复合钻井技术在元坝地区陆相地层中的应用.pdf

第 3 8卷 第 4期 2 0 1 0年 7月 石 油 钻 探 技 术 DRI 1 l I N 9 TE t I NI QUES VoI ．3 8 NO ．4 J u ] ． ， 2 0 1 0 ． ．四川 地 区钻 井提 速提效 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 0 ． 0 4 ． 0 1 0 复合钻井技术在 元坝地 区陆相地层 中的应用 董 明键 肖新磊 边培 明 1 ．中国石化 胜利西南石油工程管理中心 ， 四J I 』达州6 3 5 0 0 0 ； 2 ．深圳市百勤石油技术有限公司， 广东 深圳5 1 8 0 5 4 摘要 川 东北 元 坝地 区 陆相 地 层 ， 特 别是 须 家 河 组 地 层 具 有研 磨 性 强 、 可 钻 性 差 的 特 点 ， 致 使 该 地 区 陆 相 地 层 的机 械 钻 速 较低 ， 而“ PDC钻 头 螺杆 ” 和 “ 高速 涡轮 钻 具 孕 镶金 刚 石 钻 头 ” 复 合 钻 井 技 术 可 以 提 高机 械 钻 速 。 在元坝地 区陆相地层的应用表 明， 与常规钻 井技 术相 比， “ P D C钻 头螺杆” 和“ 高速 涡轮 钻具 孕镶金 刚石 钻头” 复合钻井技 术均能提 高该地 区的机械钻速和单只钻头进 尺， 但“ P D C钻头螺杆” 复合钻井技 术只适 用于该地 区的 上 沙 溪 庙 组地 层 ， “高速 涡轮 钻 具 孕 镶金 刚石 钻 头” 复 合 钻 井技 术 适 用 于 须 家 河 组 地 层 。复 合 钻 井技 术 的 成 功 应 用为高研磨性 的元坝地 区陆相地层提 速提供 了一种有效 的技术手段 。 关 键 词 陆相 地 层 ；机 械 钻 速 ；螺 杆 钻 具 ；P DC钻 头 ；涡轮 钻 具 ；金 刚 石 钻 头 ；元 坝 地 区 中图分类号 T E 2 4 2 ． 4 文献标识码 B 文章 编号 1 0 0 卜0 8 9 0 2 0 1 0 0 4 0 0 3 8 0 3 Ap pl i c a t i o n o f Co m po u n d Dr i l l i ng Te c h no l o g y i n Te r r e s t r i a l Fo r m a t i o n i n Yu a nb a Ar e a Do n g Mi n g j i a n Xi a o Xi n l e i Bi a n Pe i mi n g 1 ．S o u t h we s t e r n 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 C e n t e r o f S h e n l i Oi l fi e l d， S i n o pe c ， Da z h o u， S i c h u a n， 6 3 5 0 0 0 ， Ch i n a； 2 ．Pe t r o - k i n g Oi l f i e l d Te c h n o l o g y Lt d． ， S h e n z h e n， Gu a n g do n g， 5 1 8 0 5 4， Ch i n a Ab s t r a c t Th e t e r r e s t r i a l f o r ma t i o n i n n o r t h e a s t S i c h u a n ， e s p e c i a l l y i n Xu j i a h e f o r ma t i o n， wi t h s t r o n g a br a s i v i t y a n d p o o r r oc k d r i l l a b i l i t y c a us e d t he po o r r a t e o f p e ne t r a t i on ． Co m p o un d d r i l l i n g t e c h no l o gy， PDC l a r ge s i z e PDM a nd i m p r e g na t e d di a m o nd bi t h i g h s p e e d t ur b i ne， c a n i nc r e a s e dr i l l i n g s pe e d ．