PDC钻头旋转齿技术在南海东部西江区块深部地层应用

南海东部西江区块深层古近系地层因地层可钻性较差、机械钻速(ROP)偏低、单只钻头进尺短,造成钻井周期长、作业成本高、井眼浸泡时间长、钻具遇阻和卡钻等复杂情况。为提高深部地层钻井作业效率,此文分析了西江区块地层特点以及常规PDC钻头在深部地层作业的缺陷,针对性地提出PDC钻头旋转齿钻头技术,该项技术很好地解决了机械钻速低和单只钻头进尺短的难题,在西江区块探井中应用,取得了显著的效果。井段平均ROP较邻井同井段提高31.46%,一趟钻完成进尺为1 421.0 m的作业井段,行程钻速为8.91 m/hr,整体行程钻速相比邻井平均水平提高89.57%,有效提高了古近系地层钻井效率,在该区块具有良好的推广价值。     

二次冲压成型钢齿牙轮钻头在复杂地层中的应用

段六拨油田Ф215．9mm井段需要钻穿明化镇组、馆陶组、东营组、沙河街组及孔店组地层，其中馆陶组地层因富含研磨性很强的砾石，对PDC钻头和普通钢齿牙轮钻头的破坏性很大，只能应用镶齿牙轮钻头钻进。该油田通常采取用1～2只普通钢齿牙轮钻头钻穿明化镇地层，然后用1只镶齿牙轮钻头钻穿馆陶组地层的措施，导致应用钻头数量较多、起下钻时间及钻井周期较长。为此，该油田在Nan203 Dir井试验应用了Ф215．9mm TuffCutter^TM新型钢齿钻头TC11，成功地实现了用一只牙轮钻头钻穿明化镇组及馆陶组地层，达到了减少钻头使用数量、缩短起下钻时间及钻井周期、降低钻井成本的目标。     

国外PDC切削齿研究进展

PDC切削齿是PDC钻头的基本切削单元,其性能的优劣对PDC钻头的钻进效果有着决定性的影响。为了提高硬地层、研磨性地层及非均质地层的钻井效率,降低作业成本,国外钻头厂商研发了一系列新型PDC切削齿。重点介绍了新型PDC切削齿的结构特征、破岩机理、优势和现场应用情况。国外钻头厂商在切削齿形状、材料优选和制造工艺等方面持续创新,创新设计的新型PDC切削齿层出不穷,极大推动了PDC钻头技术的进步,钻井性能得到不断提高,显著提高了机械钻速。建议开展混合PDC切削齿钻头的研发,进行精细化设计,充分发挥不同独特几何形状切削齿各自的优势,以适应硬度更高和研磨性更强的地层,为深水钻井、超深井钻井和干热岩钻井提速提效提供技术支撑。     

恒压恒扭提速工具在夏河1井的应用

针对夏河1井地层岩石硬度高,可钻性差,地层硬脆,存在蹩跳钻和易塌易漏等开发难点,对破岩机理进行深入分析,筛选适应该类地层的提速工具,提出了为钻头提供稳定扭矩和恒定钻压的工具,以增强钻头的破岩能力,并配合高效PDC钻头,从而提高了钻井效率。在夏河1井的上部地层一开ф406.4 mm井眼和二开ф311.2 mm井眼,试用了ф244.5和ф229.0 mm~2种尺寸的恒压恒扭提速工具,工具共入井9次,平均机械钻速3.26 m/h,累计进尺2 633.72 m,纯钻时间808.5h,与邻井BT5在相同井段平均机械钻速0.83 m/h相比,提高292.8%,提速效果显著,证明该工具在大尺寸井眼的复杂地层具有较高的推广应用价值。研究结果可为该工具后期的推广应用提供依据。     

五探1井?444.5mm井眼优快钻井技术

五探1井是中石油在川渝东部地区部署的一口风险探井,目的层为龙王庙组和灯影组,进陡山沱20m完钻。设计三开用?444.5 mm钻头从井深360 m钻至3 480 m,沙溪庙至嘉二3中部。通过对各层段的地层特性和邻井资料分析,识别到井塌、缩径、膏盐污染、井斜、井漏、磨钻头等工程风险。采用配强钻井装备、个性化PDC钻头、复合钻头、大尺寸大扭矩螺杆、优化钻井液性能、大钻铤钟摆钻具组合、优化钻井参数等技术手段,仅用58.56 d从井深323 m钻达3 550 m,?365.1 mm+?374.65 mm技术套管顺利下入预定井深,井身质量全优。创下川东地区?444.5 mm井眼最深、进度最快纪录,形成了下川东地区大尺寸超长井眼安全、优快钻井综合配套技术。     

