塔里木山前井涡轮配合孕镶金刚石钻头钻井提速技术.pdf

第 38 卷 第 2 期 2016 年 3 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING 2. College of Petroleum and Natural Gas Engineering, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 400030, China Citation WANG Shuchao, WANG Weitao, YU Song. Combination of turbodrill and impregnated diamond bit to enhance ROP in drilling of wells in piedmont zone, Tarim Basin［J］.Oil Drilling ROP enhancement in deep well; turbodrill; impregnated diamond bit; rock-breaking tool 第一作者王树超 （1962-） ， 1981 年毕业于华北石油学校钻井专业， 现从事科研管理和新技术推广应用工作， 工程师。通讯地址（841000） 新疆库尔勒市塔里木石油勘探开发指挥部第四勘探公司。电话0996-2173724。E-mailwangshuchao1 157王树超等塔里木山前井涡轮配合孕镶金刚石钻头钻井提速技术 深井、 超深井钻探过程中， 钻井提速技术是安 全、 快速钻井的基本保障之一。钻井速度的快慢直 接影响着钻井成本， 决定着钻井工程的经济效益［1-3］。 塔里木油田是我国当前增产上储的主要含油盆地之 一。山前博孜和克深区块是塔里木油田油气勘探开 发的重要区域之一。山前井常规钻进表明， 该地层 研磨性强、 可钻性差， 单只钻头进尺低， 机械钻速低， 钻井成本高。 当前深井、 超深井提速技术主要有欠平衡钻井、 脉冲射流钻井、 超高压水射流及扭转冲击钻井技术 等［4-6］。大量钻井实验表明［7-8］， 涡轮配孕镶金刚石 钻头钻具组合具有较高的耐研磨能力， 工作时间长， 动力输出功率大， 工作平稳， 井眼轨迹平滑。涡轮配 合孕镶金刚石钻头钻具组合能够满足塔里木油田山 前井强研磨性地层的提速要求。 1 涡轮钻具概况 Introduction of the turbodrill 涡轮钻具能将钻井液的高压液能转化为钻头高 效破岩的机械能。其组成部分有动力端、 轴承端、 辅 助装置。动力端是通过高能钻井液冲击多组叶片， 进而提供周向旋转的破岩动力。轴承端由传动轴和 多组止推轴承构成， 主要功能是促进扭矩稳定传递， 保护动力端和钻头。辅助装置包括 LC2 和多次旁通 阀等机构。LC2 安装在近钻头端扶正块位置， 主要 功能是防止卡钻， 一旦钻头卡死， 可以制动涡轮。多 次旁通阀在井漏的情况下， 可以实现钻具多次开关， 进行大颗粒堵漏后， 恢复正常涡轮钻进。 涡轮钻具主要技术特点（1） 涡轮钻具动力潜能 高， 可靠性好， 全金属结构， 工作性能稳定；（2）转速 8002 000 r/min， 适用孕镶金刚石钻头；（3） 轴向平衡 完美， 侧向振动小， 保护钻头等井下工具；（4） 井眼轨 迹平滑， 保护井壁完整， 有利于后期作业。 2 涡轮配合孕镶金刚石钻头组合 Combination of turbodrill and impregnated diamond bit 涡轮钻具轴承端的 PDC 止推轴承（如图 1）具 有较高的耐研磨能力， 可在超高温（233 ℃） 下作业， 并能够承受较大的轴向载荷。PDC 材质具有较小的 摩擦因数， 不受钻井液中存在的化学物质影响。轴 承的高承载能力和低摩擦因数可使其高效、 长寿命 运转。 孕镶金刚石钻头（如图 2） 为金刚石材料钻头中 的一种。钻头胎体里均匀包镶着金刚石颗粒。钻进 时胎体磨损， 金刚石颗粒能不断出露自锐， 高效切削 工作面岩石。