塔河油田深井脉冲空化射流钻井试验研究.pdf

第 4 1 卷 第 3 期 2 0 1 3年 5月 石 油 钻 探 技 术 P ETROLEUM DRI LLI NG TECHNI QUES Vo 1 ． 4 1 NO ． 3 M a y， 201 3 ． ． 钻井完井 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 3 ． 0 3 ． 0 1 6 塔河油 田深 井脉 冲空化射流钻 井试验研究 史怀忠 ，李根生 ，张 浩 ， 黄 中伟 ， 牛继磊。 ，王德余 1 ． 油气 资源与探测 国家重点实验室 中国石油大学 北京 ， 北京 1 0 2 2 4 9 ； 2 ． 中石化西南 石油工程有 限公司临盘钻井分公 司， 山东 临邑 2 5 1 5 0 0 ； 3 ． 中国石油大学 华东 石油工程学 院 ， 山东青 岛 2 6 6 5 8 0 摘要 塔 河油田深井钻井水力能量利用效率低 、 机械 钻速低 、 钻 井成本 高 ， 严 重制约 了勘探 开发速度 。针 对 该油田钻井实际情况， 结合二开 2 4 1 ． 3 mi t t 井眼地层、 钻具组合和水力参数， 利用水力脉冲空化射流钻井技术提高 机械钻速。该技术配合常规钻具和复合钻井钻具组合使用， 脉冲空化射流发生器耦合脉冲射流和 自振空化射流， 改善井底流场及岩面应力状态， 提 高钻速。该技术在塔河油田进行 了4口井 5井次的现场试验， 在常规泵压、 排 量、 钻井液密度等参数条件下试验井深达 6 1 6 2 m， 试验井段与邻 井相近井段在相近工况下机械钻速平均提高 3 3 ． 3 ～7 4 ． 3 ， 单套钻具纯钻时间超过 2 6 0 ． 0 h 。试验结果表明， 塔河油田二开井段砂岩、 泥岩等地层配合 P D C 钻 头应 用水 力脉 冲空化射流钻 井技 术， 能够很好地提 高机械钻速 。 关键词 脉 冲射 流 空化射流 机械钻速 现场试验 中图分类号 TE 2 4 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 8 9 0 2 0 1 3 0 3 0 0 8 5 0 4 Ex p e r i me n t a l S t u d y o n Hy d r a u l i c Pu l s e d a n d Ca v i t a t i n g J e t Dr i l l i n g Te c hni qu e i n De e p W e l l s o f Ta h e Oi l f i e l d S h i Hu a i z h o n g ，L i Ge n s h e n g ，Z h a n g Ha o 2 ，Hu a n g Z h o n g we i ，Ni u J i l e i 。 ，W a n g De y u 1 ． S t a t e Ke y L a b o r a t o r y 0 f Pe t r o l e u m Re s o u r c e s a n d Pr o s p e c t i n g， C h i n a Un i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m B e i j i n g ， B e i j i n g， 1 0 2 2 4 9 ， C h i n a ； 2 ． L i n p a n Dr i l l i n g C o mp a n y， S i n o p e c Xi n a n Oi l f i e l d S e r v i c e C o r p o r a t i o n， Li n y i ， S h a n d o n g， 2 5 1 5 0 0 ， C i n a ； 3 ． S c h o o l o f Pe t r o l e u m E n g i n e e r i n g， C h i n a U n i v e r s i t y o f p e t r o l e u m Hu a do n g ， Qi n g d a o， S h a n do n g， 2 6 6 5 8 0 ， Ch i n a Ab s t r a c t F a c t o r s s u c h a s l o w h y d r a u l i c e n e r g y u t i l i z a t i o n e f f i c i e n c y a n d ROP， h i g h d r i l l i n g c o s t ， e t c ． s e v e r e l y h i n d e r e d t h e s p e e d o f p e t r o l e u m e x p l o r a t i o n a n d d e v e l o p me n t i n Ta h e Oi l f i e l d ． I n v i e w o f t h e r e a l c o n d i t i o n s o f Ta h e Oi l f i e l d， a n d d r i l l i n g f o r ma t i o n， BHA ， a n d d r i l l i n g p a r a me t e r s o f t h e s e c o n d d r i l l i n g s e c t i o n巾 2 4 1 ． 3 mm we l l b o r e ， h y d r a u l i c p u l s e d a n d c a v i t a t i n g j e t d r i l l i n g we r e e mp l o y e d t o i n c r e a s e RO P ． Us i n g c o n v e n t i o n a 1 d r i l l i n g t o o l s a n d c o mp o s i t e d r i l l i n g t o o l s ， h y d r a u l i c p u l s e d a n d c a v i t a t i n g j e t d r i l l i n g t e c h n i q u e mo d u l a t e s p u l s e d j e t a n d c a v i t a t i n g j e t t o c h a n g e f l o w f i e l d a n d r o c k s t r e s s s t a t e a t t h e b o t t o m o f h o l e ， a n d r a i s e ROP． Th e t e c h n i q u e h a d b e e n a p p l i e d 5 t i me s i n 4 we l l s i n Ta h e Oi l f i e l d ． Un d e r n o r ma 1 p u mp i n g p r e s s u r e 。 f l o w r a t e a n d d r i l l i n g fl u i d d e n s i t y ， a p p l i e d we l l d e p t h r e a c h e s u p t o 6 1 6 2 r r L Th e n e t dri l l i n g t i me o f s i n g l e s e t o f d r i l l i ng t o o l e x c e e d e d 2 6 0 h ， t h e R 0P i n t h e a p p l i e d w e l l i n t e r v a l s wa s 3 3 ． 3 一 7 4 ． 3 h i g h e r t h a n a d j a c e n t we l l s wh i c h we r e s i mi l a r i n c o n d i t i o n s ． F i e l d t e s t s i n d i c a t e d t h a t h y d r a u l i c p u l s e d a n d c a v i t a t i n g i e t t e c h n i q u e h a d a g o o d a d a p t a b i l i t y t o s a n d s t o n e a n d mu d s t o n e f o r ma t i o n o f Ce n o z o i c ， Me s o z o i c a n d Pa l a e o z o i c g r o u p a n d d i f f e r e n t ， t o g e t h e r wi t h PDC b i t ， i t c o u l d e n h a n c e ROP b y a l a r g e ma r g i n ． Ke y w o r d s p u l s e d j e t ； c a v i t a t i n g j e t ； p e n e t r a t i o n r a t e ； f i e l d t e s t 塔河油 田位于新疆塔里木盆地北 部， 目的层多 在 6 0 0 0 m 以深 ， 随着超深井数量的增多 ， 所钻地层 岩性越来越复杂 ， 钻井施工难度也不断加大 ， 存在深 部地层坚硬 、 水 力能量利用率 低、 机 械钻速低等 问 题 ， 提高超深井钻井速度 成为实现塔河油 田快速高 效勘探开发的关键 卜 。 