复合冲击钻具的研制及现场试验

为了进一步提高硬地层的机械钻速,同时控制PDC钻头的黏滑振动,将扭力冲击器和旋冲钻具的特点相结合,研制了同时给PDC钻头提供高频单向轴向冲击和往复扭转冲击的复合冲击钻具。通过地面试验验证了复合冲击钻具的可行性并测试了其性能,结果表明,复合冲击钻具能实现轴向冲击和扭转冲击功能,冲击频率、冲击功和压降随排量增大而增大,随喷嘴直径增大而减小。在葡4-32井的现场试验结果表明:使用复合冲击钻具后,与邻井“螺杆+PDC钻头”复合钻井相比,机械钻速提高了60.2%;试验过程中,PDC钻头未出现黏滑振动和崩齿现象。研究结果表明,复合冲击钻具能提高硬地层机械钻速,并能控制PDC钻头的黏滑振动,起到保护PDC钻头的作用。      

陀螺减振工具与PDC钻头在花岗岩潜山地层的应用

PDC钻头在硬地层中钻进时易发生黏滑振动,导致钻速低、进尺短。采用陀螺减振工具和优化设计PDC钻头的方法减少在花岗岩潜山地层中钻进时的黏滑振动,以延长钻头寿命。陀螺减振工具配合个性化PDC钻头在乍得花岗岩基岩井段630~869 m进行试验,取得进尺239 m、纯钻时间54 h、机械钻速4.44 m/h的良好效果,与邻井3只PDC钻头进尺小于11 m、钻速低于1.23 m/h相比,钻头指标大幅度提高,与邻井43只牙轮钻头相比,平均机械钻速提高97.33%,平均进尺提高54.19%。该技术可在花岗岩潜山水平井、硬地层及软硬交错地层推广应用。     

近钻头扭转冲击器破岩机理及应用

PDC钻头是超深井硬地层主要的破岩工具。由于黏滑振动引发的PDC钻头过早失效是造成超深井钻井成本增加的一个重要因素。本文针对PDC钻头的黏滑振动效应,理论分析了黏滑振动机理,建立了PDC钻头黏滑振动系统的力学模型,并用高频低幅扭转冲击器及优化钻头结构的方式来消除钻头的黏滑振动。研究结果表明:PDC钻头长度越长,能量衰减越快,扭转冲击能量传递效率越低;PDC钻头截面积越大,长度越小,高频扭转冲击器冲击系统能量传递效率越高。新疆塔里木盆地XK3井试验表明,扭转冲击工具与常规钻具相比机械钻速提高1倍以上,能够有效消除PDC钻头的黏滑振动效应,减轻钻柱扭转振荡,降低钻井成本。     

钻头扭转冲击器在元坝10井的试验

针对川东北地区尤其是元坝地区陆相下部地层常规钻井机械钻速低、单只钻头进尺少的难题,在元坝10井进行了“钻头扭转冲击器+PDC钻头”钻井试验,试验井段3233.30～3503.82 m,进尺270.52 m,纯钻时间81.0 h,平均机械钻速3.34 m/h,与同地层牙轮钻头钻进相比机械钻速提高3.04倍,与该井“螺杆+PDC钻头”复合钻进相比机械钻速提高2.59倍,PDC钻头工作寿命延长53 h。试验结果表明,钻头扭转冲击器配合PDC钻头钻井可解决复杂地层钻头寿命不高和机械钻速低的难题,拓宽了PDC钻头的应用范围。介绍了钻头扭转冲击器的技术背景、工作原理、特点和技术参数及在元坝10井的试验情况。      

扭转冲击器在金跃7-1井的现场试验

为解决我国深井钻井速度慢和成本高的问题,需要抑制"黏滑振动"对PDC钻头的影响,为此而提出一种新的钻井提速工具——扭转冲击器。该工具可以将钻井液的部分液动能量转化为高频、周向振动,并直接作用于PDC钻头,保证下部钻具组合运动平稳,有效抑制"黏滑振动"对PDC钻头的影响,同时其高频的振动冲击也可以提高PDC钻头的破岩效率。扭转冲击器在塔里木油田金跃7-1井进行了现场试验,试验中工具工作稳定,提速效果达到了国外扭力冲击器同等水平,较螺杆钻具平均机械钻速提高了42%,在硬质泥岩地层提速更为明显,机械钻速提高了88%。试验结果表明扭转冲击器对深井钻井提速具有较好的作用效果。     

本期导读

<正>由于黏滑振动引发的PDC钻头过早失效是造成超深井钻井成本增加的一个重要因素。李玮等编写的《近钻头扭转冲击器破岩机理及应用》一文,分析了钻头黏滑振动机理,建立了钻头、钻柱黏滑振动系统的力学模型,通过使用高频低幅扭转冲击器及优化钻头结构的方式消除了黏滑振动的影响。试验表明,扭转冲击工具、PDC钻头与常规钻具、PDC钻头相比机械钻速提高了1倍以上。张茂林等编写的《吉木萨尔致密油钻井提速技术与实践》一文,在分析地层特征的基础上,通过优化井身结构、进行井眼轨迹控制、优化钻井液体系、开展个性化钻头及采取小     