The a p pl i c a t i o n o f c o mp o u n d d r i l l i n g t e c h n o l o g y i n Xu j i a h e s h o ws t h a t ROP a n d b i t f o o t a g e we r e i mp r o v e d r e ma r k a bl y c o mpa r e d wi t h c o nv e nt i on a l dr i l l i n g． PDC l a r g e s i z e PDM i s a p pl i c a b l e f o r Sha n gs h a xi mi a o f o r ma t i o n ． i mp r e g n a t e d d i a mo n d b i t h i g h s p e e d t u r b i n e i s a p p l i c a b l e f o r Xu j i a h e f o r ma t i o n ． Th e s u c c e s s f u l a p pl i c a t i o n o f c o mpo un d d r i l l i ng t e c h no l o gy pr o v i de s a n e f f i c i e nt d r i l l i ng t e c hno l o gy f o r dr i l l i n g t e r r e s t r i a l f o r ma t i on wi t h s t r on g a b r a s i v i t y ． Ke y wo r ds t e r r e s t r i a l f o r ma t i o n； p e n e t r a t i o n r a t e； s c r e w d r i l l t oo 1 ； PDC b i t ； t ur b i ne t o o l ； d i a mo n d b i t ； Yl 】 a n ba Ar e a 1 概 述 元坝地区是 2 0 0 7年 以来 中国石化 继普 光气 田之后 重 点 开 发 的新 区域 口 ] ， 在 前 期 勘 探 开 发 中 取 得 了重 大 突破 。该 地 区 在勘 探 开 发 一 体 化 及 提 速后首轮共部署 1 0口井 元坝 6 井 、 元坝 1 0井 、 元 坝 1 6 井 、 元 坝 2 9井 、 元 坝 l 0 4井 、 元 坝 1 2 2井 、 元 坝 1 2 3 井 、 元坝 1 2 4 井 、 元 坝 2 7 1井和元 坝 2 0 5井 ， 对 新部署 井 的井身结 构进 行 了优化 导管段 ， 采 用 6 6 0 ． 4 mm 钻头 钻进 ， ≠ 5 0 8 ． 0 mm 导 管 下深 5 0 0 7 0 0 m， 封固地表水 、 松散黏土流砂 、 砂砾层 ， 建立井 口； 一开 ， 采用 4 4 4 ． 5 mm 钻 头钻进 ， 声 3 3 9 ． 7 mm 表 收 稿 日期 2 O 1 0 0 6 一 O 2 ； 改 回 日期 2 l O 一 0 6 1 9 作 者简 介 董 明键 1 9 6 3 ，男， 四 川 自贡 人 ， 1 9 8 1年 毕 业 于 重 庆石 油学校钻 井专业 ， 高级 工程 师， 副主任， 主要从 事钻 井技术管理 工作 联 系 方 式 1 8 9 8 2 8 8 2 7 7 7 ， d m j 1 2 3 s o h u ． c o i n 第 3 8卷第 4 期 董明键等 复合钻 井技术在 元坝地 区陆相地层 中的应 用 3 9 层套 管下 深 3 0 0 0 ～3 5 0 0 m， 封 固上 沙 溪庙 组 以上 地层 ； 二 开 ， 采 用 3 1 1 ． 1 mm 钻 头 钻 进 ， 2 7 3 ． 1 mm 2 8 2 ． 6 mm 技术套 管下深 5 0 0 0 m 左 右 ， 封 隔雷 口 坡组 四段 气 层 及 以 上 高 压 地 层 ； 三 开 ， 采 用 2 4 1 ． 3 m m 钻头钻 进 ， 下 人 声 1 7 7 ． 8 mm 套 管或 f 5 1 9 3 ． 7 mm 套管 完井 。 