基于水力能量利用效率的超深井钻井提速技术.pdf

第 3 1 卷 第 5 期 2 0 0 9年 1 0月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI LLI NG ＆ PR0DUCT1 0N TECHNOLOGY V0 I ． 31 No ． 5 0c t ．2 0 09 文章编号 1 0 0 0 7 3 9 3 2 0 0 9 0 5 0 0 3 30 3 基 于水 力能量利用效 率 的超 深 井钻 井提速 技术 张广峰 易 灿 闫 振来 1 ． 胜利石油管理局 渤海钻井二公司， 山东东营2 5 7 2 0 0 ； 2 ． 胜利石 油管理局钻 井工 艺研究院 ， 山东东营2 5 7 0 1 7 摘要水力因素是影响钻速最活跃的因素之一。为了最大限度地利用水力能量， 提高超深井钻井速度， 利用编制的软件， 对影响水力能量利用效率各因素进行 了分析。结果表明， 超深井采用 O1 3 9 ． 7mm钻杆代替 01 2 7m m钻杆， 1 0 0 0 m可减小泵压 约0 ． 6 MP a ；黏度每降低 1 0 mP a S ， 泵压可降低 0 ．4 MP a 左右；密度每增加 0 ． 1 g ／ c m ， 泵压增加 0 ． 8 MP a 左右； 排量每增加 1 L ／ s ， 泵压增加 1 MP a 以上。 同时， 分析了超深井钻井喷射钻井的可行性及实现方式， 指出超深井水力参数设计需按最小流量法设计， 为提 高超深井钻井速度提供 了有 益的参考 。 关键词 超深井 ；钻井速度 ；水力能量 ； 喷射钻井 中图分类号 T E 2 4 5 文献标识码 A ROP i nc r e a s i n g me t h o d ba s e d o n t he ut i l i z a t i o n e ffi c i e n c y o f h y dr a ul i c po we r f o r t he u l t r a - de e p we l l s Z H A N G G u a n g n g ， Y I C a n ， Y A N Z h e n l a i 1 ． s h e n g n P e t r o l e u mA d mi n is t r a t i o nNo ． 2B o h a i Dr i l l i n gC o m p a n y ， Do n g y in g2 5 7 2 0 0 ， C h i n a ； 2 ． Dr i l l i n g 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 o f S h e n g l i P e t r o l e u m A d mi n i s t r a t i o n ， Do n gyi n g 2 5 7 0 1 7 ， C h i n a Ab s t r a c t Hy d r a u l i c f a c t o r i s o n e o f t h e mo s t i mp o r t a n t p a r a me t e r s wh i c h c a n a f f e c t ROP ． T o o p t i mi z e t h e u t i l i z a t i o n o f h y d r a u l i c p o we r a n d i n c r e a s e t h e ROP f o r u l t r a d e e p we l l s ， a l l o f t h e f a c t o r s t h a t c a n a f f e c t t h e u t i l i z a t i o n e ffi c i e n c y o f t h e h y d r a u l i c p o we r we r e a n a l y z e d ． T h e r e s u l t s d e mo n s t r a t e t h a t i f 0 1 3 9 ． 7 mm d r i l l p i p e i s u s e d i n s t e a d o f 0 1 2 7 mm d r i l l p i p e ， t h e p u mp p r e s s u r e wo u l d r e d u c e 0 ． 6 M P a ／ 1 0 0 0 m a n d p u mp p r e s s u r e wo u l d r e d u c e a b o u t 0 ． 4 M P a wi t h d r i l l i n g fl u i d v i s c o s i t y d e c r e a s i n g 1 0 mp s ； p u mp p r e s s u r e i n c r e a s e s 0 ． 