哈萨克斯坦滨里海油田钻井提速技术.pdf
第 4 1 卷第 3期 2 0 1 3年 5月 石 油 钻 探 技 术 PETR0LE UM DRI LLI NG TECHNI QUES Vo 1 . 4 1 No . 3 M a y, 20 13 4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 9 哈萨克斯坦滨 里海油 田钻 井提速技术 徐 泓 ,王 涛 , 黄新成 , 张庆荣。 1 .中石化 中原石油工程有限公司西南钻井 分公 司, 河南濮 阳 4 5 7 0 0 1 ; 2 .中石化 中原石油 工程有 限公 司钻井 四公 司 , 河南 濮 阳 4 5 7 3 2 1 ; 3 .中国石化 中原油 田分公司采油工程技术研究 院, 河南濮 阳 4 5 7 0 O 1 摘要 为 了提 高哈 萨克斯 坦滨里海油田的钻 井速 度 , 针 对地层 特点 开展 了钻 井提速技 术研 究。研 究应 用 了 水力加压器钻头保护技术、 旋转垂直导向钻进技术、 “ MWD弯螺杆” 技术以及“ 孕镶金刚石钻头高速涡轮” 组合 技 术 , 有效 解决 了二 开蹩跳钻 、 井斜难 以控制和 三开钻遇灰岩 地层机械 钻速低 的 问题 , 实现 了二 开、 三 开快速钻进 。 现场应用的 1 8口井中, 施工井段平均机械钻速达到 4 . 5 4 m/ h , 同比提 高了 1 0 3 , 节约钻 井时间共计 1 9 6 . 2 9 d 。现 场 应用表明, 滨里海地区的综合钻井提速技术应用已趋成熟, 能够大幅度提高机械钻速, 经济效益 良好, 可在该地 区 推 广应用 。 关键词 涡轮钻 具 垂直导向 无线随钻 水力加压 器 机械钻速 中图分类号 TE 2 4 2 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 9 9 0 5 Fa s t ROP Te c h no l o g y i n Pr e - Ca s p i a n Oi l f i e l d, Ka z a kh s t a n Xu Ho n g ,Wa n g T a o ,Hu a n g Xi n c h e n g 2 ,Zh a n g Qi n g r o n g 3 1 . S o u t h we s t Dr i l l i n g C o mp a n y, S i n o p e c Z h o n g y u a n O i l f i e l d S e r v i c e C o r p o r a t i o n , P u y a n g , He n a n , 4 5 7 0 0 1 , C h i n a ; 2 . F o u r t h Dr i l l i n g C o mp a n y, S i n o p e c Z h o n g y u a n O i f i e l d S e r v i c e C o r p o r a t i o n, Pu y a n g , He n a n , 4 5 7 3 2 1 , C h i n a ; 3 . Oi l P r o d u c t i o n En g i n e e r i n g T e c h n o l o g y Re s e a r c h I n s t i t u t e , Z h o n g y u a n OiZ f i e l d C o mpa n y, S i n o p e c , Pu y a n g, He n a n, 4 5 7 0 0 1 , C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o r a i s e d r i l l i n g r a t e i n P r e C a s p i a n Oi l f i e l d , Ka z a k h s t a n, r e s e a r c h o n p e n e t r a t i o n r a t e h a