扭力冲击钻井工具模拟分析及现场试验

对于硬度高、研磨性强的地层,PDC钻头在井底存在黏滑振动和寿命短等问题,制约了其进一步的提速提效。鉴于此,根据水力结构周向式振动原理,研制了扭力冲击钻井工具,并开展了现场试验。结合工具内部流体特性数值模拟分析以及室内模拟试验,分析了工具内部流道流体压力和流速的分布特性,以及扭力冲击钻井工具消减PDC钻头黏滑效应的机理。研究结果表明:现场试验中,扭力冲击钻井工具工作稳定,机械钻速平均提高64. 4%以上;高钻压下的钻进效率比低钻压下的钻进效率明显提高;纯钻30. 2 h的钻头起出新度在90%以上。扭力冲击钻井工具具有性能稳定、操作简单、使用方便、寿命长和延缓PDC钻头磨损等特点,是硬质地层钻井提速的有效手段。     

冲击类钻井提速工具专用PDC钻头设计与试验

针对冲击类钻井提速工具与PDC钻头不匹配的问题,进行专用PDC钻头设计与试验。分析了冲击类钻井提速工具与地层的适应性,得出扭力冲击器适用于深部硬塑性地层,螺杆式液动冲击器适用于深部硬脆性地层。通过模拟的方法,分析了钻头长度、截面积等结构参数对冲击能量利用率的影响规律,得出钻头截面积越大、钻头长度越短,冲击类提速工具冲击能量利用率越高,越能发挥出工具的冲击破岩能力。基于以上分析,结合硬地层PDC钻头优化设计原则,设计了冲击类钻井提速工具专用PDC钻头,主体刀翼5～7个、双排高密度布齿,切削齿后倾角20～25°。试验结果表明,专用PDC钻头与冲击类钻井提速工具的匹配性良好,但也存在一定的不适应性,需要根据现场应用情况进一步优化,着力增强钻头的耐磨性、攻击性和抗冲击能力。     

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。     

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。     

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。     

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。     

TorkBuster扭力冲击器在元坝地区提高钻速中的应用

针对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,中国石化近年来引进了“TorkBuster扭力冲击器+PDC钻头”钻井新技术,取得了较好的应用效果,同时也暴露出一些问题.为此,介绍了扭力冲击器的工作原理、特点和技术参数,对钻头扭力冲击技术在元坝地区的应用情况及现场应用中出现的问题进行了初步分析.应用结果表明:该技术在元坝地区钻井提速效果明显,单井机械钻速达到了2.45m/h,特别是在元坝10井、元陆9井,其机械钻速相比常规钻井分别提高了304％和322％,解决了该地区复杂地层机械钻速低的难题.     

中国石化超深井钻井技术现状与发展建议

为了促进中国石化超深井钻井技术进步,加快深部油气资源勘探开发步伐,在统计、分析钻井数据的基础上,介绍了近年逐步成熟和得以有效应用的气体钻井、"PDC钻头+螺杆钻具"复合钻井、"孕镶金刚石钻头+涡轮钻具"复合钻井、"PDC钻头+扭力冲击器"复合钻井、35 MPa高压喷射钻井、自动垂直钻井系统等超深井钻井提速技术。分析了普光气田、元坝气田及塔河油田等中国石化三大重点区域的超深井钻井技术现状:普光气田已钻井平均井深5 999.00 m,平均钻井周期232.06 d;元坝气田已钻井平均井深7 049.67 m,平均钻井周期439.47 d;塔河油田12区已钻井平均井深6 441.80 m,平均钻井周期102.85 d。分析认为,中国石化超深井钻井技术已达较高水平,但与欧美等石油工业发达国家相比尚有差距。最后,对中国石化超深井钻井技术的发展进行了思考,给出了发展建议。      

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。     

扭力缓冲器在新疆火山岩地层的应用研究

石炭系火山岩地层是新疆滴西地区主要勘探区域之一,但由于其埋藏深,岩石强度高,硬度大,且非均质性强,导致其研磨性强,可钻性差,PDC钻头先期损坏严重,平均机械钻速低,制约了油田高效快速开发的进程。为此,在滴西地区研究应用了扭力缓冲器,配合高效PDC钻头来提高钻井速度。滴西33井先后2次入井的钻探实践结果表明,采用扭力缓冲器钻井可以保证PDC钻头工作平稳,消除钻头粘滑现象,提高破岩效率。在滴西33井钻进263.93 m,平均钻速比邻井同井段提高了83.3%。扭力缓冲器的应用成功为深部火山岩地层钻井提速提供了一条新的技术途径。     

塔河油田液动射流冲击器+PDC钻头提速技术

为了进一步提高塔河油田深部硬地层的机械钻速,基于旋冲钻井技术理论与实践经验,开展了液动射流冲击器+PDC钻头提速技术研究与实践,探索液动射流冲击器与PDC钻头配合使用提高深部地层机械钻速的技术可行性。首先根据塔河油田深部硬地层的特点及与冲击器配合的要求,优选了PDC钻头;接着利用液动冲击器性能测试系统,测试了液动冲击器各结构参数对其性能的影响;最后根据测试结果及所优选PDC钻头的抗冲击性能,确定了液动射流冲击器的结构及性能参数。液动射流冲击器与PDC钻头配合在 S116-3 井、TP324井和TP328X井的奥陶系地层进行了应用,机械钻速与同井上下井段及邻井相同井段相比,提高了32%~45%。这表明液动射流冲击器与PDC钻头配合使用,可以提高塔河油田深部地层的钻速。      

