亚肯北区砾石层优快钻井技术.pdf

第 36 卷 第 1 期 2014 年 1 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING 2.Petroleum Engineering School of Yangtze University, Wuhan 430100, China; 3. Key Laboratory of Oil and Gas Drilling Project of Hubei Province, Wuhan 430100, China） Abstract The extraordinary thick gravel layer in Quatemary system and upper ation of Kuche member in the North Yaken cause stick-slip and low efficiency during drilling. Based on study and analysis of feature of gravel layer and difficulty of drilling, the the- sis optimizes and designs insert roller bit with large size and matched drilling technology in aspects of drilling bit parameter, drilling rig structure and drilling parameter. The drilling practice indicates that the drilling process in gravel layer of the North Yaken is successful. The service life of roller bit with large size in gravel layer is up to 404 hours and rate of penetration is increased by 84.62. Meanwhile, the number of bits needed is greatly reduced, the time of tripping is decreased, and the efficiency of the drilling is also improved. The study provides guidance and reference for making the scheme to improve the drilling speed in Northern Yaken . Key words Gravel layer; increasing the drilling speed; inserted roller bit; North Yaken 基金项目“十二五”国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”课题“碳酸盐岩缝洞型油藏钻井技术完善与推广” （编号 2011ZX05049-02-02） 资助。 作者简介 刘晓民， 1981 年生。2007 年获中国石油大学（北京） 油气井工程专业硕士学位， 现主要从事钻井工艺优化设计工作。电话 0991-3161177。E-mailxiaomin505。 亚肯北区属天山山前冲积平原， 是中石化西北 油田分公司贯彻国家“西部大开发” 、“西气东输” 战 略， 培育大型天然气田的主力勘探区块， 该区第四系 及库车组上部发育巨厚砾石层， 钻井过程中蹩跳严 重， 可钻性差， 钻井过程中复杂情况多、 机械钻速低、 钻井周期长， 为了缩短钻井周期， 加快勘探开发进 程， 针对该区存在的砾石层钻进困难的问题， 开展了 快速钻井技术研究与应用实践， 形成了亚肯北地区 砾石层快速钻井配套技术， 实现了钻井提速目标。 1 地质特点及钻井技术难点分析 亚肯北区第四系地层存在较厚的砾石层。在第 石油钻采工艺 2014 年 1 月（第 36 卷） 第 1 期12 四系的西域组上部以杂色厚层状砾岩为主， 与泥岩 互层；下部以杂色厚层砂砾岩为主， 与黄灰色砂质 泥岩互层。 砾石层的存在严重制约了该区钻进效率的提 升， 其技术难点主要表现以下几个方面。 （1） 砾石层厚度大。已钻的 KU1 井在第四系西 域组井段累计钻遇 5 层厚 422 m 砾石层；在库车组 上部井段累计钻遇 6 层 40 m 砾石层。 （2） 机械钻速低。KU1 井在砾石层的平均机械 钻速只有 0.26 m/h。 （3）蹩跳钻严重， 导致钻头寿命短、 损耗量大。 KU1 井共使用 90 只钻进钻头， 其中在砾石层段使用 钻头达到 49 只， 占全井钻进钻头总数的 54.4， 钻 头出井分析发现钻头磨损也较为严重。 （4） 复杂情况多。砾石层胶结差， 软硬不均， 井易 斜、 易垮塌， 限制了快速钻进［1］。 2 砾石层牙轮钻头优化设计 2.1 砾石层微观特征分析 从图 1 所示的砾石地层剖面和现场砾石岩样可 以看出， 亚肯北区的砾石地层颗粒间的充填物与砾 石颗粒表面为不完全接触， 胶结较疏松， 存在胶结裂 缝， 且胶结介质自身强度较低， 从钻进时的砾石层岩 屑来看， 砾石层砾石粒度明显不均。 图 1 亚肯北区砾石层剖面图 2.2 砾石层可钻性及硬度分析 通过收集到的岩样及岩屑， 按照岩石力学标准 和石油天然气行业标准开展了岩石可钻性实验测试 和硬度测试， 得到了砾石层的岩石可钻性剖面和硬 度剖面， 如图 2 所示。 从砾石层可钻性剖面图可以看出， 砾石层可钻 性级值在 27 之间， 属于软 中硬地层， 可钻性级值 范围大， 硬度小于 500 MPa， 硬度级别为软到中软， 硬度变化也较大， 说明砾石层非均质性明显。这与 实钻表现出的钻头工作不稳定、 机械钻速变化大的 情况相吻合。 