2 0 0 4年， 中国石油大学 北京 高压水射流实验 收稿 日期 2 0 1 3 0 1 1 3 ； 改回 日期 2 0 1 3 - 0 5 1 9 。 作者简介 史怀忠 1 9 7 4 ～ ， 男， 河南南乐人， 1 9 9 8 年毕业于石 油大学 华 东 机械设计及制造 专业 ， 2 0 0 9年获 中国石 油大学 北京 油气井工程专业博 士学位 ， 助理研 究员， 主要 从事高压水射流在石油 工程 中的应用研 究。 联系方式 0 1 0 8 9 7 3 3 3 7 9 ， h u a i z h o n g s h i y a h o o ． c o i n ． c n 。 基金项 目 国家重点基础研 究发展计划 “ 9 7 3 ” 计划 项 目“ 深井复 杂地层安全高效钻井基础研究” 编号 2 O 1 O C B 2 2 6 7 O O 部分研究 内容 。 8 6 石 油 钻 探 技 术 室提出水力脉冲空化射流钻井提速技术 ， 并对提速 机理进行 了研究 ； 利用数值模拟方法对水力脉冲空 化射流参数进行 了计算， 设计样机并进行 了现场参 数特性测试 ， 随后在 3 1 1 ． 1 mm 和 2 l 5 ． 9 mm井 眼内进行了现场试验 。该技术是在钻进过程 中通过 水力脉冲空化射流发生器改变井底流场及岩石应力 状态来提高破岩和清岩效果 ， 达到提高机械钻速的 目的[ 5 1 。笔者结合塔河油 田 2 4 1 ． 3 mm 井 眼的 地层、 钻具组合及钻井参数等 ， 对水力脉冲空化射流 发生器进行了优化设计 ， 并进行了现场试验应用。 1 塔河油田深井钻井难点 1 ． 1 阻卡严重 钻遇地层层序较多 ， 地层岩性 、 压力变化较大， 钻井过程中易发生压差卡钻。上部古近系一新近系 地层疏松、 可钻性好 、 钻速快 ， 但极易被固相污染 ， 软 泥岩地层水化膨胀易引起缩径阻卡 ， 部分地层含石 膏易引起钙侵 ， 提高钻井液密度容易出现渗漏 ] 。 1 ． 2 地层垮塌严重 下部侏罗系一 石炭系地层， 其上部硬脆性泥岩及 二叠系玄武岩易剥落掉块 ， 坍塌严重 ， 导致井径不规 则， 影响正常岩屑录井、 测井， 并影响固井质量， 甚至 导致出现井下复杂情况； 奥陶系埋藏深度约 5 5 0 0 m， 存在大量的垂 向裂缝或溶洞 ， 地层压力低 ， 钻井过程 中极易发生漏失口 。 1 ． 3 机械钻速低 塔河油 田油气藏 以奥 陶系碳酸岩潜 山油藏为 主， 上覆岩层厚达 5 5 0 0 m 以上。在钻井过程 中钻 遇的绝大部分地层地质年代都 比较古老 ， 地质条件 较为复杂 ， 导致可钻性差 ， 且随着井深 的增加水力能 量利用率降低 ， 造成机械钻速低 。 2 水力脉冲空化射流钻井技术 考虑塔河油 田深井钻井难点、 水力脉 冲空化射 流钻井技术 的适应性及钻井成本等 因素， 选择水力 脉冲空化射流钻井技术配合常规钻具和螺杆钻具在 塔河油田进行深井提速。 钻进过程 中， 通过安装在钻头上部的水力脉冲 空化射流发生器， 实现脉冲射 流和 自振空化射流耦 合 ， 达到钻井提速 的 目的。水力脉冲空化射流发生 器主要 由本体 、 弹性挡圈、 导流体 、 叶轮 、 叶轮轴 、 叶 轮座 、 自激振 荡喷嘴及 自激 振荡腔室等组成 ， 见 图 1 。钻进时 ， 将通过钻头的钻井液的常规连续流动调 制成振动脉冲空化流动 ， 产生水力脉冲、 空化冲蚀和 瞬时负压等 3种效应 ， 改善井底流场及岩石应力状 态， 提高机械钻速[ 1 3 - 1 4 ] 。 上母接头 导流体 叶轮轴 自激振 荡喷嘴 下母接 头 弹性挡 圈 叶轮 叶轮座 自 激振 荡腔室 本体 图 1 水力脉冲空化射流发生器结构 Fi g ．1 S t r uc t ur e o f h y dr a ul i c pu l s e d a n d c a v i - t a t i n g j e t g e n e r a t o r 水力脉冲空化射流钻井技术是在常规钻井的基 础上 ， 利用安装在钻头和钻铤 螺杆钻具 之 间的水 力脉冲空化射流发生器 ， 将钻井液 的连续流动变为 脉冲空化射流 ， 改善井底流场及岩面应力状态， 将岩 屑及时带离井底 ， 减少重复切削， 提高清岩和破岩的 效果 。