北特鲁瓦油田水平井个性化钻头优选及应用

针对目前哈萨克斯坦共和国北特鲁瓦油田水平井钻井提速技术难题,通过开展地层地质特征、邻井钻头钻速、岩石力学特性、钻井参数等分析研究,优选出适合目标区块的个性化PDC钻头、配套钻井参数及钻具组合,并形成了钻头综合提速技术方案。现场应用情况表明,区块二开?311.2 mm直井段应用螺杆+江汉KS1952SGRX型PDC钻头+MWD随钻防斜钻进技术,在保证了井身质量的同时有效提高了机械钻速;三开?215.9 mm水平段应用旋转地质导向+Smith公司stinger齿Z516型PDC钻头,机械钻速和进尺均显著提高,且仅用一只钻头就钻完整个1000m以上的水平段。     

扭转冲击提速工具在文安区块的现场应用

钻具黏滑振动现象造成PDC钻头过早失效是限制PDC钻头在深井、超深井硬地层应用的一个重要因素。针对该问题,研制了扭转提速冲击工具。该工具通过给钻头提供一定频率的扭转冲击力,从而抑制钻具黏滑振动,提高钻速。通过室内实验验证了周期性扭转冲击外载能够有效地抑制PDC钻头的黏滑效应。现场试验结果表明,使用扭转冲击提速工具后的机械钻速提高了102%。该项研究结果为扭转冲击提速工具在钻井过程中的合理应用提供了理论依据。     

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。     

Q2-24井钻头优选试验研究

玉门油田青西地区地层可钻性变化较大，钻头选型困难，导致机械钻速较低。在Q2-24井钻井过程中试验应用了BEST公司的PDC钻头和HUGHES公司的三牙轮钻头，结果表明：该地区弓形山组地层开始直到中沟组泥岩段(2200～3500m)夹杂砂岩、砾岩的地层，使用小尺寸、大倒角的PDC钻头是适宜的，但需认真分析岩性及井下情况，并参阅邻井PDC钻头使用资料，确定合理的钻井参数和钻具组合，以提高机械钻速，缩短钻井周期；与国产钻头相比，HUGHES钻头的的机械钻速较高，钻头的轴承和胎体材质较好，与国产钻头相比，能承受更大钻压。     

自激振荡式旋冲工具在深井超深井中的试验应用

针对深井、超深井钻井机械钻速低的问题,根据调制水力脉冲激发钻头冲击振动的原理,研制了自激振荡式旋冲钻井工具。工具性能参数测试结果显示,工具产生的压力脉动与冲击力随排量的增加而增大。在塔河油田进行了3口井的试验应用,结果表明,自激振荡式旋冲钻井工具研制思路正确可行,与钻头类型、地层岩性、钻井液密度和排量等相关钻井参数具有良好的适应性,机械钻速相对提高31.8%~80.5%。自激振荡式旋冲钻井工具具有性能稳定、操作简单、使用方便、寿命长、延缓PDC钻头磨损等特点,可推广性较强,为深井、超深井钻井提速提供了一条有效的技术途径。      

周向冲击扭矩作用下PDC钻头的黏滑振动分析

黏滑振动是PDC钻头钻井过程中一种常见的现象,它会引起钻头过早失效、钻进效率低等问题,使钻井成本升高。在钻头上部安装一套扭力冲击器,可在钻进过程中给钻头提供一个周期性的高频周向冲击载荷,减少扭矩的积蓄时间,减轻PDC钻进过程黏滑振动。通过对周向扭力冲击器作用下的PDC钻头在钻井过程中的工况分析,结合钻头钻进力学分析和岩石破碎学,建立了PDC钻头在周向往复循环冲击载荷作用下的破岩力学模型。对其数值仿真后结果表明,在一定的冲击扭矩作用下,钻进岩石内聚力为40 MPa的岩层时,卡钻时间减少了51%。这说明对钻头施加周向冲击后可以减轻黏滑振动。研究结果可为周向扭力冲击器在PDC钻头钻井作业过程中的使用提供理论支撑。     

玉北地区深部地层扭力冲击器提速工艺

新疆玉北地区古生界沙井子组地层埋深4 000 m以上,岩石强度高;加之泥质岩含量高、塑性强,地层可钻性较差,提速困难。前期实践表明,沙井子组高塑性地层牙轮钻头的纵向冲击压碎破岩效果不佳,常规PDC钻头钻井反扭矩大,易产生“黏滑”现象,破岩效率低。为提高机械钻速,降低钻井综合成本,引入了国外的新型钻井提速工具——TorkBuster扭力冲击器,并通过匹配个性化PDC钻头、提高钻井液排量、合理控制钻压等配套技术措施,大幅度地提高了平均机械钻速。“PDC钻头+螺杆钻具”、“孕镶PDC石钻头+涡轮钻具”和“PDC钻头+扭力冲击器”3种钻井工艺的现场试验结果表明,扭力冲击器提速效果明显,平均机械钻速为6.42 m/h,与前期相比机械钻速提高了2~3倍。扭力冲击器钻井克服了深井高强度塑性地层的钻井难题,可进一步推广应用。     