8 MPa wi t h d r i l l i n g fl u i d d e n s i ty i n c r e a s i n g 0 ． 1 g ／ c m ； a n d p u mp p r e s s u r e i n c r e a s e s mo r e t h a n 1 MP a wi t h p u mp r a t e i n c r e a s i n g 1 L ／ s ． Me a n wh i l e ， t h e f e a s i b i l i ty a n d i m p l e me n t me t h o d o f j e t t i n g d r i l l i n g o n u l t r a d e e p we l l s w a s a n a l y z e d ， a n d p o i n t o u t t h a t t h e u l t r a d e e p we l l h y d r a u l i c p a r a me t e r s d e s i g n s h o u l d f o l l o w t h e mi n i mu m fl o w r a t e d e s i g n i n g me t h o d ， a n d a l s o p r o v i d e s g o o d r e f e r e n c e f or ROP i mpr o ve me n t o f u l t r a de e p we l l s ． Ke y w o r d s u l t r a d e e p w e l l ； R O P ； h y d r a u l i c p o we r ； j e t t i n g d r i l l i n g 随着 国内勘探开发水平的不断提高 ， 深部地层 油气资源逐步得到利用 ， 但这类地层 的钻井速度极 低 ， 成本高 、 周期长的问题非常突出。井底水力能量 是影响超深井钻井速度的主要因素之一。国内外对 提高井底水力能量利用效率 ， 进而提高钻井速度非 常重视 ⋯。超深井条件下如何发挥水力能量受诸多 约束条件的制约 ， 需要综合平衡考虑 。由于各种原 因， 深井 、 超深井钻井中， 一般都放弃喷射钻井 ， 钻头 压力降只能满足冷却钻头及清洗井底部分岩屑 ， 远 未达到喷射钻井 的条件 ， 而大幅度增加喷嘴射流 的 压力 ， 实现喷射钻井 ， 可 以显著提高深井和超深井 的 钻井 速度 。 基金项 目国家 “ 8 6 3 ” 项 目 “ 超深 井钻 井技术研究 编号 2 0 0 6 AA0 6 A1 9 - 2 ” 课题部分 内容 。 作者简介 张广峰， 1 9 6 1 年生。 1 9 8 1 年毕业于胜利石油学校钻井工程专业， 2 0 0 6 年毕业于中国石油大学 华东 石油工程专业， 现任副经理。 电话 0 5 4 6 8 5 7 1 2 0 4， E ma i l z 2 z g f 1 2 6 ．t o m。 3 4 石油钻采工艺2 0 0 9年 l 0月 第 3 1 卷 第 5期 1 超深井钻井提高钻速的方法 ROP i nc r e a s i n g me t h o d f o r u l t r a - de e p we H s 目前， 由于超深井钻井数量较少， 各种统计数据 很难获得 ， 只能借助深井 的研究数据 。孟祥玉等 系统地收集 了深井钻井和试验井 的实钻数据， 建立 了深井数据库。应用这些数据进行分析 ， 确定包括 钻压、 转速 、 钻头水功率 、 压差 以及钻井液密度和塑 性黏度等参数对机械钻速的影响规律， 建立了四元 深井钻速模式。应用多元 回归分析方法 ， 确定 了各 变量在不同地层中的钻速 系数 ， 从宏观上完成 了对 整个钻进过程的定量描述。钻速模式为 V KW。 。Ⅳ p 叩 ／ 1 C 2 h 1 式 中， 、 、 Ⅳ、 尸、 P 、 卵 分 别为钻速 、 钻压 、 转速 、 比水 功率 、 密度 、 黏度； K、 a 、 a ， 、 a 、 a 、 G 为系数； h 为管 路的水力摩阻系数。 由公式 1 可知 ， 从水力能量的角度提高钻井速 度主要是调整 比水功率 、 密度和黏度。利用 自编软 件计算 了这些因素对管路压耗的影响程度。 1 ． 1 采用大尺寸钻杆 Us e bi g g e r dr i l l p i p e 根据 高压喷射钻井理论 ， 钻杆内沿程压力损失 为 △ Bp 。 L 9 8 ／ d 2 式中， △ 为钻杆 内沿程压力损失 ； B为常数 ， 内平钻 杆B O ． 5 1 6 5 5 ； P 为钻井液密度； 为钻井液塑性黏度； 为钻杆总长度； Q为钻井液流量； d为钻杆内径。 由式 2 可知 ， 在钻井液流量较大的情况下， 沿 程压力损失与流量的 1 ． 8次方成正比， 大部分水力能 量都消耗在钻杆内。目前 ， 大多使用 O1 2 7 mm钻杆 ， 如果在可能的情况下 ， 采用 1 3 9 ． 