s b e e n ma d e a c c o r d i n g t o f o r ma t i o n f e a t u r e s , i n c l u d i n g t h e d r i l l i n g b i t p r o t e c t i o n wi t h h y d r a u l i c t h r u s t e r , r o t a r y v e r t i c a l g u i d a n c e d r i l l i n g, MW D wi t h b e n t P DM t e c h n i q u e , i mp r e g n a t e d d i a mo n d b i t a n d h i g h s p e e d t u r b i n e a s s e mb l y, e t c ., t r o u b l e s s u c h a s b i t b o u n c i n g, we l 1 i n c l i n a t i o n , l o w p e n e t r a t i o n r a t e i n l i me s t o n e f o r ma t i o n h a v e b e e n s o l v e d, f a s t d r i l l i n g r a t e wa s o b t a i n e d i n s e c o n d - s p u d a n d t h i r d s p u d we l l s e c t i o n s . I n e i g h t e e n we l l s , t h e a v e r a g e R OP wa s u p t o 4 . 5 4 m/ h , 1 0 3 h i g h e r t h a n p a s t d r i l l i n g r a t e , o r 1 9 6 . 2 9 d a y s s h o r t e r t h a n p a s t d r i l l i n g c y c l e t i me . F i e l d a p p l i c a t i o n s h o ws t h a t c o mp r e h e n s i v e ROP i mp r o v i n g t e c h n o l o g y h a s b e e n s u c c e s s f u l , wh i c h c a n r a i s e ROP s i g n i f i c a n t l y, a n d h a v e g o o d e c o n o mi c b e n e f i t . S o , i t c a r l b e wi d e l y a p p l i e d i n t h i s a r e a . Ke y wo r d s t u r b i n e t o o l ; v e r t i c a l g u i d a n c e ; M W D; h y d r a u l i c t h r u s t e r i p e n e t r a t i o n r a t e 哈萨克斯坦滨里海油 田地层古老 、 岩性复杂, 可 钻性差 。近年来 , 在哈萨克斯坦滨里海盆地盐下油 气藏勘探开发 中, 因为地层可钻性 问题 , 常规钻井技 术 的钻井效率一直徘徊在 中等水平 , 影响了油气 田 开发进度E 卜 。2 0 1 2年 以来 , 在深入 分析研究地层 特性的基础上 , 进行 了钻井提速技术研究 , 选择钻头 保护技术减少二开地层蹩跳钻, 使用导向钻井技术 有效控制井斜, 使用高速涡轮钻井技术提高灰岩地 收稿 日期 2 0 1 2 1 2 1 7 ; 改回 日期 2 0 1 3 - 0 4 1 1 。 作者 简介 徐 泓 1 9 6 8 , 男, 河南洛 阳人 , 1 9 9 2年毕业 于江汉 石油学院钻井工程专业, 高级工程师, 现从事钻井工程技术、 钻井施 工工艺等 方面的研 究与管理工作。 