冀东油田复杂地层安全高效钻井技术研究.pdf

1 4 钻 采 工 艺 DRI L L I NG ＆ P RODUCT 1 0N TEC HN0L0GY 2 0 0 9年 5月 Ma v 2 0 0 9 冀东油 田复杂地层安全高效钻井技术研究 宋继伟 地矿局 1 1 5地质大队 宋继伟．冀东油田复杂地层安全高效钻井技术研究， 2 0 0 9 ， 3 2 3 1 41 6 ． 摘要南堡凹陷是冀东油田的主力生油区， 其馆陶组底部普遍存在两种复杂地层 部分强烈蚀变的玄武岩 地层和胶结性极差的底砾岩地层。玄武岩地层的井壁稳定性 和快速 钻进 问题 以及底砾 岩地 层的快速 钻进和 钻头 安全使用问题是直接影响钻井安全、 效率和成本的重要问题。针对这一系列钻井问题， 在对冀东油田大量的钻井、 地质资料的深入理解的基础上， 通过深入分析， 提 出解决这些复杂问题的一些措施， 并通过理论或实践验证了其有 效 性 。 ’ 关键词 玄武岩 ； 砾 岩；安全钻井 ； 钻 井技术 ；冀 东油田 中图分类号 T E 2 4 2 文献标 识码 A D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 6～7 6 8 X ． 2 0 0 9 ． 0 3 ． 0 0 5 南堡凹陷作为冀东油 田的主力生油区 ， 其馆陶 组底部普遍存在着两种复杂地层 部分强烈蚀变的 玄武岩地层和胶结性极差 的底砾岩地层 。玄武岩地 层的井壁稳定性问题和快速钻进问题以及底砾岩地 层的快速钻进和钻头安全使用问题都是该地区钻井 技术人员最为头痛的问题 ； 也是直接影响钻井安全 、 效率和成本的重要问题 。 一 、玄武岩地层钻井技术 冀东油 田南堡凹陷位于渤海湾盆地 ， 因多期火 山喷发而形成了多层火 山岩 ， 其 中分布较广且对钻 井工程影响较大的是最后一期喷发形成的上第三系 馆 陶组火山岩 ； 埋藏深度一般在 1 9 0 0～ 2 9 0 0 I n之 间。 1 ． 玄武岩地层钻井的隐患 通过对冀东油田玄武岩地层特性的了解以及钻 井实践得知 ， 井壁稳定性 问题和快速钻进问题 是困 扰该地层钻进的两大关键性问题。 1 ． 1井壁稳 定性 问题 冀东油 田玄武岩地层明显可见气孔状构造 ， 气 孔最大直径达 81 0 mm； 并且裂隙非常发育。在这 样的地质条件是井漏事故的多发地带。地层 中的杏 仁状构造 ， 以及经过强烈蚀变作用 的与次生的黏土 矿物 与水易膨胀 、 碳酸盐等混杂并存的破碎带又 是造成井壁坍塌主要因素。 1 ． 2快速钻进 问题 由于玄武岩性坚硬 、 研磨性强、 可钻性差 ， 采用 常规三牙轮钻头的机械钻速普遍偏低 ， 并且容易发 生井 内事故。这样导致钻井效率 降低 的同时， 又使 玄武岩段钻孔过长 时间暴露于钻井液 中， 不利于井 壁稳定。 2 ． 玄武岩地层安全快速钻井技术 2 ． 1井壁 防塌 、 安全 钻进技 术 通过研究冀东油田玄武岩地层井壁坍塌机理 ， 寻找影响井壁稳定性 的多方面外在因素 ， 并对这些 因素的影响机理进行分析 ， 总结 出一套适用于该地 层 的井壁防塌技术措施 ， 即在普遍应用的钾基聚合 物钻井液 的基 础上 ， 加入多元 醇成 膜树 脂 防塌 剂 C MF一 1 ； 维持较高 的钻井液密度维持井壁稳定 ； 调 整好钻井液的流变性 ， 使其具有较高的黏度 ， 以防止 钻井液紊流的发生 ； 钻进玄武岩尽量少用或不用牙 轮钻头 ， 而采用专门用于玄武岩地层钻进 的 P D C钻 头 新疆 D B S 钻头工具有限公司生产的 F M系列钻 头 加螺杆液动马达， 甩掉扶正器， 使用光钻铤钟摆 钻具组合， 利用较小的钻压进行钻进， 以预防或减轻 扶正器因钻压逮大而产生弯曲与井壁贴合的钻具在 钻进过层中对地层碰撞而导致的地层坍塌、 掉块等 井内事故 。 