元坝 地 区陆相 地层 岩 石坚 硬 、 研 磨 性强 、 岩 性 多 变 、 地 层 可钻 性极 差 可钻 性 级值 5 ～8 ， 其 中 牙 轮 钻头 地层 可钻 性级 值 在 5级 以上 的 约 占 8 O 以上 ， P D C钻 头地 层可 钻 性 级 值 在 4级 以上 的约 占 8 O 以上 ， 特 别 是 须 家 河 组 地 层 ， 只 能 使 用 牙 轮 钻 头 钻 进 ， 由于 牙轮 钻头 型 号 比较 单 一 ， 因此 ， 造 成该 地 区 机 械钻速 较低 。 为 了提 高机 械钻 速 ， 元 坝 地 区在钻 井 方式 、 钻 头 选 型 、 钻 具组 合 、 钻 井 参 数 等 方 面 进 行 了优 化 设 计 ， 加 大 了引进 新技 术 的力度 ， 先 后采 取 多种 提速 手段 ， 取 到 了明显 的提 速效 果 。 陆 相 地 层 导 管 段 采 用 空 气 钻 井 ， 如 果 地 层 出 水 ， 可 以转 换 为 泡 沫 钻 井 ， 但 泡 沫 钻 井 的机 械 钻 速 略 低 于空 气 钻 井 。上 沙 溪 庙 组 以 上 地 层 可 用 空 气 钻 井 ， 已趋 于 成熟 ， 因此 提 速 的重 点 是 二 开 ≠ 3 l 1 ． 1 mm 井 段 ， 该 井 段 所 钻 地 层 依 次 为 沙 溪 庙 组 、 千 佛 崖 组 、 自流 井 组 和 须 家 河 组 地 层 。经 过 反 复 论 证 及 实 践 ， 认 为 在 适 合 使 用 P D C钻 头 的 沙 溪 庙 组 地 层 中采用 “ P D C螺 杆 钻 具 ” 复 合 钻 井 技 术 提 高 机 械钻 速 是 可 行 的 ， 并 在 元 坝 2 9井 进 行 了 应 用 ， 取 得 了较 明 显 的 效 果 。须 家 河 组 地 层 中 适 合 使 用 “ 孕 镶 金 刚 石 高 速 涡 轮 钻 具 ” 复 合 钻 井 技 术 来 提 高 机 械 钻 速 ， 其 提 高 机 械 钻 速 的 效 果 在 元 坝 1 2 3井 得 到 了 充 分 体 现 。 因 此 ， 复 合 钻 井 技 术 的 推 广 应 用 为 元 坝 地 区 陆 相 地 层 提 速 提 供 了 新 的 思 路 。 2 “ P DC螺杆” 复合钻井技术 的应用 分析元坝地 区 已钻井 施工情 况可 以看 出 ， 元 坝 地 区沙溪庙 组地层 主 要 以灰 色 细砂 岩 、 粉砂 岩 ， 紫 红 色 粉砂质泥 岩 、 泥岩 ， 绿灰 色细砂 岩 为主 ， 岩 性变 化不 大 且相对 比 较 均 质 ， 适 合 使 用 P D C钻 头 。为 了 发 挥 P D C钻头小钻压 、 高转速 的特点 ， 选 用 2 4 4 ． 5 m m 螺 杆钻 具与 之相 配合 。元 坝 2 9井 在 二 开 ≠ 3 l 1 ． 1 mm 井段 的沙 溪庙 组地 层应 用 了“ P D C螺杆 ” 复 合 钻 井 技术 ， 机 械钻 速 为 2 ． 2 1 m／ h ， 而 采 用 常规 钻 井 技 术 的邻 井 同井 段 的机械 钻速 为 1 ． 6 9 m／ h ， 机械 钻 速 提 高 了 3 O ． 8 。可 见 ， 元 坝 地 区 的上 溪 庙组 地 层 适 合 采 用 “ P D C螺杆 ” 复 合钻 井技 术 。 3 “ 涡轮 孕镶金 刚石 钻头” 复合钻井 技术 的应 用 针 对抗 压 强度 高 和 研 磨 性 强 的 地 层 ， 国外 目前 推 出了一套 提 高机 械 钻 速 的技 术 ， 即采 用 特 殊设 计 的人造 金 刚石 孕镶 钻 头 与 高 速 涡 轮 动 力 钻具 组 合 ， 依 靠优 化钻 井 参数 的办 法提 高 钻速 。采 用高 速涡 轮 钻 具加 低 速旋 转钻 柱有 时 可将井 底钻 头 的工作 转 速 提 高 到 1 0 0 0 1 2 0 0 r ／ mi n 。高 速 涡 轮 钻具 的优 点 是 具 有高 速 、 大扭 矩 的软特 性 ， 无横 向振 动 ， 机械 钻 速 高 ； 全金 属 的涡 轮钻 具耐 高温 ， 适 宜于 深井 和高 温 环 境 下作 业 ； 对油 基钻 井液 不敏 感 ， 适于 在高 密度 钻 井 液 中工 作 ] 。孕 镶 金 刚石 钻 头 在 钻 进 硬 塑 性 地 层 时 以犁 削方 式破 碎 岩 石 ， 在 钻进 极 硬 的粗 晶粒 地 层 时表现 为磨 削 破 岩 。