衡转矩钻井工具在长庆油田的应用.pdf

２０１６年第４５卷第３期第８３页石油矿场机械犗犐犔犉犐犈犔犇犈犙犝犐犘犕犈犖犜２０１６，４５（３）８３  ８５文章编号１００１  ３４８２（２０１６）０３  ００８３  ０３衡转矩钻井工具在长庆油田的应用韩飞１，黄印国２，秦建兵３，李庆４（１．中国石油集团钻井工程技术研究院，北京１０２２００；２．中国石油集团渤海石油装备制造有限公司，天津３００２８０；３．盘锦辽河油田双兴实业有限责任公司，辽宁盘锦１２４０００；４．中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京１０２２４９）摘要在长庆油田刘家沟组等难钻地层，ＰＤＣ钻头钻进时“ 憋跳钻、粘滑” 现象严重，钻头机械钻速低，单只钻头进尺低。在庆１  １４  ６８井进行了衡转矩钻井工具的应用，钻井总进尺３１９ｍ，纯钻进时间８０ｈ，平均机械钻速３．９９ｍ／ｈ，有效提高了ＰＤＣ钻头在难钻地层的机械钻速及进尺。介绍了衡转矩钻井工具的工作原理、技术参数，并对现场应用情况进行分析。关键词ＰＤＣ钻头；衡转矩；工具中图分类号ＴＥ９２１．１文献标识码Ｂ犱狅犻１０．３９６９／ｊ檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪．ｉｓｓｎ．１００１  ３４８２．２０１６．０３．０２０图３射孔和固井非射孔起裂压力对比４结论１）套管滑套工艺具有施工排量大、钻后全通径及可选择性开采的特点，解决了常规机械封隔器分压改造的不足，为后期生产和作业提供了良好的井筒条件。２）实现在固井非射孔条件下直接投球进行分层改造。３）研发了压裂端口保护机构，避免了固井杂质对滑套开启的影响，并使得端口与水泥环接触面积，平均起裂压力比国外同类工具降低１０ＭＰａ，而射孔起裂压力高５～１０ＭＰａ。参考文献［１］ＲｙｔｌｅｗｓｋｉＧＬ．Ｍｕｌｔｉ  ｌａｙｅｒｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎｓｆｏｒｅｆｆｉｃｉｅｎｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｍｕｌｔｅｒｌａｙｅｒｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ［Ｒ］．ＳＰＥ１１２４７６，２００８．［２］ＲｙｔｌｅｗｓｋｉＧＬ，ＣｏｏｋＪＭＡ．Ｓｔｕｄｙｏｆｆｒａｃｔｕｒｅｉｎｉｔｉａ  ｔｉｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅｓｉｎｃｅｍｅｎｔｅｄｃａｓｅｄ  ｈｏｌｅｗｅｌｌｓｗｉｔｈｏｕｔｐｅｒｆｏｒａｔｉｏｎｓ［Ｒ］．ＳＰＥ１００５７２，２００６．［３］李先文，凌云，马旭，等．长庆气区低渗透砂岩气藏压裂工艺技术新进展［Ｊ］，天然气工业，２０１１，３１（２）２０  ２４．［４］ＢｏｚｅＴ，ＤｅｇｎｅｒＤ．Ｃｅｍｅｎｔｅｄｂａｌｌ  ａｃｔｉｖｉｅｄｓｌｉｄｉｎｇｓｌｅｅｖｅｓｉｍｐｒｏｖｅｓｗｅｌｌｅｃｏｎｏｍｉｃｓａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ［Ｒ］．ＳＰＥ１２４１２０，２００９．［５］ＨｏｓｓａｉｎＭＭ，ＲａｈｍａｎＭＫ，ＲａｈｍａｎＳＳ．ＨｙｄｒａｕｌｉｃｆｒａｃｔｕｒｅｉｎｉｔｉａｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎＲｏｌｅｓｏｆｗｅｌｌｂｏｒｅｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ，ｐｅｒｆｏｒａｔｉｏｎｓａｎｄｒｅｇｉｍｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｐｅｔｒｏ  ｌｅｕｍＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０００（２７）１２９  １４９．［６］朱玉杰，郭朝辉，魏辽，等．套管分段压裂滑套关键技术分析［Ｊ］．石油机械，２０１３，４１（８）１０２  １０６．［７］吕玮，张建，懂建国，等．水平井固井预置滑套多级分段压裂完井技术［Ｊ］．石油钻采工艺，２０１０，３２（４）５１  ５３．［８］付钢旦，桂捷，王治国，等．固井滑套压裂起裂压裂的预测及端口参数影响分析［Ｊ］，石油机械，２０１４，４２（５）８４  ８７．  收稿日期２０１５  ０９  ２９基金项目中国石油集团公司科技项目“ 水平井减阻降扭与管外封隔器等新工具研制” （２０１４Ｂ  ４３１４）作者简介韩飞（１９８２ ），男，辽宁葫芦岛人，硕士，主要从事从事石油钻井装备与工具研究。犃狆狆犾犻犮犪狋犻狅狀狅犳犜狅狉狇狌犲犅犪犾犪狀犮犲狉犻狀犆犺犪狀犵狇犻狀犵犗犻犾犳犾犻犲犱ＨＡＮＦｅｉ１，ＨＵＡＮＧＹｉｎｇｕｏ２，ＱＩＮＪｉａｎｂｉｎｇ３，ＬＩＱｉｎｇ４（１．犇狉犻犾犾犻狀犵犚犲狊犲犪狉犮犺犐狀狊狋犻狋狌狋犲，犆犖犘犆，犅犲犻犼犻狀犵１０２２００，犆犺犻狀犪；２．犅狅犺犪犻犈狇狌犻狆犿犲狀狋犕犪狀狌犳犪犮狋狌狉犻狀犵犆狅．，犔狋犱．，犆犖犘犆，犜犻犪狀犼犻狀犵３００２８０，犆犺犻狀犪；３．犘犪狀犼犻狀犔犻犪狅犺犲犗犻犾犳犻犲犾犱犇狅狌犫犾犲犡犻狀犵犐狀犱狌狊狋狉犻犪犾犆狅．，犔狋犱．，犘犪狀犼犻狀，１２４０００，犆犺犻狀犪；４．犆狅犾犾犲犵犲狅犳犕犲犮犺犪狀犻犮犪犾牔犜狉犪狀狊狆狅狉狋犪狋犻狅狀犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵，犆犺犻狀犪犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犘犲狋狉狅犾犲狌犿（犅犲犻犼犻狀犵），犅犲犻犼犻狀犵１０２２４９，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋ＳｅｒｉｏｕｓｂｉｔｂｏｕｎｃｉｎｇａｎｄｓｔｉｃｋｓｌｉｐｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｄｒｉｌｌｉｎｇｈａｒｄｆｏｒｍａｔｉｏｎｗｉｔｈＰＤＣｂｉｔｏｆ  ｔｅｎｒｅｓｕｌｔｉｎｌｏｗＲＯＰａｎｄｂｉｔｆｏｏｔａｇｅ．ＴｈｅｔｏｒｑｕｅｂａｌａｎｃｅｒｗａｓａｐｐｌｉｅｄｉｎＷｅｌｌＱｉｎｇ１  １４  ６８ｏｆＣｈａｎｇｑｉｎｇＯｉｌｆｌｉｅｄａｎｄｔｈｅＲＯＰａｎｄｄｒｉｌｌｉｎｇｆｏｏｔａｇｅｐｅｒｂｉｔｗｅｒｅｉｎｃｒｅａｓｅｄｔｈｅｔｏｔａｌｄｒｉｌｌｉｎｇｆｏｏｔ  ａｇｅｐｅｒｂｉｔｗａｓ３１９ｍ，ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｄｒｉｌｌｉｎｇｔｉｍｅｗａｓ８０ｈ，ａｖｅｒａｇｅＲＯＰｗａｓ３．９９ｍ／ｈ．Ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｆｅａｔｕｒｅｓａｎｄｏｎｓｉｔｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｏｒｑｕｅｂａｌａｎｃｅｒａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．