7 mm钻杆 ， 则可 极大地解放水力能量 ， 大幅度提高井底水功率和喷 射速度。以胜科 1 井为例 ， 该井采用 了 8 1 柱 O1 3 9 ． 7 mm钻杆 ， 长度约 2 3 3 0 m。采用不 同长度 的大尺寸 钻杆时的立管压力变化情况见图 1 。 高 崮 牡 j 钻杆 度／ m 图 1 O1 3 9 ． 7 mm 钻杆长度对立管压力影响 曲线 Fi g． 1 Th e i n flue n c e c u r ve o fO 1 39 ． 7 i i3 m d r i l l p i p e l e n gt h t o SP P 由图 1中可 知， 使用现场 钻柱时 ， 立管压力 为 1 8 ． 5 5 MP a ， 而其他条件相同时， 如果 O1 3 9 ． 7 mm钻 柱多用 1 0 0 0 m， 则立管压力降为 l 7 ． 8 9 MP a 。所以， 采用的大尺寸钻杆越长， 克服在沿程流动阻力上的 压耗减小就越多。 1 ． 2 降低黏度 Re du c e v i s c o s i t y 以胜科 1 井钻至井深 6 1 5 4 m钻井液参数 密 度 1 ． 7 5 g ／ c m ， 黏度 8 5 mP a S 为例， 黏度增加对立管 压力的影响曲线见图 2 。 图 2 黏度增加对立管压力影响曲线 Fi g． 2 The i n flue nc e C H I ve of v i s c o s i t y i n c r e a s e t o SPP 从 图 2中可以发现 ， 黏度升高 ， 立管压力与黏度 几乎成 比例增加。如 当黏度为 8 5 mP a S 时， 立管压 力 1 8 ． 5 5 MP a ， 当黏度降为 7 5 mP a S 时 ， 立管压力降 至 1 8 ． 1 2 MP a ， 降低 0 ． 4 3 MP a 。同时， 降低黏度对降 低钻头水 眼黏度也非常有效果 ， 而水眼黏度下降对 提高钻速效果明显。因此 ， 在满足正常钻进条件下， 应尽可能地降低钻井液黏度。 1 ． 3 降低密度 Re d u c e d e n s i ty 在超深井钻井过程中， 保持井壁稳定和平衡地 层压力 的关键是确定合理的钻井液密度范围。钻井 实践中， 为了保证较大的安全系数 ， 往往采用较高的 钻井液密度。 与黏度一样 ， 密度升高， 立管压力增加。 如密度为 1 ． 6 5 g ／ c m 时， 立管压力为 1 7 ． 7 MP a ， 当密 度增加 0 ． 1 g ／ c m。 时 ， 立管压力增加 0 ． 8 5 MP a 。同时 ， 钻井液密度上升， 钻井液对井底岩石和岩屑的压持 作用也增大， 岩屑难于离开井底 ， 增加 了重复切削的 机会 ， 最终可导致钻速降低 。因此， 在保证合理的钻 井液密度时， 应尽可能降低钻井液密度。 1 ． 4 减小流量 Sl o w do wn p ump r a t e 流量是影响循环压耗的最大因素， 其原因是 FF 3 F Q 4 张广峰等 基于水力能量利用效率的超深井钻井提速技术 3 5 式 中， ，为立管 压力 ； F 为循 环压力损 耗 ； 为钻 头压 力降 ； M 为循环压力 损失系数 ， 当钻井条件一 定时 ， 为常数 ； L为井深。 由式 3 、 式 4 可知， 与 Q的平方成正比， 如 果减小一定的流量 ， 则 大大降低 。 流量增加对立管压力 的影响曲线见 图 3 。由图 3中可知 ， 流量 Q每增加 1 L ／ s ， 立管 压力 增 加 1 MP a以上 ， 而且 Q越大 ， F增 加越 多， 说 明流量是控 制循环压耗的关键 ， 但流量也并不是越小越好。 图 3 排 量增加 对立管压 力影 响曲线 Fi g ． 3 The i nflu e nc e c u r v e ofp ump r a t e i n c r e a s e t o SPP 2 超深 井喷射钻井的可行性研究 F e a s i b i l i t y s t u d y o f j e t t i n g d r i l l i n g o n u l t r a - d e e p we l l s 由超深井钻井液特点可知 ， 超深井钻井液一般 密度 比较大 ， 钻井液柱对井底岩石和岩屑 的压持作 用也特别大 ， 岩屑难于离开井底 ， 如果井 底清洗不 良， 容易出现井底泥包 和钻头泥包 ， 而且岩石本身强 度增大 ， 使 重复切屑 的机会增 多 ， 这是 超深井钻速 低 的主要原 因。所 以， 利用水力能量强化井底清岩 是超深井喷射钻井的主要 目的， 而强化井底清岩 的 关键是及时使井底岩屑脱离破碎坑 ， 处于浮动状态。 射流对井底 的清洗机理可以归结为 2种方式 1 在 射 流冲击 区， 较高的冲击压力梯度可以使 岩屑产生 翻转 ， 从而脱离井底 ； 2 射流冲击井底后 ， 形成沿井 底横向流动的漫流 ， 高速漫流具有横 向剪切和推移 作用 。