该技术不需要改变任何地面装备 ， 具有很好 的适应性。 3 现场试验 水力脉冲空化射流钻井技术在塔河油 田 1 O区 和 1 2区二开 2 4 1 ． 3 mm井段配合螺杆钻具和常规 钻具在 4口井进行 了 5井次现场试验， 试验井深达 6 1 6 2 ． 0 m， 全试验井段与邻井相近井段在相近工况 下 ， 机械钻速平均提高 5 2 ． 1 6 。 3 ． 1 钻具组合和施工参数 在塔河油 田水力脉冲空化射流技术现场试验 中， 针对试验井不同井段和具体情况， 选用了不同的 钻具组合 见表 1 。 4口井二开 蛇4 1 ． 3 i n r n 井眼试验井段钻压 4 O ～ 8 0 k N， 转速 6 5 ～8 5 r ／ rai n ， 排量 3 O ～4 0 L ／ S ， 泵 压 1 9 ． 0 ～2 2 ． 5 MP a ， 钻井液密度 1 ． 1 8 ～1 ． 3 2 k g ／ L 。 第 4 l 卷 第 3期 史怀忠等． 塔河油 田深 井脉冲 空化射流钻 井试验研 究 8 7 表 1 试验井概况及试验用钻具组合 T a b l e 1 Ov e r v i e w o f t e s t we l l s a n d B HA 3 ． 2 试 验 结果 在 TK1 0 9 3 井二开 2 4 1 ． 3 mm 井 眼上部试 验 井段 井深 1 2 7 4 ． O ～3 9 1 9 ． 0 m ， 配合螺杆钻具进 尺 2 6 4 6 ． 0 m， 纯 钻 时 间 6 8 ． 7 h ， 平 均 机 械 钻 速 3 8 ． 5 m／ h 。在相近工况下 ， 与邻井相近井段相 比机 械 钻 速 平 均 提 高 3 8 ． 5 ； 在 T K1 2 9 4 、 T K1 0 9 0 、 T K1 2 9 6井二 开 2 4 1 ． 3 mm 井 眼下 部井 段 井 深 4 9 0 3 ． 0 ～6 1 6 2 ． 0 m ， 配合 常规钻具钻进， 在相近 工况下与邻井 相近井 段相 比， 机 械钻 速平均 提高 3 3 ． 3 ～7 4 ． 3 见 表 2 。T K1 0 9 0井和 TK1 2 9 6 井与邻井相近井段的钻时对比如图 2 、 图 3 所示。 表 2 试 验井与邻井相近井段机械钻速对 比 T a b l e 2 C o mp a r i s o n o f R O P b e t w e e n t h e t e s t w e l l s a n d a d j a c e n t w e l l s 白 ．鸟 目 ＼ 翟 井深／ m 图 2 T K1 0 9 0井与邻 井 T K 1 0 1 3井相同井段钻时对比 Fi g ． 2 C o mp ari s o n o f d r i l l i n g t i me p e r me t e r b e t we e n W e I l TK1 0 90 an d TK1 01 3 旱 I 翟 落 井深／ m 图 3 T K1 2 9 6井与邻井 9 4 1井相同井段钻 时对 比 F i g ． 3 Co mp ar i s o n o f d r i l l i n g t im e pe r me t e r be tw een W e I I TK1 29 6 a nd 94 1 石 油 钻 探 技 术 2 0 1 3 年 5月 试验结果表明， 水力脉冲空化射流钻井技术适 用于塔河油 田 包括新生界、 中生界和古生界砂岩、 泥岩地 层 提速 ， 配合 P D C钻 头最大 试验井 深为 6 1 6 2 ． 0 m， 不同地层钻速平均提高 3 3 ． 3 X～7 4 ． 3 ； 现场试验在常规泵压、 排量、 水力参数、 钻井液密度 等条件下进行 ， 水力脉冲空化射流发生器正常可配 合 1只 P D C钻头工作 2 6 0 h以上 ， 满足现场要求。 4 结论及建议 1 通过现场试验可知 ， 在塔河油 田 2 4 1 ． 3 mm 井眼配合螺杆钻具或常规钻具 ， 使用水力脉冲空化 射流钻井技术可以有效提高机械钻速 ， 但不 同地层 提速效果差异大。 2 结合二开 祀4 1 ． 3 mm井眼， 研制了 4 1 9 8 ． 0 n lI n 水力脉冲空化射流发生器 ， 现场试验表 明， 各参数稳 定， 使用寿命超过 2 6 0 h ， 满足现场需要。 3 建议在塔河油田 l 0区、 1 2区二开 4 2 4 1 ． 3 r n m 井眼上部地层配合螺杆钻具 、 下部地层配合常规钻 具应用该技术 ， 并结合现场试验参数对工具进行优 化设计 ， 以形成塔河油田深井提速新方法。 