收稿 日期 2 0 0 81 2 0 7 ；修 回日期 2 0 0 90 5 0 4 作者简介宋继伟 1 9 8 2 一 ， 助理工程师， 2 0 0 8 年毕业于中国地质大学 武汉 钻井与钻探工程专业， 获得硕士学位。现在贵州省地矿局 l 】 5地质大 队从事钻探机具 、 钻探工艺学研究 工作 。地址 5 5 1 4 0 0 贵州省 清镇市地 矿局 1 1 5地质 大队劳人科 ， 电话 1 3 6 3 8 0 2 6 9 9 4， Em a i l s o n g j iw e i 8 7 5 9 1 6 3 ． c o rn 第 3 2卷第 3期 VD 】 ． 3 2 No ． 3 钻 采 工 艺 DR I L L I NG＆ P R OD U C ， I 1 0 N T E C H N OL 0 G Y 1 5 通过同一地质区块上 的两 口直井 M2 92 7井 和 M1 0 9 X1 1井 的井径扩大情况进行对 比分析 ， 证 实了该防塌措施对保护玄武岩地层井壁稳定有着显 著的效果。 2 ． 2快速 钻进技 术 由于冀东油 田玄武岩地层具有岩石质纯、 致密 、 硬且脆的特性 ， 各井 队普遍采用三牙轮钻头来穿越 该地层。但是 ， 在玄武岩地层使用牙轮钻头钻进 ， 会 对井壁的稳定性带来不利的影响； 实践证明 ， 要想使 用牙轮钻头顺利穿过玄武岩地层 ， 就需要从钻井液 性能调整方面付出巨大 的努力 ； 而且 ， 由于牙轮钻头 本身结构特点， 钻进过程中容易出现井内事故 曾 发生过钻进 过程 中掉牙 轮事 故 。为解 决这 一 问 题 ， 向各钻井 队提供 了一款能用于钻进坚硬地层 的 P D C钻头 ， 即新疆 D B S钻 头工具有 限公 司生产 的 F M系列 P D C钻头 见 图 1 。 图1 D B S 钻 头公司的F M 系 iJ P D C 钻头 分别对牙轮钻头和新型 的 P D C钻头碎岩 机理 进行对比分析证明， 新型 P D C钻头 的破岩效率要明 显高于牙轮钻头 ； 又通过对南堡 5 6井玄武岩段采 用不 同钻头钻速随井深变化 曲线的分析， 证实了新 型 P D C钻头对提 高玄武岩地层钻进速度有着 明显 的优越性。 二、 底砾岩地层钻 井技术 冀东油 田的底砾岩是位于海浸层位最底部的侵 蚀面上的石英砾岩 。它代表一个长期 的沉积间断之 后所开始 的新 的沉 积。埋 藏深 度 一般 在 2 1 0 0～ 3 0 0 0 m之 间。厚 度可达 5 01 0 0 m。成份 以石英 为主 ， 长石次之 ， 砾石分选性好 、 圆度好 、 成熟度高。 1 ． 底砾岩地层钻井的隐患 1 ． 1快速 钻进 问题 该底砾岩地层 中的砾石主要是分选性很好 、 强 度极高、 研磨性非常强 的石英质砾石 ， 并且该砾石 由 于胶结较差 ， 钻孔 中的砾石容易脱落。这些砾石最 终落人井底 ， 然后在钻头 的作用下 ， 形成了钻头与砾 石以及砾石与砾石之间的相互摩擦挤压现象。在这 样的碎岩过程中， 不仅岩石 的重复破碎现 象十分严 重 ， 而且严重地影响钻 头的碎岩效率 ， 降低 机械钻 速 ， 一般情况下每米进尺钻时在 4 5 m i n以上 ， 有时 甚 至达到 1 0 0 mi n以上。