 发 生一 次 ; 巴麦 地 区 3口试 验井 发 生 一 次 卡钻 YB 4井 和一 次 涡轮 脱扣 YB 4井 。 3 结论及建议 1 “ 孕镶 金 刚石 钻 头 涡 轮 钻具 ” 复 合 钻 井 技 术在高研磨性坚硬地层钻井提速效果 明显 , 在元坝 地区 自流井组也取得了直接经济效益, 建议进一步 完善并推广应用。 2 进 口涡轮钻具及孕镶金刚石钻头价格昂贵 , 虽取得了明显的提速效果 , 但直接经济效益不明显 , 建议加快涡轮钻具及与之配套钻头的国产化步伐 。 3 应加强“ 孕镶金刚石钻头 涡轮钻具” 复合 钻井 技术 的地层 适应 性研究 , 针对 地层 和岩性 特点 , 优选钻头和涡轮钻具 , 优化钻井参数 , 并不断优化现 场施 工工 艺 。 参 考 文 献 Re f e r e nc e s [ 1 ] 董明健, 肖新磊 , 边培明. 复合钻井技术在元坝地区陆相地层 中 的应用E J ] . 石油钻探技术 , 2 0 1 0 , 3 8 4 3 8 - 4 0 . 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