联 系方式 1 3 6 0 3 8 3 4 3 9 5 , z p e b x u h o n g 1 6 3 . c o rn。 基金项 目 国家 自然科学基金 项 目“ 风化作 用对我 国南方页岩含 气性影响定量研 究 以渝 东南龙马 溪组为例” 编号 4 1 1 0 2 0 8 8 和 中 原 油田科研项 目 “ 提 高哈 国扎 那诺 尔复杂岩性油田钻 井速度技术研 究及应用” 编号 2 0 1 2 3 0 5 资助。 石 油 钻 探 技 术 层机械钻速 , 有效实现了滨里海油田优快钻井 , 取得 了良好效果 。 1 钻井难点 哈萨克斯坦滨里海油田上部地层属古生代二叠 系 , 油层为石炭系浅海碳酸盐岩[ 3 ] 。滨里海油 田钻 井设计中, 井深一般为 2 9 0 0 3 9 0 0 m, 存在以下钻 井技术难点 1 地层岩性复杂 。上二叠系地层岩性混杂 , 泥 岩 、 砂岩、 灰质泥岩 、 砾岩、 石膏等频繁交替[ 4 , 部分 井段夹层多 , 蹩跳钻严重 , 严重影响钻头使用寿命 , 造成频繁起下钻 , 断钻具及钻头故障时有发生 , 以往 遇到这种情况时只能采用降转速、 降钻压 的方法来 减轻蹩跳钻 , 严重影响钻井速度 。 2 上部地层易斜 。上二叠系地层 部分井段存 在地层软硬交错 、 地层倾 角大、 容易产生井斜 的问 题 , 且地层倾 向上下基本 一致 , 方位 变化较 小 , 由 于没有合适 的技术手段 , 为保证井身质量 , 往往采 用降低钻压 吊打的方式 , 难以实现全压钻进 。 3 灰泥岩地层 P D C钻头选型困难。下二叠系 的孑 L 谷阶、 阿尔琴阶、 阿舍利阶和石炭系的 KT一 1 、 K , I 、 _ 2为灰泥岩地层 , 尤其 K 1 、 _ 2 油层上面的泥板岩 盖层主要是致密坚硬的粉砂岩和含钙质泥岩 、 泥板 岩 , 地层可钻性差 , 目前 尚未优选出适合该硬脆地层 的 P D C钻头 , 虽然试用了不 同大小复合片 、 不 同刀 翼的 P D C钻头配合转盘驱动或者螺杆钻具钻进 , 但 效果依然极差 , 使用普通牙轮钻头常规钻进, 机械钻 速较慢 s 。 2 钻井提速技术措施 2 . 1 钻头减振保护技术 上二叠系地层岩性混杂 , 夹层多 , 蹩跳钻严重 , 严重影响钻头使用寿命 。为了改善钻头工作状态 , 为钻头提供 良好的工作环境, 在钻头上加装水力加 压器等减振工具。 水力加压器主要由伸缩接头、 一级活塞、 二级活 塞、 三级活塞、 缸筒和上接头等组成 见 图 1 。工具 上端与钻具连接, 伸缩接头与钻头或其他钻具连接。 开泵循环钻井液时 , 由于钻头产生的压降, 使水力加 压器的各级活塞产生 向下的推力 , 并作用在钻头或 其他工具上 , 从而给钻头施加压力l_ 1 。 伸缩接头 一级 括塞 缸筒 二级括塞三级活塞 上接头 图 1 水 力加压器基本结构 F i g . 1 S t r u c t u r e o f h y d r a u l i c t h r u s t e r 根据水力加压器的结构特点 , 把机械式加压改 为液力加压, 可为钻头提供稳定钻压, 实现柔性加压 钻进, 从而可改善钻头 的工作状态 , 提高机械钻速 , 延长钻头、 钻具的使用寿命 , 尤其是在蹩跳钻严重的 地层中使用效果更为突出。 S J 一 2 4 2型水力加压器直径 2 4 2 mm, 自由行程 2 4 0 mm, 最大推力 3 0 0 k N, 现场送钻以每次 1 5 0 ~ 2 0 0 mm为宜 , 降低了司钻 的加压频率 , 实现 了短行 程 的自动送钻 。水力加压器应尽可能地接在靠近钻 头的位置 , 如使用螺杆钻具, 可将水力加压器接在螺 杆钻具之上 , 每次起钻后应丈量 自由行程 , 若发现 自 由行程大于或等于 3 0 0 mm必须停止使用 。 2 . 2 自动垂直导向钻井技术 针对二开井段地层倾角大 、 井斜难 以控制 的特 点 , 采用 自动垂直导向技术进行钻进, 能够最大限度 地解放钻压, 控制井斜 。特别是南阿里别克里海油 田对井身质量要求严格 , 最大井斜角不能超过 3 。 , 已完成井往往因为控制井身质量而影响了钻速 。 P o we r V垂直钻井系统的最大特点是在旋转钻 进方式下采用大钻压钻进 , 通过地面控制实现井 眼 轨迹的连续控制 , 从而提高机械钻速。该系统既可 应用于定向井 、 水平井的井眼轨迹控制 , 也可用于直 井井眼轨迹的控制[ 1 。 Ve r t i T r a k系统综合应用了 Au t o t r a c k 闭环旋转 导向系统 、 X - T R E ME马达和 MWD等 3种技术 , 可 以很好地控制井斜。钻进时, 当 MWD重力传感器检 测到有井斜趋势时, 即时启动液压部件 , 通过 1 ~2个 肋板向井壁施加作用力以对抗这一趋势 , 同时 MWD 传送实时井斜等数据到地面系统 , 方便跟踪和监测 。 当井眼垂直时 , 3个肋板全部伸 出, 并对井壁施加相 同的力 , 将钻头居中, 保持井眼按垂直方向钻进_ 1 。 2 . 3 “ MWD弯螺杆” 钻井技术 P o we r V 和 Ve r t i Tr a k垂直导向系统能够非 常精准地控制井斜 , 是 比较理想 的垂 直钻进工具。 第 4 1 卷第 3期 徐泓等. 哈萨克斯坦滨里海油田钻井提速技术 j 0 I 但是 , 这 2种系统为专利工具 , 租赁费用很高, 造成 钻井成本增加 。为 了合理控制钻井成本 , 可 以在对 井斜要求 不是很 高 的情况 下, 使 用 “ MwD弯 螺 杆” 钻井技术控制井斜。 使用“ MWD弯螺杆” 钻井技 术在易斜井段进 行钻井施工 , 主要是利用其定向控制井 眼轨迹能力 强 的技术特 点 , 该钻井方 式可 以随时监 控井斜 、 方 位 , 可 以根据井斜 、 方位变化情 况及时采取技 术措 施 , 如定向纠斜或继续开动转盘导 向钻进 , 定 向纠斜 能保证井身质量合格 , 导 向钻进能大幅度提高机械 钻速 , 缩短钻井周期 。 2 . 4 “ 高速涡轮孕镶金刚石钻头” 钻井技术 三开地层研磨性强, 不适合使用 P D C钻头, 因此 选用了高速涡轮钻具组合。利用涡轮钻具的高转速, 加速钻头对地层的切削作用 , 以获得较高的机械钻速。 在实际应用 中, 选用 了 S mi t h Ne y r f o r 公司 的 MK 1 型 1 6 8 . 3 m m高速涡轮工具组合 , 机械钻速得 到大幅提高。该工具总长 3 7 . 5 m, 内部装有 1 3 8级涡 轮 见图 2 , 适用排量 1 8 2 4 . 5 ~1 9 3 3 . 4 L / ra i n , 地面 泵压达到 2 3 ~2 4 MP a , 工具压降 l 4 ~1 6 MP a , 水功 率利用率 6 O ~6 5 , 涡轮转速 1 2 5 5 1 3 3 0 r / mi n , 井下工作时间 4 0 0 h以上。根据现场使用经验, 钻压 2 0 1 0 0 k N为宜 , 钻压超过 1 2 0 k N可能会导致切削 阻力矩增大 , 引起转速下降, 易被“ 压死” 而造成制动。 由于涡轮转速很高 , 必须与专门为其设计的孕镶金刚 石钻头匹配使用。 新型孕镶齿金刚石钻头应用特有的热压技术将 金刚石颗粒烧结压人钻头本体, 这种烧结方式增加 了金刚石颗粒 的抗 热解 能力_ 1 ] 。一旦金 刚石 颗 粒有磨损, 刀翼上新的锐利 的金刚石颗粒将被暴露 出来 , 钻头表面持续更新 , 可 以保证破岩速度不变 。 图 2 涡轮钻具结构 F i g . 2 S t r u c t u r e o f t u r b i n e t o o l 为配合高速涡轮钻具 , 钻头采用母扣设计 , 并配 有保径部分 , 保径部分可以省去底部稳定器 , 而且能 够保证井眼质量更优 , 侧面 的导流水道 和冠体设计 可 以提高钻头的降温和 自清洗效果E ] 。 牵 2 1 5 . 9 mmK7 0 5 T B P XC孕镶金 刚石钻头是针 对最硬且研磨性最强的地层 、 专门为配合高速涡轮 使用而设计 的。钻头 刀翼 数量 8个 , 4 1 3 . 0 mm 面 部齿 6 4个 , 4 1 3 . 0 mm 保径齿 1 5个 , 4 1 3 . 