因此 ， 提 高钻 头转 速 可 以提 高机 械钻 速 ， 降低钻 井 综合 成本 。与牙轮 钻头 相 比 ， 该 技 术可 提高 机械 钻 速 2 ～ 4 倍 ， 钻 头 寿命 提 高 5 ～ 8倍 ， 从 而 大 幅 度 提 高 了 深井 在 抗 压 强 度 高 和研 磨 性 强 地层 的机 械钻 速 。 在 充分 调 研 国外 涡轮 钻 具 发 展 现状 的基 础上 ， 引进 S mi t h公 司高速 涡 轮及孕 镶 金 刚石 钻 头配套 技 术 ， 结合元 坝 地 区须家 河组 地层 的特点 ， 设计 了个 性 化孕 镶金 刚 石钻 头 ， 优 选 涡轮钻 具 叶片 形状 及级 数 ， 匹 配钻井 设 备 ， 充 分发 挥水 力 能量 ， 最 大限 度地提 高 高 速涡 轮钻 具 的使用 效果 。 元 坝 1 2 3井 是 四川盆 地川 中低 缓 构造 带北斜 坡 的一 口评 价 井 ， 设 计二 开 ≯ 3 1 1 ． 1 mm 井 眼钻 穿 雷 口 坡组气 层后下入 技术套管 ， 根据 区域地质 及邻 井实钻 资料 分 析 ， 该 井 须 家 河 组 地 层 为 4 4 2 0 ～ 4 9 9 0 m井 段 。 由于须 家河组 地 层 可钻 性 差 ， 石 英 砂 岩含 量 高 、 研磨 性 强 ， 常 规 钻 井 平 均 机 械 钻 速 仅 为 0 ． 6 9 m／ h 。 因此 ， 应 用“ 高速 涡轮 孕 镶金刚石 钻头 ” 复合 钻井技 术钻 进该井段 。 1 高速 涡 轮钻 具 。优选 使用 S mi t h Ne y r f o r 2 4 1 ． 3 mm 8 1 级 T 1 MK 2导 向涡 轮 ， 在排量 为 3 8 ～ 4 5 L ／ s 的条 件 下 进 行 钻 进 ， 涡 轮 转 速 为 5 8 0 ～ 7 5 0 r ／ mi n。 2 孕 镶 金 刚 石 钻 头 。根 据 邻 井 测 井 曲线 解 释 得 到 岩石力 学 参 数 和 岩 石 可 钻 性 级 值 ， 利 用 S mi t h B i t s 公 司 DB OS钻头 优 选 软 件 进 行 分 析 ， 为 高 速 涡 轮 钻具 设 计 了 K7 O 5 TB P X XC孕 镶 金 刚 石 钻 头 ， 该 石 油 钻 探 技 术 钻头采用 了 GHI 孕镶方 式 ， 增 强 了钻 头 的抗研 磨能 力 ， 并提 供长久保 径 。 3 钻具组合 。声 3 1 1 ． 1 mm S mi t h孕镶 金 刚石钻 头 4 2 4 1 ． 3 mmT 1 8 1 级 MK2导向涡轮 本体安装 了 2个 3 0 8 ． 0 mm 稳 定 器 声 3 0 8 ． 0 mm 稳 定 器 4 2 2 8 ． 6 n 3 1 T l 钻铤 3根4 2 0 3 ． 2 n l r n 钻铤 6 根 ≠ 2 0 3 ． 2 mm震 击 器 ≯ 2 0 3 ． 2 mm 钻 铤 3根 j 5 1 3 9 ． 7 mm 钻 杆 。 4 井眼准备。涡轮钻具人井前， 使用 2只 4 3 0 8 ． 0 I n l T l 稳 定器 和 4 3 1 1 ． 1 mm 牙 轮 钻 头带 打捞 杯 通井 ， 确保井 眼畅通 ， 井底 清洁 。 5 试验效果 。涡轮钻进井 段 4 5 9 9 ． 3 8 ～4 7 5 2 ． 9 0 m， 总进尺 1 5 3 ． 5 2 m， 纯 钻进 时间 9 O ． 7 5 h ， 平均 机械 钻速 为 1 ． 6 9 m／ h 。 元坝 1 2 3井涡轮钻井结束后 ， 对孕 镶金 刚石钻头 的磨损情况进行了评价 刀翼上的孕镶金刚石暴露良 好 ； 钻头保径良好； 钻头评级为5 8 一 wT s ～ x I ～ HC P P ， 钻 头 内圈齿磨损 5 ， 肩部 完 全磨 损 8 ， 钻 头保 径 ， 肩部 GHI 齿 突 出被 正常磨 平 ， 肩 部磨 损处有 大 量热 裂纹 。由于钻头磨 损 严 重 导致 泵 压 异 常 ， 随之 钻 速 迅速 下降 。 由于孕 镶 金 刚石 钻 头 是 在 元 坝 构 造 须 家 河 组 地层第 一 次使用 ， 可参 考 的技 术 资料 相对 较少 ， K7 O 5 TB P X XC孕镶 金 刚石 钻头 与须 家 河组 地 层 适 应性 有待进 一步评 价 与 研 究 ， 以 提高 其 抗磨 性 能 和 使用 寿命 。 