玛湖油田玛18井区“工厂化”水平井钻井技术

玛湖油田玛18井区致密油气水平井钻井存在钻井速度低、钻井周期长的问题,为此,在分析该井区地层情况和钻井技术难点的基础上,进行了“工厂化”水平井钻井关键技术研究,包括成熟钻头序列优选、直井段采用“MWD+螺杆+PDC钻头”钻进、造斜段和水平段使用“旋转导向工具+PDC钻头”钻进、应用XZ高性能水基钻井液等,形成了玛18井区“工厂化”水平井钻井技术,多口井的现场应用结果表明,单井完井周期明显缩短。其中,MaHW6234和MaHW6235平台水平井单井完井周期缩短至86.0 d;MaHW6203井钻井周期缩短至78.8 d,完钻井深6 130.00 m,创玛湖油田水平井最深纪录。玛湖油田玛18井区“工厂化”水平井钻井技术为高效开发玛湖油田三叠系百口泉组致密油气藏提供了技术支持。      

随钻恒扭器在TH121125井的试验

塔河油田12区深部硬地层在钻井过程中,常因PDC钻头黏滑振动造成机械钻速较慢.为解决该问题,在TH121125井1 204.00~4 845.00 m井段试验应用了随钻恒扭器.结果表明:试验井段的扭矩波动小,比较平稳;与邻井相同井段相比,机械钻速提高了20.56%~59.65%,钻井周期缩短了21.08%~41.39%;试验井段的最大井斜角仅1.07°,最大井径扩大率仅6.42%,与邻井相比井身质量得到明显提高.试验结果表明,应用随钻恒扭器可以有效消除PDC钻头的黏滑振动,保护钻头及钻柱,有利于防斜打快,提高钻井速度.      

螺杆钻具配合PDC钻头快速钻进试验研究

综合分析了目前使用的ＰＤＣ钻头和螺杆钻具工作特性。介绍了ＰＤＣ钻头配合螺杆钻具在吐哈油田中深井中的快速钻进试验情况。试验结果表明，采用合理配套的钻具组合可大幅度提高机械钻速、降低钻井成本，经济效益明显。     

适用于长庆油田陇东地区的PDC钻头研发与应用

针对长庆油田陇东地区地层的岩性特征,在优化PDC钻头冠部剖面设计、布齿方法、切削角度和水力结构等的基础上,成功研制了PS263MF-222．3型钻头,在董63—61井和桐29—26井进行了试验应用并获得成功,打破了“长庆油田陇东地区不适宜用PDC钻头钻井”的旧观念。目前,该地区共推广应用该型钻头20余只,平均机械钻速27．85m／h,与牙轮钻头相比提高了77．86％,每钻进1000m可节约钻井时间27.95h,加快了长庆油田的勘探开发速度,具有较高的经济效益和社会效益。该钻头在陇东地区现场应用表明,螺杆配合PDC钻头的机械钻速比转盘配合PDC钻头的机械钻速低,这是由于地层较硬、门限钻压较高、对转速不敏感所致,因而P5263MF-222．3型钻头更适合于采用“低转速、高钻压”钻井参数模式钻进。     

希望油田优快钻井综合配套技术应用研究

中石油阿克纠宾油气公司希望油田位于哈萨克斯坦共和国阿克纠宾斯克州,计划钻井500口。该油田地质条件复杂,给优快钻井带来了很大挑战。针对希望油田存在的地层可钻性差、跳钻严重、井壁失稳问题突出、油层套管固井压力高和替浆困难等主要钻井难题,主要开展了PDC钻头优选技术、减震器减缓跳钻技术、盐膏层和MTK地层井壁稳定技术和油井套管固井等技术攻关和试验,形成了一套希望油田优快钻井综合配套技术。现场应用表明：优快钻井综合配套技术大幅度提高了钻井速度,降低了井下复杂发生的概率,实现了希望油田的钻井提速效果。     

新型PDC钻头在南堡油田的应用

针对冀东南堡油田的地层特点,对PDC钻头的冠部、布齿密度和方法、水力结构、稳定性等进行设计,研制出新型PDC钻头——PK5363S-311钻头。在冀东南堡油田将该钻头的钻探效果与同尺寸同井段所有钻头的钻探效果做比较分析。结果表明,PK5363S-311钻头的总进尺最高,是其它同井段钻头进尺的1.58倍;且该钻头的机械钻速较高,寿命达到设计要求,具有较高的推广应用价值。     

旋冲钻井在塔河工区超深井段的应用

为提高新疆塔河工区深部地层机械钻速,在该区块试验应用了旋冲钻井技术。针对新疆塔河工区深部地层岩性特点和钻头选型情况,优选出旋冲钻井匹配钻头,优化并确定出射流冲击器结构性能参数。使用改进后射流冲击器首先在塔河工区S116-3井中配合PDC钻头在超深井段进行探索性应用,验证射流冲击器+PDC钻头的可行性,应用井深达6 086 m。随之,在TP324井进行了长井段现场应用,实现了液动射流冲击器与PDC钻头配合实质性应用。S116-3井应用井段:5 998.41~6 086 m,TP324井应用井段为6 151.65~6 912 m,总进尺847.94 m,总纯钻时间314.02,机械钻速同比提高32%~45%。S116-3、TP324井应用结果验证了该技术在深井超深井的提速效果及可靠性,为塔河工区深部地层探索了新的途径。