大牛地气田山1段水平井PDC钻头研究与应用

大牛地气田山西组山1段水平井机械钻速低、钻井周期长,单只钻头寿命短、进尺少,不能满足优快钻井需要。为此,研制了新型双排切削齿P5235MJ型PDC钻头。以储层地质特征为基础,山1段岩心微钻头试验结果为依据,结合现场钻头使用情况,对钻头的冠部轮廓、布齿和水力结构进行优化。现场应用结果表明,该类型钻头对山1段地层适应性较强,与其他型号钻头相比,平均进尺提高44.91%,平均机械钻速提高34.52%。     

新型定向井PDC钻头的研制与应用

针对常规PDC钻头在胜利油田临盘区块定向井钻井施工中，工具面不稳定、难以控制、滑动钻进时钻压较小、钻速低的问题，研制出了一种新型定向井PDC钻头。该PDC钻头采用短剖面形状，特殊双重切削布齿结构，又对钻头进行了力平衡设计，把钻头的侧向力减到最小，增加了钻头工作时的稳定性。在临盘区块多口定向井的现场应用表明，新型定向井PDC钻头滑动钻进时钻压变化的敏感度小，工具面可控性好，复合钻进机械钻速和定向井机械钻速较常规PDC钻头都有较大幅度提高，且提高了钻井和下套管效率及井身质量。     

塔里木盆地巴什托构造带钻井提速关键技术研究

巴什托构造带地处塔里木盆地塔克拉玛干沙漠的西南边缘,已钻6口井普遍存在钻井周期长、机械钻速低以及钻井成本高的问题。通过分析认为,该地区地层抗钻特征认识不清楚、钻头选型针对性不强、井底钻具破岩扭矩不足是导致机械钻速低的主要因素。针对目前该区块钻井提速面临的主要问题,定量评价了难钻地层的抗钻特征,提出了分层钻井提速优化技术方案：软—中软—硬地层优选5刀翼PDC钻头配合大扭矩等壁厚螺杆,强化钻井参数,消除粘滑效应,提升破岩效率;研磨性地层优选非平面齿PDC钻头配合扭力冲击器,解决钻头吃入难的问题;灰岩地层优选PDC复合钻头配合单弯螺杆,实现定向段优快钻进。XX-10井通过实施的上述方案,同XX-4井相比,平均机械钻速提高99.54%,钻井周期同比缩短95.36%,提速效果显著,对加快该区块的油气勘探开发进程具有重要意义。     

AB1605型PDC钻头在JS17井组中的应用

为了提高川西洛带构造气田的机械钻速,分析了该构造二开井段PDC钻头使用情况,针对地层特点,结合现场设备状态,与钻头生产厂家合作,开发出AB1605型钢体和胎体式PDC钻头,并在JS17井组中进行了应用。结果表明,该钻头可适应地层岩性变化,能够钻穿细砾石地层,而且机械钻速大幅度提高,实钻中对钻具组合进行优化,减少起下钻次数,进一步缩短了钻井周期。在JS17井组中,实际钻井周期比设计缩短了33.75%~42.14%,2种尺寸PDC钻头都创造了该构造同类型钻机、相似井段、相邻区块钻井周期最短纪录。     

硬地层稳压稳扭钻井提速技术

采用PDC钻头钻进硬地层时,如果破岩扭矩较小或波动幅度较大,易造成钻头恶性振动和钻头使用寿命短,从而导致机械钻速低和钻井周期长。因此,建立了PDC钻头破岩所需门限扭矩的计算模型,以门限扭矩定量计算为核心、平稳传递钻柱应变能为手段,形成了硬地层稳压稳扭钻井提速技术。该技术通过优化井眼尺寸、选用合适的钻头和冲击类辅助破岩工具,降低破岩门限扭矩和门限钻压;通过选择合适的井下动力钻具,为钻头提供足够的破岩能量;通过选用减振工具和优选钻井参数,降低振动,保证钻头运动平稳。稳压稳扭钻井提速技术在夏河1井古生界硬地层进行了现场试验,二叠系机械钻速提高485.6%、全井机械钻速提高70.4%,取得了显著的提速效果。研究结果表明,稳压稳扭钻井提速技术能够提高硬地层机械钻速,可为复杂地层钻井提速提供借鉴。      

元坝区块陆相井钻井关键技术探析

以元陆10井为例对元坝区块陆相井钻井的关键技术进行了探析。该井在钻进中先后使用了空气锤钻井技术、PDC钻头+螺杆钻具复合钻井技术、进口PDC钻头+扭力冲击器钻井技术及孕镶金刚石钻头+高速涡轮复合钻井技术,有效克服了陆相地层岩性复杂、机械钻速低及易斜易漏等难题。其中进口PDC钻头+扭力冲击器钻井技术应用效果较好,平均机械钻速是常规钻井牙轮钻头的4.68倍,平均单只钻头进尺是常规钻井牙轮钻头的9.7倍。建议使用无固相钻井液体系,并在珍珠冲段之前结束使用扭力冲击器。