图 2 砾石层剖面图 实钻资料表明在亚肯北区第四系砾石层呈现出 以下特征100400 m， 砾石层松散， 粒度不均， 大块 砾石成游离状态， 可钻性级值在 3.07.0；400950 m， 松散和半胶结砾石层， 可钻性级值在 2.56.5。由 此分析认为在砾石层段应选用牙轮钻头钻进。 2.3 钻头结构参数的优化 在分析了地层特点和岩石可钻性特征分布规律 的基础上， 主要从以下 4 个方面对钻头结构参数进 行了优化。 （1） 切削齿结构。采用宽顶齿技术， 有效提高牙 齿的井底破碎体积；采用修边齿技术， 具有优异的 侧切能力， 修整井壁及保护轴承；采用圆顶凸楔齿 技术， 极大增强齿的攻击性， 提高了齿的强度， 降低 齿的应力集中。钻头切削齿如图 3 所示。 图 3 优化切削齿结构 （2） 轴承密封。采用三级滚柱、 三级止推 O 形橡 胶密封滚动轴承， 增加轴承轴向密封保护， 避免岩屑 进入钻头轴承， 大大延长轴承寿命。 （3） 牙轮钻头水力系统。采用中心喷嘴钻头中 心位置布置喷嘴， 有效清洗牙轮， 减少泥包， 提高机 械钻速；采用加长喷嘴缩短喷嘴到井底的距离， 提高射流对井底的冲击力。 （4） 牙轮钻头牙掌结构。在牙轮钻头牙掌布置合 金齿， 可以有效地保护掌尖和密封， 有效增强钻头抗 13刘晓民等亚肯北区砾石层优快钻井技术 缩径能力。 通过上述优化， 形成了亚肯北区砾石层段钻进 的钻头选型方案， 见表 1。 表 1 亚肯北区砾石层段牙轮钻头选型方案 井段 / m 钻头尺寸 / mm 钻头型号个性化设计 30200660.4SKG125GC钢齿中心喷嘴 200500660.4SKGT515GK镶齿宽齿 500700660.4SKGT535GK镶齿宽齿 700900660.4SKG515GX镶齿圆顶凸楔齿 900990660.4MAX515GXC镶齿圆顶凸楔齿整 体式 3 砾石层钻具组合及钻井参数优化 实钻表明， 在砾石层钻进时都有不同程度的蹩 跳钻现象， 如钻遇胶结强度高砾石层段跳钻现象 更为严重， 因此不能正常加压进行钻进， 只能采用 小钻压施工， 导致机械钻速较慢。长时间跳钻还 能损坏钻头和钻具， 引起事故， 所以钻砾石层时要使 用减震器。 另外在砾石层比较容易出现垮塌、 掉块等现象， 造成井眼不规则， 导致环空返砂比较困难， 将会引起 泵压升高， 影响水力作用的正常发挥。为此可设计 采用大尺寸钻具， 以减小循环压耗， 降低泵压， 充分 发挥水力冲击作用， 同时可以提高环空返速和携砂 能力［2-6］。以此为原则， 优化设计了适合亚肯北区的 钻具组合及钻井参数 钻具组合660.4 mm 牙轮 279.4 mm 钻铤 2 根 660.4 mm 扶正器 241.2 mm 钻铤 6 根 203.2 mm 钻铤 3 根 NC561520139.7 mm 加重钻杆 6 根 139.7 mm 钻杆。钻井参数钻 压 4060 kN；转速 60 r/min；排量 5560 L/s。 4 砾石层钻进应用效果分析 在研究分析亚肯北区地质条件及钻井工程难点 的基础上， 提出了一系列针对砾石层钻进的优化方 案， 并在 KU2 井进行了试验应用。 从表 2 所示的数据来看， KU2 井砾石层通过优化 牙轮钻头、 钻具组合及钻进参数， 单只钻头纯钻时间 大幅度增加， 钻井提速效果显著。KU2 井一开平均机 械钻速 0.48 m/h；较 KU1 井一开机械钻速 0.26 m/h 相比， 提高了 84.62。钻头使用个数也较 KU1 井的 49 只钻头， 减少到了 9 只钻头， 在提高钻井效率的同 时， 经济成本得到了很好的控制。 表 2 KU2 井砾石层钻头使用效果 入井 序号 钻头型号 井段 / m 进尺 / m 纯钻时间 / h 机械钻速/ mh–1 1SKG125GC0169.42 169.4278.752.15 2SKGT515GK169.42 360.96 191.54158.751.21 3SKGT515GK360.96 546.34 185.38375.000.49 4SKGT535GK546.34 669.00 122.66326.000.37 5SKGT515GK669.00 774.45 105.45309.000.34 6SKG515GXC774.45 835.50 61.05214.500.28 7SKG515GXC835.50 862.25 26.75104.000.26 7aSKG515GXC862.25 933.50 71.25299.950.24 8MAX515GXC933.50 992.00 58.50207.880.28 平均0992.00 992.002073.830.48 5 结论 （1） 亚肯北区存在较厚的砾石层， 表现出机械钻 速低、 蹩跳钻严重、 钻头寿命短、 损耗量大且复杂情 况多的特点。 （2） 砾石层可钻性级值范围跨度较大， 表现出不 均质和可钻性较差的特点， 考虑到砾石呈现出较松 散且游离程度高的特点， 在砾石层段应选用牙轮钻 头钻进。 （3） 根据砾石层特点， 宜采用大尺寸钻具组合， 同 时配合小钻压进行钻进。 参考文献 ［1］ 高绍智， 张建华， 李天明， 等 . 适用于砾石夹层钻进的 PDC 钻头［J］. 石油钻采工艺， 2006， 28 （4） 20-21． ［2］ 张建华 . 西部地区砾石层钻井难点及对策［J］. 石油 钻探技术， 2006， 34 （3） 84-86． ［3］ 王延民， 梁红军， 李皋， 等 . 塔里木 DB 区块砾石层特征及 对优快钻井影响［J］. 新疆地质， 2012， 30 （ 1 ） 113-115． ［4］ 方甲兴， 王兴武 . 塔 1 井巨厚砾石层钻井技术［J］. 钻 采工艺， 2003， 26 （6） 4-6． ［5］ 李梦刚， 楚广川， 张涛， 等 . 塔河油田优快钻井技术实践 与认识［J］. 石油钻探技术， 2008， 36 （4） 18-21． ［6］ 王成岭， 李作宾， 蒋金宝， 等 . 塔河油田 12 区超深井快 速钻井技术［J］. 石油钻探技术， 2010， 38 （3） 17-21． （修改稿收到日期 2013-12-23） 〔编辑 薛改珍〕