堆积在井底 的大小不一的 砾石还会对钻头切削齿产生 巨大 的冲击载荷 ， 一旦 发生单颗切削齿折 断或者脱落 的情况 ， 在连续 回转 的持续载荷下 ， 钻头上 的其余切削齿有可能发生多 米诺骨牌效应 ， 造成钻头的瞬间破坏 。 1 ． 2钻 头安全使 用 问题 通常认为底砾岩地层 的钻头的使用存在两大安 全隐患 ． 1 目前为止 ， 冀东油 田在底砾 岩地层 使用的 普遍是用于高研磨性地层 的镶齿三牙轮钻头 ， 即便 是这样 ， 在钻进过程中跳钻现象还是十分严重 ， 这样 对牙轮钻头的损害是非常严重 的， 容易造成钻头轴 承 的损坏 ， 从 而导致井下复杂事故。例如 ， 在 2 0 0 5 年 1 O月 2 3日， 在南堡 21 1 井钻进底砾岩地层时 ， 发生了掉牙轮事故。当时 ， 钻进过程 中扭矩突然变 化， 在不停顶驱的情况下， 上提一根钻杆下划， 划眼 时出现别顶驱蹩泵现象 ， 当时考虑钻头直径磨小别 螺杆扶正器 ， 就决定循环起钻 。起钻后发现牙轮钻 头两牙轮掉人井底 ， 钻头磨损严重 ， 保径齿磨光。 2 冀东油 田底 砾岩地层还有一个特 点就是 ， 其正好位于玄武岩地层 的下方 ， 在钻进过程 中对用 于玄武岩地层钻进价格 昂贵 钻头单个价格在 4 0 6 0万 的新 型 P D C钻 头的使 用存在着 巨大 的安 全 隐患。曾发生过价值 5 2万的 D B S新型 P D C钻头在 快速顺利地穿过玄武岩后 ， 进入 了紧随玄武岩地层 下面的底砾岩地层 ， 当时 ， 跳钻现象非 常严重 ， 最后 钻头仅进尺 2 m多即报废。 综上所述， 冀东油田底砾岩地层对钻井施工产 生的不利影响 ， 主要表现为机械钻速偏低和对钻头 产生损害而导致井下事故两个方面。 2 ． 底砾岩地层高效安全钻井技术研究 2 ． 1高效快速 钻进 技 术 根据底砾岩地层的特点 ， 分别从水力碎岩、 井底 清洗和牙轮钻头的改进三个方面进行了底砾岩地层 快速钻进 的分析 。 2 ． 1 ． 1永力碎岩 通过对牙轮钻头射流钻进 的特点的分析 ， 知道 高速射流在井底产生的漫流有利于提高钻头的碎岩 效率 ， 从而提高钻速。通过分析得知， 影响漫流碎岩 效率的直接影响因素是射流速度和钻头水眼的布置 1 6 钻 采 工 艺 DRI LL I NG ＆ P R0DUC TI ON I 1EC HNOL 0GY 2 0 0 9年 5月 Ma v 2 0 0 9 方式 ， 而射流速度主要是受水眼尺寸影响的。因此 ， 射流碎岩效率主要可以通过对水眼尺寸和布置方式 的调整来实现。 这里提出水力碎岩只是一个建议性 的高效碎岩 方法 ， 只是分析 了底砾岩地层水力碎岩的可行性 ， 仍 需通过理论和实践进一步研究来验证其效果 。 2 ． 1 ． 2井底清洗 井底 的净化效果会直接影 响到钻进速度 ， 降低 钻进效率。以此为出发点， 展开影响井底净化效果 的因素分析 ， 通过分析 ， 得出可以通过适当提高泵量 提供较大 的钻井液上返速度 和合理提高钻井液 密度和粘度 降低岩 屑沉 降速度 的综合方法来 提高井底净化效果 ， 以提高钻头的碎岩效率。 2 ． 1 ． 3 ’ 钻头改进 对现有三牙轮钻头进行改进 ， 改进方向是 减小 牙齿尺寸 ， 增加牙齿数量。