参考文献 Re f e r e n c e s E l i 沈忠厚． 现代钻井技术发展趋势_ J ] ． 石油勘探与开发 ， 2 0 0 5 ， 3 2 1 8 9 9 1 ． S he n Z h o n g h o u ．De v e l o p me nt t r e n d o f t h e mo d e r n d r i l l i n g t e c h n o l o g y [ J ] ． P e t r o l e u m Ex p l o r a t i o n a n d D e v e l o p me n t ， 2 0 0 5 ， 3 2 1 8 9 9 1 ． I- 2 ] 曲洪娜， 黄中伟， 李根生， 等． 水平井旋转射流冲砂洗井水力参 数设计方法E J ] ． 石油钻探技术 ， 2 0 1 1 ， 3 9 6 3 9 4 3 ． Qu Ho n g n a ， Hu a n g Z h o n g we i ， L i Ge n s h e n g ， e t a 1 ．Hy d r a u l i c p a r a me t e r s o f s a n fl u s h i n g wi t h r o t a t i n g j e t s i n h o r iz o n t a l we l l s [ J ] ． P e t r o l e u m Dr i l l i n g T e c h n i q u e s ， 2 0 1 1 ， 3 9 6 3 9 4 3 ． 1- 3 2 汪海 阁， 郑新权． 中石油深井 钻井技术 现状 与面邻 的挑 战E J ] ． 石油钻采工艺 ， 2 0 0 5 ， 2 7 2 4 - 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p u l s e d r i l l i n g t e c h n iq u e [ J ] ．Oi l D r i l l i n g 8 L P r o d u c t i o n Te c hn o l o gy ， 2 0 0 5， 2 7 6 1 3 1 5 ． [ 7 ] 王 甲 昌， 张金成 ， 赵国顺 ， 等． 3 5 MP a高压喷射钻 井技术实践 口] ． 石油钻探技术 ， 2 0 1 2 ， 4 0 6 2 2 2 6 ． W a n g J i a c h a n g ， Z h a n g J i n c h e n g ， Z h a o Gu o s h u n ， e t a 1 ． P r a c t i c e 0 f 3 5 MP a h i g h p r e s s u r e j e t d r i l l i n g [ J ] ．P e t r o l e u m Dr i l l i n g Te c h n i q u e s ， 2 0 1 2， 4 0 6 2 2 2 6 ． [ 8 ] 李根生 ， 沈忠厚 ， 周长 山 ， 等．自振空 化射 流研 究与应 用进 展 _ J ] ． 中国工程科学 ， 2 0 0 5 ， 7 1 2 7 - 3 2 ． Li Ge ns h e n g， S h e n Z h o n gh o u， Z h o u Ch a n g s h a n， e t a 1 ． Ad v a n c e s i n inv e s t i g a t i o n a nd a p p l i c a t i o n o f s e l f - r e s o n a t i n g c a v i t a t i n g wa t e r j e t [ J ] ． E n g i n e e r i n g S c i e n c e ， 2 0 0 5 ， 7 1 2 7 3 2 ． [ 9 ] F u J i a s h e n g ， L i Ge n s h e n g ， S h i Hu a i z h o n g ， e t a 1 ． A n o v e l t o o l t o i mp r o v e t h e r a t e o f p e n e t r a t i o n - h y d r a u l i c p u l s e d c a v i t a t iD 4 - j e t g e n e r a t o r [ J ] ． S P E Dr i l l i n g a n d C o mp l e t i o n ， 2 0 1 2 ， 2 7 3 3 5 4 3 6 