犓犲狔狑狅狉犱狊ＰＤＣｂｉｔ；ｔｏｒｑｕｅｂａｌａｎｃｅｒ；ｔｏｏｌ长庆油田庆１  １４  ６８井位于庆城县蔡家庙乡，是陇东气开项目组的一口评价井。庆１  １４  ６８井存在大量难钻地层，其中３４３０～３７７０ｍ井段为刘家沟组地层，该地层下部含砾、可钻性差；３７７０～３９９０ｍ井段为石千峰地层，３９９０～４１７０ｍ为石盒子组地层；石千峰地层及石盒子组地层软硬交错夹层较多，均质性差。采用螺杆钻具＋ＰＤＣ钻头复合钻进上述地层时钻头“ 憋跳钻、粘滑” 现象严重，导致钻井机械钻速低、钻头进尺低。在刘家沟组地层钻进时，全新２１５．９ｍｍ（８英寸）ＰＤＣ钻头进尺仅为４０ｍ，平均机械钻速１．９ｍ／ｈ。ＰＤＣ钻头机械钻速低、进尺低的主要原因是钻头钻压和转矩不匹配，导致大量的轴向、横向及旋转方向上的振动［１  ３］。针对上述问题，从３６８０ｍ井深开始采用衡转矩钻井工具钻进，实现ＰＤＣ钻头进尺２２９ｍ。笔者认为衡转矩钻井工具能够保护钻头、提高机械钻速的功能通过本次试验得到了有效验证，解决了ＰＤＣ钻头在难钻地层寿命短、机械钻速低等难题。１原理及特点１．１基本原理［４  ５］衡转矩钻井工具采用弹簧＋螺旋导向机构的机械传动方式实时存储、释放钻井转矩能量，通过对钻头的破岩能量实时优化，实现钻井转矩波动的“ 消峰填谷” 。通过对钻压、转矩的调优化整，该工具能够有效地解决难钻地层钻井时的“ 粘滑” 、 “ 憋跳钻” 问题，实现钻头的平稳、高速钻进。１．２技术特点１）完全机械驱动，结构简单，操作简易。２）无须配备专用钻头。可与ＰＤＣ、扩眼器及牙轮钻头等配合作业。３）能够大幅提高机械钻速，提高钻头使用寿命。４）能够防止钻具粘扣，保护ＭＷＤ等工具，防止顶驱过载。５）可以实时优化钻压、转矩，减轻司钻作业的劳动强度。１．３主要技术参数最大外径１７８ｍｍ最大工作转矩２０ｋＮｍ最大工作拉力１６００ｋＮ最大工作温度１５０℃ 平衡转矩４～１０ｋＮｍ两端连接螺纹ＮＣ５０工具长度４０８９ｍｍ２现场应用２．１庆１  １４  ６８井概况庆１  １４  ６８井位于庆城县蔡家庙乡，设计井深为４３２５ｍ，井身结构为一开 ４４４．５ｍｍ钻头２１０ｍ／ ３３９．７ｍｍ套管２０８ｍ；二开 ３１１．２ｍｍ钻头１５２６ｍ／２４４．５ｍｍ套管１５２５ｍ；三开  ２１５．９ｍｍ钻头４３２５ｍ／ １７７．８ｍｍ套管４３２３ｍ。该井在三开井段进行了衡转矩钻井工具的应用，钻进地层为刘家沟组地层、石千峰组地层及石盒子组地层。刘家沟组地层底深３７７０ｍ，岩性为浅灰色、棕褐色砂岩夹棕褐色泥岩，下部含砾岩；石千峰组地层底深３９９０ｍ，岩性上部以棕红色含钙质结核泥岩和砂质泥岩为主，夹中厚层肉红色砂岩。下部为肉红色块状砂岩夹棕红色泥岩、砂质泥岩；石盒子组地层底深４１７９ｍ，岩性上部主要为紫红、黄绿色泥岩和细砂岩、砂质泥岩，下部为浅灰色含砾粗砂岩。４８石油矿场机械２０１６年３月  ２．２钻具组合衡转矩钻井工具在庆１  １４  ６８井应用的钻具组合为  ２１５．９ｍｍＰＤＣ钻头＋ １７８ｍｍ衡转矩钻井工具＋ １６５ｍｍ钻铤＋  １２７ｍｍ钻杆。２．３钻井参数衡转矩钻井工具在庆１  １４  ６８井应用的钻井参数为钻压６０～１００ｋＮ，转速６０～７５ｒ／ｍｉｎ，排量３２～４５Ｌ／ｓ，泵压１１～１８ＭＰａ，钻井液密度１．０８ｇ／ｃｍ３。２．４应用情况采用ＰＤＣ钻头＋螺杆复合钻井钻至井深３６８０ｍ（刘家沟下部）钻时变慢起钻，起出钻头破损严重。