涡轮 钻具 出井后检查 ， 涡轮轴承 间隙少于 1 m m， 仍处于 良好状态 。 4 结论 与建议 1 在元坝 地 区沙溪庙 组地层 应用 “ P D C钻头 螺杆” 复 合钻井 技术 能够提 高机械 钻速 ， 但受 岩性变 化 影 响大 ， 只 适 合 在 元 坝 地 区上 沙 溪 庙 组 地 层 中 应用 。 2 试 验表 明 ， 对 于元 坝 地 区须 家 河 组 研 磨 性 强 、 抗 挤 强 度 高 、 石 英 含 量 高 的砂 泥 岩 地 层 ， 采 用 “ 高速 涡轮 孕 镶 金 刚石 钻 头 ” 复 合 钻井 技 术 提 高 机械 钻 速 是 可 行 的 ， 可 有 效 提 高元 坝 区须 家 河 组 地层机械钻速 2倍以上 、 单只钻头进尺及 纯钻进 时 间 。 3 高 速涡 轮钻 具 将水 力 功 率 转换 为机 械 旋 转 功 率 ， 保证 涡 轮 钻 具 自身 足 够 的 压 力 降 是 发 挥 该 钻具优势 的前提。因此 ， 要 求钻井 设备 的承压 能 力 要 高 。 4 继续 加强 地层岩 性分 析 ， 改进 孕镶 金 刚石钻 头 的结构 ， 提 高其抗磨 性 能 ， 增加其 刀翼 分布 密度和 孕镶 材料 密度 ， 以提 高其在 高研磨 地层 的工作 寿命 。 同时， 也应使钻头和涡轮钻具的寿命相匹配。 参 考 文 献 [ 1 ] 周世 良， 李真祥 ， 陈仕仪． 南方海相地 区深井钻井技术 的实践与 认识 E J 3 ． 石油钻探技术 ， 2 0 0 5 3 3 5 7 2 7 6 ． [ 2 ] 杨 玉坤． 川 i 东北地 区深井井 身结构 优化设计 E J ] ． 石油 钻探技 术 ， 2 0 0 8 ， 3 6 3 3 3 3 6 ． t 3 3 边培 明． 深层 海相气 井井 身结构 优化 及应 用[ J ] ． 钻采工 艺 ， 2 0 0 6， 2 9 6 1 3 - 1 5 ． [ 4 ] 杨世奇， 薛敦松 ， 蔡镜仑 ， 等． 涡轮钻井技术 的新进展E I ] ． 石油 大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 2， 2 6 3 1 2 8 1 3 4 ． [ 5 ] 冯定． 涡轮钻具防斜打快钻井理论与技术研究E J ] ． 石油钻探技 术 ， 2 0 0 7 ， 3 5 3 9 - 1 1 ． t 6 3 陈洪兵 ， 周龙昌， 张雷 ， 等． 俄罗斯减速器涡轮钻具驱动 P DC钻 头在西伯利亚 油 田的成 功应 用 [ J ] ． 石 油钻 探技 术 ， 2 0 0 5 ， 3 3 2 4 8 5 O ． [ 7 ] 谭春 飞， 蔡镜仑． 利用涡轮钻具提 高深井 钻速的试验 研究 [ J ] ． 石油钻探技术 ， 2 0 0 3 ， 3 1 5 3 0 3 2 ． [ 8 ] 颜加柏 ， 翁行芳， 苏振峰 ， 等． 涡轮钻 井技术在 中原 油田的应用 [ J _ ． 石油钻探技术 ， 2 0 0 3 ， 3 1 5 7 5 7 6 ． 中国石化 石 油工 程技 术研 究 院一 批新 技 术成 功应 用 于油 田现 场 中国石化 石油工 程技 术研究 院积极 组织 科研人 员深 入各 大 油 田 ， 针 对油 田企 业 石 油工 程 技术 方 面存 在 的技术难 题开展 科研攻 关 ， 推进 了科技新 成果 在油 田企业 的应用 ， 促进 了油 田事业 的快 速发展 。该 院成立不 足 一年 ， 已经取 得 了令 人鼓 舞 的成 绩 针对 “ 三 北一川 ” 的石油 工 程技 术难 题 ， 在塔 河 油 田积 极推 广应 用 了正 电胶钻井液体系 ， 承担完成了 2 1口井的钻井工程设计 ， 4 6口井的钻井液优化设计和处理维护 ， 3 5井次的低 密度、 乳胶水泥浆体系固井技术服务工作 ； 在东北松南气 田承担完成 了两 口欠平衡钻井 的技术服务工作 ， 这 两 口井 均获得 优质 工程 奖 ； 在 四川及周 边地 区承担 完成 了 7 5井次探 井 和 3 O井 次开发 井 的固井设 计审查 、 大 样复核和现场监督工作， 使普光气田产层 固井质量优质率达 9 3 ， 合格率达 1 0 0 ， 普光气 田防气窜固井技 术 被川气 东送指 挥部评 为技 术推广 一等 奖 。 [ 宗钢 供稿]