由射流对井底 的作用原理可知， 增大射流 冲 击压力梯度有利于井底岩屑 的翻转 ， 使岩屑离开井 底 。 由淹没 自由射流可知， 射流冲击压力梯度为 d p K m V O 2 5 h 式 中， ／ 为冲击压力梯度 ； K m为冲击压力梯度系 数 ；V o 为喷射速度 。 钻头压力降与喷射速度的关系可简写为 K b [ P b 6 代人式 5 得 d ， p 2 p b 适当变形 ， 令 Ka K K ， 则可得 Ka P一 Q 7 设泥浆泵额定功率为 ， 在额定功率状态下， 式 7 变 为 一KL Q 由极值定理可知， 欲使 ／ 最大 ， 则必有 d ／ d Q 。 解得 Q 3x ／ N r ／ 2 K L 8 上述推导表 明， 要使 冲击压力梯度最大 ， 流量 Q 必须为负值或 0 ， 在实际钻井 中这是毫无意义的 ， 但 至少说明， 为了获得最大 的冲击压力梯度 ， 流量必须 最小 ， 即 QQ m i 根据上述原理和方法 ， 以胜科 1 井井深 6 1 5 4 1 T I 时为例计算的几种喷嘴组合情况见表 1 。 表 1 各种喷嘴组合计算情况 T la b l e 1 C a l e u l a t i o n o f d i ffe r e n t n o z z l e s s i z e 下转第 3 9页 张洪杰等 控制压力钻 井在 沙特 气田的应用 3 9 上接 第 3 5页 采用 现 场 的 喷嘴 组合 ， 钻 头压 力 降 仅为 0 ． 3 1 MP a ， 远不能满足喷射钻井 的条件 。但是 ， 如果采取 降低一定流量 的方法 ， 流量 降低 2 - 3 L ／ s ， 立管压力变 化不大 ， 但管内压耗降低 2 ． 2 3 MP a ， 钻头压力降增加 近 3 MP a ， 钻头水力能量利用效率 由原来的不足 2 ％ 增加到 1 7 ％。可 以设 想 ， 如果按 照最小流量法设计 水力参数， 必将大幅度地提高水力能量的利用效率， 进而提高超深井的钻井速度。 3 结论与建议 Co n c l us i o n s a n d s u g g e s t i o n s 1 充分利用水力能量可提高超深井钻井速度 ， 减小压力损失。 2 在保证正常钻进前提下 ， 可通过尽量采用大 尺寸钻杆 、 降低黏度 、 减小密度和流量达到降低循环 压耗及增加水力能量利用效率的目的。 3 建议超深井钻井中采用最小流量法设计水力 参数 ， 以实现喷射钻井条件 ， 提高钻井速度。 参考 文献 Re f e r e n c es [ 1 ] MAUR E R W C． Ad v a n c e d d r i l l i n g t e c h n o l o g y[ M ] Tul s a Th e Pe t r ol e u m P ubl i s h i n g Co mpa n y ,1 98 0． [ 2] 孟祥玉， 陈越， 杲传 良． 钻井参数优选技术在胜利油田 深 井中的应用 [ J ]． 石油钻探技 术 ， l 9 9 2 ， 2 o 4 4 5 4 7 ． M E NG Xi a n g y u， C HE N Y u e ， GAO Ch u a n l i a n g ． T h e a p - p l i c a t i o n o f Dr i l l i n g p a r a me t e r o p t i mi z a t i o n t e c h n i q u e s i n S h e n g l i O i l fi e l d d e e p w e l l l J j ． 0 i l D r i l l i n g T e c h n o l o g y ， 1 9 9 2 ， 2 0 4 4 5 _ 4 7 ． [ 3] 刘希圣 ． 钻井工艺原理 中册[ M]． 北京石油工业 出版 社 ． 1 9 8 81 8 ． 3 0 ． L I U Xi s h e n g ． P ri n c l e s o f d r i l l i n g t e c h n o l o g y 2 n d v o l u me s [ M]． B e i j i n g P e t r o l e u m I n d u s t r y P r e s s ， 1 9 8 8 1 8 3 0 ． [ 4] 杜春常 ． 深井水力设计及方法 [ J ]． 石油钻采工艺， 1 9 8 9 ， l 1 5 1 8 ． DU Ch u n c h a n g ． P r i n c i p l e s a n d me t h o d f o r wa t e r p o we r i n d e e p we l l [ J ]． O i l D ri l l i n gP r o d u c t i o n T e c h n o l o g y , 1 9 8 9 ． 1 1 5 1 - 8 ． 修 改稿收到 日期2 0 0 9 ． 0 7 ． 0 3 [ 编辑薛改珍 ]