1 ． ]- 1 0 ] L i Ge n s h e n g ， S h i Hu a iz h o n g ， Ni u J i l e i ， e t a 1 ． Hy d r a u l i c p u l s e d c a v i t a t i n g j e t a s s i s t e d d e e p d r i l l i n g a n a p p r o a c h t o i mp r o v e r a t e o f p e n e t r a t i o n [ R ] ． S P E 1 3 0 8 2 9 ， 2 0 1 0 ． [ 1 1 ] 史怀忠， 李根生， 沈忠厚， 等． 水力脉冲空化射流发生器配合P o w e r V防斜打陕技术口 ] ． 石油钻探技术， 2 0 0 9 ， 3 7 1 1 4 - 1 7 ． S h i Hua i z ho n g， Li Ge n s he n g， S h e n Z h o n g ho u， e t a 1 ．Ap p l i c a t i o n o f h y d r a u l i c p u l s a t i o n c a v i t a t i n g g e n e r a t o r wi t h Po we r V S y s t e m i n We l l F e n g c h e n g - 1 1, J ] ．P e t r o l e u m Dr i l l i n g T e c h n i q u e s ， 2 0 0 9， 3 7 1 1 4 1 7 ． 1, 1 2 ] 杨永 印， 沈忠厚 ， 王瑞 和． 低压脉 冲射流井底欠平衡 钻井提高 钻速机理分析口] ． 石油钻探技术， 2 0 0 2 ， 3 0 5 1 5 1 6 ． Ya n g Yo n g y i n， S h e n Zh o u h o u， Wa n g Ru i h e ．An a l y s i s o f t h e me c h a n i s ms o f i mp r o v i n g R OP u s i n g l o w p r e s s u r e p u l s e j e t t i n g t e c h n i q u e s i n u n d e r - b a l a n c e d d r i l l i n g 1, J ] ． P e t r o l e u m D r i l l ing Te c h n i q u e s ， 2 0 0 2， 3 0 5 1 5 1 6 ． [ 1 3 ] 王立锋 ， 王杰东 ， 冯纪 成， 等． 塔河 油 田超 深定 向井 K CI 阳离 子乳液聚磺钻井液技术 E J ] ． 石油钻探技 术 ， 2 0 1 2 ， 4 0 3 7 3 - 7 7 ． Wa n g L i f e n g ， W a n g J i e d o n g ， F e n g J i c h e n g ， e t a 1 ．C a t i o n i c e mu l s i o n p o l y m e r - s u l f o n a t e d r i l l i n g f l u i d f o r u l t r a - d e e p d i r e c t i o n a l we l l i n Ta h e Oi l f i e l d [ J ] ．P e t r o l e u m D r i l l i n g Te c h n i q u e s ， 2 01 2， 4 0 3 7 3 7 7 ． E l 4 ] 张志云， 李根生， 史怀忠， 等． 超深井水力脉冲空化射流钻井试 验研究口] ． 石油钻探技术 ， 2 0 0 9 ， 3 7 4 1 1 1 4 ． Zh a n g Zh i y u n， Li Ge ns h e n g ， S h i Hu a i z h o n g， e t a 1 ． Ex pe r i me n t s t u d y o n u l t r a - d e e p we l l h y d r a u l i c p ul s a t i n g c a v i t a t i n g wa t e r j e t d r i l l i n g E J ] ． P e t r o l e u m D r i l l i n g T e c h n iq u e s ， 2 0 0 9 ， 3 7 4 1 1 一 ] 4 [ 编辑滕春呜]