PDC扩眼钻头的研制与试验

为了提高深井、超深井上部大尺寸井眼的钻井速度,常采用小钻头先钻一个井眼后再下入扩眼钻头扩眼的办法,由于改进牙轮钻头的难度较大。而PDC钻头在钻进软到中硬地层时具有钻速高、寿命长的特点,为此,在对深井大尺寸井眼的钻井特点、先钻后扩的破岩机理进行研究的基础上,研制了新型PDC扩眼钻头——PD6352SF- 311．1×444．5扩眼钻头。该扩眼钻头在DB1井φ444．5 mm井眼的平均机械钻速为21．68 m／h,与邻井莱深1井和郝科1井相比,分别提高了5．2％和38．0％,而且钻头起出后新度达80％,还可继续使用,从而进一步降低了钻井成本。     

特种孕镶块加强PDC钻头的研制与试验

为提高PDC钻头在研磨性硬地层中的机械钻速、延长钻头寿命,研制了特种孕镶块加强PDC钻头.该钻头以PDC切削齿为主切削元件,天然金刚石孕镶块为副切削元件,既具有常规PDC钻头破岩效率较高的特点,又具有孕镶金刚石钻头在研磨性硬地层寿命长的特点.在钻头开始工作时,主要为PDC切削齿"犁切"式破岩,当PDC切削齿磨损到一定程度后,天然金刚石开始磨削岩石,形成"犁沟",有助于 PDC切削齿吃入并切削岩石.该钻头在东北金山气田金古 1-1HF 水平井基底花岗岩硬地层进行了现场试验,平均机械钻速达到4.46 m/h,是同井同地层常规PDC钻头机械钻速的1.5倍,是2口邻井同井段牙轮钻头和常规PDC钻头机械钻速的2倍以上,其使用寿命也达到2口邻井同井段牙轮钻头和常规PDC钻头的2倍以上,取得了良好的现场应用效果.特种孕镶块加强PDC钻头的成功研制,为钻进强研磨性硬地层提供了一种新的高效破岩工具.      

堡古1井高温复杂地层PDC钻头的研究与应用

堡古1井为冀东油田第一口重点风险探井,位于河北省唐山市东南海域南堡油田4号岛上,设计井深5 396 m,为一口三段制四开定向井,设计井斜15 °,三开井段(φ)215.9mm钻头钻进井段3 550～4 918 m,地层为沙河街灰质泥岩、砾岩、玄武岩和砂泥岩互层段,岩性变化频繁,地层研磨性强,可钻性差,无邻井参考资料.为了提高该井段高温复杂地层条件下的钻井速度,经过对PDC钻头损坏机理研究,采用等切削和等磨损原则设计钻头,充分考虑高温复杂地层对复合片的冲击和研磨作用,及钻头工作的稳定性,分别从钻头冠部形状、切削齿尺寸、倾角、布齿密度、工作稳定性以及选齿等方面进行优化设计.通过在现场的实际使用,获得了良好的效果,对今后此类地层的钻头设计和选型具有较强的指导意义.     

剪切帽技术对PDC切削齿的保护原理及应用

套管开窗侧钻施工或套管钻井结束后,需要使用专门的钻头或磨铣工具磨铣套管或钻穿浮鞋、套管钻头等套管组件,然后才能进行后续地层的钻进。传统工艺是采用两趟钻或一趟钻完成,两趟钻浪费时间和成本,一趟钻对PDC切削齿的伤害较大。Varel钻头公司研发的剪切帽技术,其原理是在套管开窗或钻穿浮鞋、套管钻头等套管组件时可提供剪切作用,同时保护主PDC切削齿面。进入地层后,剪切帽快速磨损脱落,使切削齿高效钻进地层。现场测试结果表明,剪切帽可有效保护PDC切削齿不受损坏,提高机械钻速。介绍了剪切帽技术原理及其现场测试情况,以期推动我国用于套管开窗和套管钻井施工的一趟钻系统的发展。     