牙齿尺寸的减小提高牙 齿与井底岩石的接触应力 ； 牙齿数量 的增加 和齿顶 间距 的缩小提高了单位面积上的冲击次数 ， 从而提 高钻头碎岩效率。 2 ． 2安全钻 进技 术措施 ‘ 分析牙轮钻头特点 ， 找出在底砾岩地层钻进容 易发生井下事故 的原 因是 在复杂地层 主要指坚 硬、 破碎 、 严 密性强等地层 钻进时 ， 极易 因钻头轴 承严重磨损而发生掉牙轮。解决措施就是换用结构 简单、 耐磨性和耐 冲击性都很强 的孕镶 自锐 式金 刚 石钻头。 通过与牙轮钻头进行结构特点、 耐磨性 、 耐冲击 性和经济性 四个方面的对 比、 分析 ， 证 明了孕镶 自金 刚石钻头更适于底砾岩地层的钻进。 对于新型 P D C钻头 的保护 ， 通过对南 堡 56 井损坏的 P D C钻头的实例以及钻井实践 的分析 ， 总 结出以下措施 1 穿越 玄武岩地层 过程 中， 发现钻速 突然下 降 ， 及时提钻 ， 进行钻井液循环 ， 并观察振动筛出岩 屑情况 ， 看是否有石英颗粒 ， 如果有适应颗粒 ， 则 可 能是底砾岩地层 ， 应及时循环起钻更换钻头 ； 若无石 英颗粒 ， 则可以较小钻压进行钻进 ， 并继续观察岩屑 上返情况 ， 直至发现石英岩屑 ， 再起钻更换钻头。 2 如果突然发现跳钻现象， 应立即循环起钻， 更换钻头 。因为 ， 根据 P D C钻头切削机理 ， 玄武岩 地层用 P D C钻头钻进一般不会发生跳钻 现象 。如 发生跳钻， 极有可能是钻遇了底砾岩地层。 3 认真研读该地区地质资料， 预测接近底砾 岩层时 ， 可预先起 ， 更换钻头 。 4 在穿越玄武岩地层过程 中， 提醒地质人员 密切关注岩屑成分变化 ， 并及时通知钻井人员 ， 保证 钻井方面及时了解 到地层变化情况 ， 以预 防事故的 发生。 三、 结论和建议 1 冀东油 田南堡凹陷普遍存在 的部分强烈蚀 变的玄武岩地层和胶结性差的底砾岩地层给该地区 油气安全、 高效钻井带来 了巨大的困难。在对该地 区这两种复杂地层特性深入研究分析 的基础上， 通 过实践 ， 分别从玄武岩地层井壁稳定性 、 玄武岩地层 快速钻进、 底砾岩地层快速钻进和底砾岩地层钻头 安全使用四个方面展开研究 ， 探索这两种地层 的安 全 、 高效钻井技术 ， 并取得 了较大 的理论 和现场成 果 。 2 本文用于冀东油 田底砾岩地层的磨料射流 碎岩机理只是提出了一个研究思路， 今后 的底砾岩 快速钻井技术 的研究 可从此方面展开 ， 通过流体力 学和数学建模对井底钻井液流场和流速特性 的进一 步研究或计算 ， 得 出在保证井壁稳定条件下 的最优 钻井液流速 或排量 和钻头水眼布置方式。 3 通过对牙轮钻头和孕镶金刚石钻头的对 比 分析 ， 可知孕镶金 刚石钻头在钻进底砾岩过程 中有 着诸多的优越性 ， 在今后的研究 中， 应开展针对冀东 油田底砾岩地层采用孕镶金 刚石钻头的试验研究 ， 设计出适合该种地层的孕镶金刚石钻头。 参考文献 [ 1 ] 张发展． 复杂钻井工艺技术[ M] ． 北京 石油工业出版 社 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ] 高德利． 复杂地质条件下深井超深井钻井技术[ M] ． 北京 石油工业出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 3 ] 谭丽娟， 田世澄． 南堡凹陷第三纪构造特征及火山作用 [ J ] ． 石油大学学报， 2 0 0 1 ， 2 5 4 ． 编辑 黄晓川