0 mm 心 部齿 5个。钻头新增 的涡轮套筒减轻了在使用涡轮 时 的振动 , 热稳定 聚晶金刚石提供了额外 的保径保 护 , 能保持保径井眼尺寸和延长钻头寿命 , 增加进尺 , 减少起下钻次数; 在每个刀翼上部增加 了切削齿 , 可 在起钻中发生缩径时倒划眼作业 , 减少潜在的卡钻危 险。该钻头适合涡轮转速 1 2 0 0 2 0 0 0 r / mi n , 排量 1 4 0 0 3 0 0 0 L / mi n , 适 用钻 压 5 0 1 0 0 k N。 3 应用效果分析 3 . 1 钻头减振保护技术 2 0 1 2年在不 同区块 4口井 的不 同井段应用 了 水力加压器 , 基 本解决 了钻 遇不均质 地层 蹩跳 钻 以及 由此 引起 的不能全 压钻进 的问题 , 牙轮 钻头 因跳钻引起 的断齿和 P D C钻头复合片崩裂 的现象 明显减少 , 使用井段平均机械钻速提 高了 4 7 . 8 8 见表 1 , 4口井 的总施 工时 间由 3 7 . 1 4 d缩短 为 2 5 . 1 1 d 。 表 1 水力加压器现场施工技术参数 Tab l e 1 Fi e l d a p pl i c a t i o n da t a s h e e t of h y dr a ul i c t hr us t e r 注 ④ 指 同类型井同井段的平 均机械钻速 。 肯基亚克油田 K M l 井用百施特 牵 3 1 1 . 1 m m MS 1 9 5 2 S S P D C钻头钻进 , 由于采用 了钻头保 护技 术 , 该 钻 头 累计 进 尺 2 4 4 7 m, 累 计 纯 钻 时 间达 8 8 5 . 5 h , 创下单井单只钻头进尺之最 。而 S A - 3 9 井 同样使用了一 只 4 3 1 1 . 1 mmMS 1 9 5 2 S S P D C钻头, 由于未采用钻头保护技术 , 钻头复合片崩坏 , 仅钻进 石 油 钻 探 技 术 5 5 5 1 T I , 纯钻 1 3 2 . 5 h就报废 。 3 . 2自动垂直导向钻井技术 2 0 1 2年 , 采 用 Ve r t i Tr a k垂 直 导 向工 具 和 P o we r V垂 直导 向工 具在扎 那诺 尔油 田 6 9 1井 、 5 2 0 3 井和南阿里别克里海油 田 S A_ 一 5 1 井、 S A- 6 8 井 进行试验 。结果表明, 机械钻速提高明显 , 工具使用 井段平均机械钻速较以往提高了 8 3 . 3 见表 2 , 4 口井 的总施工时间由 1 2 2 。 6 8 d缩短为 6 8 . 6 1 d 。 表 2 垂直导 向工具现场应用效果 Ta bl e 2 Fi e l d a ppl i c a t i o n da t a s h e e t o f v e r t i c a l g ui d a nc e t o ol 井号使用 1 搬 TI m 謦 h 对 ITI h m ‘ 6 9 1 1 5 8 1 ~ 2 0 9 3 5 1 2 4 . 1 6 2 . 4 4 5 2 0 3 1 5 2 9 ~ 2 1 1 1 5 8 2 5 . O6 2 . 4 4 SA一 5 1 1 2 6 9 ~ 3 0 6 9 1 8 0 0 3 .9 5 2 . 3 4 SA一 6 8 7 6 O~ 2 5 0 0 1 7 4 0 4 . 7 7 2 . 4 1 平均 4 . 3 8 2 . 3 9 注 ① 指 2 0 1 1 年同类型井同井段 的平均机械钻 速。下 同。 3 . 3 “ MWD 弯螺杆” 钻井技术 希望油 田二开生产井设计井深 2 4 0 0 I T I 左右 , 在 7 2 0井二开 2 1 5 . 9 mm井眼易斜井段首先试用 了“ MWD弯螺杆” 钻井技术 , 与只使用螺杆 、 未使 用 MWD无线随钻仪器 的邻井 7 1 9井相 比, 二开机 械钻速提高 1 . 4 0 m/ h , 钻井周期缩短 4 . 2 5 d 。随后 在同类型的 6口井中进行 了推广应用 , 具体施工数 据见表 3 。 