长宁页岩气区块?311.2 mm井眼PDC钻头个性化设计与应用

四川长宁页岩气区块地层岩性变化复杂,硬度高、研磨性强,底部含有燧石,可钻性差。为了有效提升机械钻速,缩短钻井周期,建立了该地层岩石力学参数剖面,深入分析了地层岩性及可钻性变化规律,通过针对性的钻头冠部轮廓及切削齿分布设计,受力、做功、力平衡分析与优化,形成了两种针对不同层段的PDC钻头。结果表明,二开?311.2 mm井眼机械钻速达到13 m/h,相比于同平台邻井,机械钻速提升了110%,纯钻时间节省了107%。在该模式下进行的钻头设计与应用流程,达到了提速增效的目的,对类似地层区域的个性化钻头设计具有积极的指导和借鉴意义。     

莫深1井Φ444.5 mm大尺寸井眼钻井技术

莫深1井位于新疆准噶尔盆地中央坳陷莫索湾凸起莫索湾背斜，设计井深7 380 m，其中Φ444.5 mm井眼钻达4 436 m，为当前国内最深的大尺寸井眼。根据莫深1井的实际情况优化水力参数，采用合适的钻头选型技术、个性化的PDC钻头设计及应用技术、有效地防斜打快技术、大尺寸螺杆复合钻井技术以及大排量、高泵压的强化水力参数技术，大幅度地提高了大尺寸井眼钻井速度。在确保井身质量和井下安全的情况下，莫深1井Φ444.5 mm井段平均机械钻速达到5.49 m/h，最大井斜角仅为1.1°。与这一区块邻井相比，在井眼尺寸大一级的情况下，莫深1井Φ444.5 mm井眼的钻井速度仍高于邻井相同井段。其实践经验对于提高深井、超深井钻井速度具有重要的意义。     

防泥包高效PDC钻头研制与应用

元坝地区前期实钻表明,上部陆相地层大尺寸(314.1 mm)井眼PDC钻头适应性差。为了加快元坝气田勘探开发、降低钻井成本及钻井提速,攻关团队针对沙溪庙组~自流井组地层开展了大尺寸PDC钻头研制。根据岩性特征和PDC钻头应用中存在的难点,采用PDC钻头防泥包技术、防崩齿技术、水力优化、强攻击性设计等技术,研制出个性化的新型大尺寸314.1 mm KS1362ADGR型PDC钻头。试验结果表明,同元坝先期PDC钻头指标相比,进尺提高64.5%、机械钻速提高37.33%;同比国外的"PDC钻头+扭力发生器"钻井,钻井成本降低2.5倍到4倍,提速提效成果十分显著,适合在元坝地区及类似岩性地层推广应用,推动了国产PDC钻头技术进步。     

莫深1井φ444.5 mm大尺寸井眼钻井技术

莫深1井位于新疆准噶尔盆地中央坳陷莫索湾凸起莫索湾背斜,设计井深7 380 m,其中φ444.5 mm井眼钻达4 436 m,为当前国内最深的大尺寸井眼.根据莫深1井的实际情况优化水力参数,采用合适的钻头选型技术、个性化的PDC钻头设计及应用技术、有效地防斜打快技术、大尺寸螺杆复合钻井技术以及大排量、高泵压的强化水力参数技术,大幅度地提高了大尺寸井眼钻井速度.在确保井身质量和井下安全的情况下,莫深1井φ444.5 mm井段平均机械钻速达到5.49 m/h,最大井斜角仅为1.1°.与这一区块邻井相比,在井眼尺寸大一级的情况下,莫深1井φ444.5 mm井眼的钻井速度仍高于邻井相同井段.其实践经验对于提高深井、超深井钻井速度具有重要的意义.     

新型PDC钻头设计与现场试验

为充分发挥PDC钻头在软到中硬地层钻进时钻速高、寿命长的特点,同时减少大尺寸PDC钻头钻进扭矩大的不足,进行了PDC钻头新型结构研究,以提高深井大尺寸井眼钻井速度。针对深井开孔尺寸较大的特点,对PDC钻头几何结构和切削结构进行了分析研究,提出了新型切削结构理论——钻扩型切削结构,该结构特点可降低PDC钻头的破碎功,改变切削力的分布,从而达到提高钻速、减小扭矩的目的。根据该理论设计、制造出的PDC钻头,在上部地层的大尺寸井眼钻进中取得了较好的应用效果,扩大了PDC钻头的应用范围。现场试验结果证明,新型切削结构设计降低了钻进大尺寸井眼的扭矩,合理地分配了破碎能量,提高了钻头稳定性和钻柱的抗振性,降低了钻头回旋趋势,从而达到较高的机械钻速和较好的定向控制。     