胎体有一定高度， 外径略大于钻头体 外径、 内径略小于钻头体内径， 胎体的外侧面、 内侧 面和底面均有水槽， 使钻井液及时清洗破碎岩屑和 冷却钻头。 图 1 PDC 止推轴承结构示意图 Fig.1 Structure of PDC thrust bearing 图 2 孕镶金刚石钻头 Fig.2 Impregnated diamond bit 涡轮钻具配有长保径的母扣孕镶金刚石钻头 （如图 3） 。这能减少钻头的横向运动， 获得高质量的 井眼， 降低出现螺旋形井眼的风险。 图 3 带有长保径的母扣钻头 Fig.3 Box bit with prolonged gauge structure 3 山前井地层性质及技术措施 ation properties of wells in piedmont zone and applicable techniques 3.1 博孜 102 井 Well Bozi-102 博孜 102 井新近系康村组（3 7555 330 m） 分 3 个岩性段。上段岩性以灰质粉砂岩、 含砾细砂岩、 含 砾粉砂岩砂砾岩为主；中段岩性以中厚 - 巨厚层状 小砾岩、 砂砾岩、 泥质小砾岩为主；下段岩性以灰质 粉砂岩、 砂砾岩、 不等厚互层为主。 石油钻采工艺 2016 年 3 月（第 38 卷） 第 2 期158 该井涡轮配合孕镶金刚石钻头应用井段 4 591 4 974.19 m， 4 974.195 294 m。 钻具组合结构333.38 mm 孕镶金刚石钻头 241.3 mm 涡轮钻具 228.6 mm 钻铤 3 根 203.2 mm 钻铤 8 根 震击器 203.2 mm 钻铤 3根139.7 mm 加重钻杆6根139.7 mm钻杆。 机械参数钻压 40120 kN， 排量 3541 L/s， 立 压 2632 MPa， 转盘转速 4580 r/min。 钻井液性能密度 1.641.80 g/cm3， 塑粘 4550 mPa s， 屈服值 14 Pa， 初 / 终切 5/17 Pa。 3.2 克深 2-1-14 井 Well Keshen-2-1-14 克深 2-1-14 井白垩系巴什基奇克组（6 776 7016 m） 为 3 个岩性段。上段岩性以褐色、 棕褐色中 厚层 – 巨厚层状砂岩为主。中段岩性以棕褐色厚 – 巨厚层状砂岩夹薄层 – 中厚层泥岩、 粉砂质泥岩。 下段岩性以棕红、 浅棕色厚 – 巨厚层细砂岩、 中砂岩 为主夹薄 – 中厚层状泥岩。 该井涡轮配合孕镶金刚石钻头应用井段 6 784 6 858.27 m， 6 8766 947.54 m。 钻具组合结构215.9 mm 孕镶金刚石钻头 168.3 mm138 级 涡 轮 钻 具 158.75 mm 钻 铤 12 根 震击器 158.75 mm 钻铤 6 根 127 mm 非标钻杆。 机械参数钻压 5070 kN， 排量 2627 L/s， 立 压 3030.5 MPa， 转 盘 转 速 4555 r/min， 扭 矩 89 kN m。 钻井液性能密度1.881.89 g/cm3， 黏度6467 s。 3.3 工具操作技术要点 Key technical points for operation of relevant tools 钻具组合在应用过程需要进行井口测试、 起下 钻 / 划眼、 钻进等 3 个步骤。 在井口以小排量进行空运转试验， 检查涡轮钻 具是否容易启动及螺纹处有无渗漏。记录立管压力 和排量， 地面测试时最大压力不能超过 7 MPa。下 钻时， 严格控制下钻速度， 操作平稳， 严禁猛刹、 猛 放。 下钻遇阻不允许超过30 kN， 尽量避免用钻头划眼。 正常钻进时钻压控制 4010 kN， 转盘转速 50 r/ min。均匀送钻， 严防溜钻、 顿钻， 通过扭矩、 立管压 力等变化情况， 准确判断涡轮工作状态。钻进中若 钻头憋停， 应停顶驱， 再上提钻具， 然后启动转盘， 缓 慢下放钻具恢复钻进， 绝对不允许中间停泵。 4 山前井现场实验结果分析 Field test results of wells in piedmont zone 4.1 博孜 102 井 Well Bozi-102 在应用井段中使用了 2 只 333.38mm 孕镶金 刚石钻头， 与邻井博孜 101 井相应井段使用的 2 只 PDC 钻头的实钻数据对比， 见表 1。 表 1 实钻数据对比 Table 1 Comparison of actual drilling data 井号钻井方式钻头层位钻进井段 /m 进尺 / 平均 /m 钻头数量 / 只纯钻时间 /h平均机械钻速 /m h-1 博孜 102 井 常规钟摆牙轮康村组3 9964 577582/72.758748.780.78 博孜 101 井 常规钟摆PDC康村组5 1075 352246/1232195.031.23 博孜 102 井 涡轮钻井孕镶康村组4 5915 294704/3522407.51.73 表 2 孕镶钻头与本井 PDC 钻头、 邻井钻头技术指标对比 Table 2 Comparisons for specifications of impregnated bit and PDC bit in the well and bits used in neighboring wells 井号钻井方式钻头层位钻进井段 /m平均进尺 /m 钻头数量 / 个 平均纯钻时间 /h 平均机械钻速/m h-1 克深 2-1-14 常规钟摆PDC巴什组6 7556 78429.001480.6 克深 2-1-14 常规钟摆PDC巴什组6 858.276 87617.731360.5 克深 205 井 常规钟摆PDC巴什组6 7846 947.5414.681028.20.52 克深 2-1-14 涡轮钻井孕镶 巴什基 奇克组 6 7846 858.27/ 6 8766 947.54 146.81171.752.05 由表 1 数据可知单只孕镶钻头平均进尺是 PDC 钻头的 2.86 倍， 是牙轮钻头的 4.84 倍。单只孕 镶钻头平均纯钻时间是 PDC 的 2.09 倍， 是牙轮钻头 的 2.17 倍。单只孕镶钻头的平均机械钻速是 PDC 钻头的 1.41 倍， 是牙轮钻头的 2.22 倍。 4.2 克深 2-1-14 井 Well Keshen-2-1-14 在应用井段使用了 1 只 215.9 mm 孕镶金刚石 钻头， 与邻井克深 205 井相应井段的 PDC 钻头实钻 数据对比， 具体如表 2。 159王树超等塔里木山前井涡轮配合孕镶金刚石钻头钻井提速技术 由表 2 数据可知单只孕镶钻头平均进尺是 PDC 钻头平均进尺的 610 倍。单只孕镶钻头平均 纯钻时间是 PDC 钻头平均纯钻时间的 1.72.5 倍。 孕镶钻头的平均机械钻速是 PDC 钻头平均机械钻 速的近 4 倍以上。 4.3 应用效果分析 Application results 涡轮配合孕镶金刚钻头钻井技术最大优势在于 工具工作时间长， 纯钻时效高， 能够提高单只钻头寿 命及进尺， 减少起下钻时间。 工具自带 23 个稳定器， 有利于提高钻具的稳 定性， 保护钻具及井下工具， 可提供良好的井眼条 件， 有利于提高固井和完井质量。 由于机械钻速的提高， 缩短了钻井周期， 减少了 钻井液对储层的浸泡时间， 有利于井壁稳定， 及保护 和发现油气层。 5 结论及建议 Conclusions and suggestions 涡轮配合孕镶金刚石钻头技术是高研磨性地层 提高钻井速度的有效技术， 是提速降本的有效手段， 有利于加快油气田勘探开发的进程。 建议在高研磨地层推广使用涡轮配合孕镶金刚 石钻头钻井技术。涡轮钻具正常工作时压耗大， 要 求在稳定的立压 2832 MPa 下工作， 建议在应用涡 轮配合孕镶金刚石钻头钻井技术前， 对钻机设备及 高压管汇系统进行认真评估。 参考文献 References ［1］ 沈忠厚 . 现代钻井技术发展趋势 ［J］ . 石油勘探与开发， 2005， 32 （1） 89-91. 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