表 3 “ lV l WD 弯螺杆” 钻井技术现场应用效果 Ta bl e3 Fi e l d 叩 p l i c a t i o n e f f e c tof M W D wi t h b e ntPDM 昌 使用井段/ 进尺/ 机械钻速/ 对 比井钻速/ ⋯ m m m h 一1 m h 1 7 2 0 井 9 5 2 2 3, 4 0 1 3 8 8 7 . 7 1 5 . 6 1 7 2 5井 9 3 6 2 1 5 0 1 2 1 4 6 . 4 9 5 . 6 1 6 5 3 井 1 3 0 5 2 3 1 3 1 0 0 8 6 . 5 5 5 . O 0 6 7 3井 1 1 6 6 2 1 3 6 9 7 0 6 . 2 6 5 . O 0 5 9 1井 1 2 0 5 2 2 6 6 1 0 6 1 5 . 5 7 5 . O 0 6 1 2井 9 8 0 2 0 4 0 1 0 6 0 8 . 3 8 5 . 6 1 6 1 3井 9 3 8 ~1 9 1 0 9 7 2 5 . 8 4 5 . 6 1 平均 6 . 6 2 5 . 5 7 由表 3可见 , 使用井段的平均机械钻速提高 了 1 . 0 5 m / h , 同比提高 1 8 . 8 5 。7口井的总施工时间 由 1 0 2 . 1 1 d 缩短为 7 8 . 7 1 d , 节约钻井时间 2 3 . 4 0 d , 取得 了良好效果 。 从 自动垂直导向钻井技术和“ MWD弯螺杆” 钻井技术的应用效果对 比可见 , 前者的提速效果明 显优于后者 , 但垂直导向系统的使用成本过高, 更适 合应用于井身质量要求特别严格 的井 。 3 . 4 “ 高速涡轮孕镶金刚石钻头” 钻井技术 2 0 1 2年以来 , 相继在希望油 田 T一 1 井 、 DZ H- 1 井、 肯基亚克油 田 KM一 1 井、 阿克陶地 区 K一 1 1 9井 、 AK 一 1 0 6井 、 耶森 1井等 6口井的泥灰岩地层使用 了 2 1 5 . 9 mmK7 O 5 T B P X C型孕镶金刚石钻头高 速涡轮钻具组合 , 取得了良好效果 , 现场施工情况见 表 4 。 表 4 但 1 5 . 9 m mK7 0 5 钻 头高速涡轮应用效果 T a b l e 4 Ap p l i c a t i o n e f f e c t of 2 1 5 .9 mmK7 0 5 b i t h i g h s p e e d t ur b i ne 从表 4 可以看出, 使用该钻井技术的 6口井平均 机械钻速提高了 1 . 6 8 m/ h , 与以往完成井同井段的 机械钻速相比提高了 1 3 7 9 / 6 。6口井的总施工时间由 1 9 2 . 9 0 d缩短为 8 6 . 1 1 d , 共节约钻井时间 1 0 6 . 7 9 d 。 4 结论 1 水力加压器钻头保护技术、 自动垂直导 向技 术 、 “ MWD弯螺杆” 钻井技术和“ 高速涡轮 孕镶 金刚石钻头” 钻井技术在哈萨克斯坦滨里海油 田进 行 了现场应用, 有效提高了该油 田的机械钻速。 2 2 0 1 2年以来, 上述钻井提速技术 已在滨里 海油 田 1 8口井中进行了应用 , 效果 良好 , 可在滨里 海油 田及国内类似地层推广应用。 3 滨里海油 田钻井提速还有一定空间, 国内旋 冲钻井技术 、 滚子扶正器 扶正减振技术 、 P D C钻头 配合低速螺杆及减振工具高效钻井技术等 已经成 熟 , 建议在滨里海油田钻井中进行试验与应用 , 以进 一 步提高钻井速度。 参考文献 Re f e r e n c e s r 1 ] 谭春飞, 蔡镜仑. 提高扎纳诺尔油田钻井速度的试验研究[ J ] . 第4 1卷第 3期 徐泓等. 哈 萨克斯坦滨里海油田钻井提速技术 j 0 3 [ 2 ] [ 3 3 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] 石油钻采工艺 , 2 0 0 3 , 2 5 5 3 0 3 3 . 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