川东北海相地层PDC钻头优化设计及应用

针对川东北地区海相地层钻井速度慢、周期长等问题,采用室内试验、统计分析与理论研究相结合的方法,对海相地层抗钻特性进行分析,对高效破岩工具进行了优化设计,优选出适合海相地层PDC钻头的切削齿尺寸和后倾角。从剖面形状设计、布齿设计、力平衡设计和水力设计等方面对PDC钻头进行优化设计,研制出适合川东北海相地层高效钻进的个性化PDC钻头。现场应用结果表明,研制的P613MRR型PDC钻头能够大幅度提高机械钻速和钻头进尺,降低钻井成本,为海相地层的高效开发提供有力保障。     

新型多重复合切削钻头的研制

为提高钻头在研磨性硬地层中的机械钻速,延长钻头寿命,研制了新型多重复合切削钻头。该钻头采用"PDC复合片+锥形PDC齿+金刚石孕镶块"3级切削结构,以PDC复合片作为1级切削元件、以锥形PDC齿作为2级切削元件,以金刚石孕镶块作为3级切削元件。多重复合切削钻头具有PDC钻头、牙轮钻头和孕镶金刚石钻头的优点,使钻头既具有较高的机械钻速,又能保持较长的寿命。在青海东坪地区基底花岗岩地层的现场试验中,新型多重复合切削钻头进尺137 m,纯钻时间114.9 h,机械钻速1.19 m/h,比同井段HJ537G牙轮钻头进尺提高128.3%,机械钻速提高40%。多重复合切削钻头为强研磨性硬地层钻井提速提供了一种新型高效的破岩工具。     

PDC钻头厚层砾岩钻进技术探索与实践

为了降低海上钻井作业成本、提高作业效率,开发了PDC钻头厚层砾岩钻进技术。在保持普通PDC钻头快速切削性能的基础上,通过优选新型高强度PDC切削齿、改进钻头切削结构提高钻头的整体强度,通过采用后倾角渐变、力平衡设计、加强切削齿保护等方法提高钻头的稳定性,并且在使用中通过优化钻具组合、采用合理的钻井参数和"中低排量-中低转速-中高钻压"的平稳钻进模式预防PDC钻头在砾岩段的先期破坏,有效延长了钻头在砾岩钻进中的寿命。应用该技术实现了用PDC钻头在辽东湾一次性钻穿馆陶组和东营组上部疏松地层中垂厚近80m的砾岩段,有的井钻穿砾岩段后又直接钻下部中硬地层至完钻井深。采用PDC钻头厚层砾岩钻进技术,可以大量节省海上钻井作业时间,显著降低钻井费用。     

涠洲油田随钻井壁修整工艺的应用

海上油气田的开发以丛式井台的定向井为主,受地层非均质性、井眼清洁等条件限制,定向钻进中易产生不规则井壁,大斜度井易形成岩屑床等,导致起下钻阻卡、套管下入困难等问题。为此,在扶正翼上敷焊PDC切削齿,增加划眼和破坏岩屑床功能,形成随钻修整井壁的划眼器,改善井眼质量,进而实现钻井效率的提升。南海西部涠洲油田的现场应用表明,该工艺能够有效清刮渗透性砂岩井壁的厚泥饼、修整PDC钻头在软硬交错地层形成的不规则井壁,破坏大斜度井的岩屑床,减少短起下钻及通井次数,从而提高钻井效率。     

PDC钻头的新发展——PDC复合钻头

利用PDC钻头能在软地层获得高钻速的效果,利用天然金刚石钻头能在研磨性硬地层获得理想的钻速和寿命的特性,国外已出现了综合这两种钻头优点的PDC复合钻头。钻头的切削工作面沿其切削方向上相隔布着PDC齿和天然金刚石齿,而天然金刚石齿总是位于PDC齿之后,并且在出露尺寸上低于PDC齿;钻头的保径面上布有能抵抗研磨性地层磨损的几种性能各异的保径块。现场使用这种钻头的记录表明,其工作指标相当令人满意,而且单位进尺平均成本又低于其它类型钻头。     

合川地区丛式定向井钻井技术实践

针对合川地区丛式定向井钻井周期长、地层岩性不均、可钻性差、井漏、井塌等钻井技术难点,采取了优化井身结构、井眼轨迹设计及控制、优选钻头类型和钻具组合、优化钻井参数等技术措施,降低了井下复杂事故发生的机率,提高了机械钻速。认为在斜井段施工中针对不同的地层优选PDC钻头,增加单趟钻的钻井进尺,能减少起下钻次数,从而实现安全、快速钻井。