该新钻头进尺仅为４０ｍ，机械钻速１．９ｍ／ｈ，井口转矩跳动大（３～１８ｋＮｍ），多次憋停顶驱。从３６８０ｍ井深开始采用衡转矩钻井工具钻进，钻至井深３９９９ｍ进尺缓慢起钻。钻井总进尺３１９ｍ，纯钻进时间８０ｈ，平均机械钻速３．９９ｍ／ｈ。其中刘家沟组地层钻进９１ｍ，平均钻速１．８６ｍ／ｈ；石千峰组地层钻进２２０ｍ，平均钻速７．３５ｍ／ｈ，石盒子组地层钻进８ｍ，平均机械机械钻速３．６８ｍ／ｈ。３应用效果由于该井附近施工井数少，井距远，井型差异大，可比性低，故衡转矩钻井工具的应用效果主要与上一趟钻的复合钻进效果进行对比分析。３．１井口钻井转矩平稳上一趟复合钻井钻进刘家沟组中下部地层时， “ 憋跳钻、粘滑” 现象严重，井口转矩跳动大（３～１８ｋＮｍ），多次憋停顶驱。衡转矩钻井工具钻进时，有效消除了“ 憋跳钻、粘滑” 现象，井口转矩跳动平稳。钻进快时转矩大，跳动范围大（３～５ｋＮｍ）；钻时慢时转矩小，跳动范围小（０～１ｋＮｍ）。３．２机械钻速提高上一趟复合钻井钻进刘家沟组中下部地层时，平均机械钻速为１．９ｍ／ｈ。衡转矩钻井工具钻进时平均机械钻速３．９９ｍ／ｈ。其中刘家沟组下部地层钻进，平均钻速１．８６ｍ／ｈ；石千峰组地层平均钻速７．３５ｍ／ｈ，石盒子组地层平均机械机械钻速３．６８ｍ／ｈ。由于没有邻井数据对比，但衡转矩钻井工具在刘家沟组底部含砾地层的机械钻速接近了刘家沟组中下部地层机械钻速，认为衡转矩钻井工具有效提高了机械钻速。３．３单只钻头寿命、进尺有效提高上一趟复合钻井钻进刘家沟组中下部地层时，新钻头进尺仅为４０ｍ，起钻后钻头大部分复合片崩碎、脱层，钻头破损严重，如图１。衡转矩钻井工具钻进时，实现钻头钻越三个地层，钻头总进尺３１９ｍ。其中刘家沟组地层钻进９１ｍ；石千峰组地层钻进２２０ｍ；石盒子组地层钻进８ｍ。衡转矩钻井工具有效提高了ＰＤＣ钻头进尺，总进尺较复合钻进钻头进尺提高了２７９ｍ，同层刘家沟组地层进尺提高了５３ｍ。钻头起出后发现，最易磨损的外圈齿磨损较小，中心２个齿出现损坏。认为其为异常落物导致的中心齿非正常损坏（如图２），并肯定了衡转矩工具保护钻头的效果。图１复合钻进起出钻头图２衡转矩钻井工具钻进起出钻头４结论１）衡转矩钻井工具＋ＰＤＣ钻头钻进较螺杆钻具＋ＰＤＣ钻头复合钻进提速效果明显，机械钻速和单只钻头进尺得到有效提高。２）衡转矩钻井工具能够有效解决ＰＤＣ钻头在难钻地层寿命短、机械钻速低等难题，该工具的推广应用将拓宽ＰＤＣ钻头的应用范围。３）在庆１  １４  ６８井的成功应用为该技术的成熟完善积累了宝贵的经验，建议继续推广应用该技术，并拓宽到扩眼器及牙轮钻头等应用领域。参考文献［１］张晓东，易发权，张强，等．ＰＤＣ钻头与岩石相互作用规律试验研究［Ｊ］．江汉石油学院学报，２００３，６（２５）６４  ６５．［２］韦忠良，陈庭根．ＰＤＣ钻头钻进时扭矩影响因素研究［Ｊ］．石油钻探技术，１９９５，２３（１），５０  ５１．［３］韩春杰，闫铁．大位移井钻柱“粘滞一滑动”规律研究［Ｊ］．天然气工业，２００４，２４（１１）５８  ６０．［４］韩飞，郭慧娟，戴杨，等．ＰＤＣ钻头转矩控制技术分析［Ｊ］．石油矿场机械，２０１２，４１（１２）６９  ７１．［５］ＫｎｕｔＳＳ．ＤｒｉｌｌｉｎｇＤｉｆｆｉｃｕｌｔＦｏｍａｔｉｏｎｓｅｆｆｉ  ＥｃｉｅｎｔｌｙＷｉｔｈｔｈｅＵｓｅｏｄａｎＡｎｔｉ  ｓｔａｌｌＴｏｏｌ［Ｒ］．ＳＰＥ／ＩＡＤＣ１１１８７４，２００８．５８第４５卷第３期韩飞，等衡转矩钻井工具在长庆油田的应用 

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