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。      

新型钻井提速技术在南海东部古近系地层应用

针对南海东部海域恩平组、文昌组等深部古近系地层压实程度大、岩石抗压强度高,并且含硬夹层较多,地层可钻性差难题,为解决钻井作业过程中出现钻头吃入困难、机械钻速低、钻头磨损严重、起下钻频率高等一系列问题,提高对钻井效率和钻井成本控制。该文以南海东部某区块为例,通过总结以往常规钻头使用效果,并综合地层可钻性开展分析,优选出一套复合冲击器配合专用PDC钻头组合的新型钻井提速技术,并在深部古近系难钻地层进行现场应用和验证。结果表明,该钻井提速技术与邻井同垂深、同层位对比,机械钻速显著提高,钻井效率大幅提高。该钻井提速技术的成功应用可为后续类似难钻地层的提速提效提供技术参考。     

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。     

沙特B区块高效破岩钻井技术

沙特B区块为典型的高温高压低孔低渗砂岩储层,平均机械钻速2.25 m/h,平均钻井周期250 d。为了提高机械钻速,缩短钻井周期,进行了沙特B区块高效破岩技术研究与应用。根据建立的沙特B区块岩石可钻性剖面,以岩石可钻性为基础,不同类型钻头的现场实钻效果为依据,与钻头厂家共同研究优选出了该区块不同地层的钻头推荐方案;参照沙特B区块地层的可钻性,根据螺杆钻具和涡轮钻具工作特征参数,优选出了适用于该区块的螺杆钻具和涡轮钻具。现场应用表明,沙特B区块采用优选出的钻头推荐方案“螺杆钻具+PDC钻头”和“涡轮钻具+孕镶金刚石钻头”复合钻井方式可以实现高效破岩,使该区块平均机械钻速提高46.8%,钻井周期缩短23.3%。      

几种典型难钻地层提速方法

PDC钻头在极硬、强研磨性和软硬交错等非均质地层中,机械钻速低,使用寿命短,因此,需要采用新的钻井工具和方法解决难钻地层的钻井提速问题。针对硬脆性地层、硬塑性地层及强研磨性地层等典型难钻地层,提出了相应的提速提效钻头钻具组合方法。指出在硬脆性地层和硬塑性地层中,可分别采用液动冲击器+锥球齿金刚石钻头、扭力冲击器+尖圆混合齿钻头,以实现钻井提速;而对于硬地层定向段的提速,则可采用等壁厚大扭矩螺杆+混合钻头来实现。现场应用结果表明:这些提速提效钻头钻具组合大幅提高了机械钻速,降低了钻井成本,可推广应用。所得结论可为难钻地层的钻井提速方案选择提供参考。     

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。     

塔里木油田HLHT区块超深井钻井提速配套技术

塔里木油田HLHT区块储层埋藏深、上部地层松软和下部地层岩石可钻性差,导致出现机械钻速低、钻井周期长等问题,在将井身结构优化为塔标Ⅲ三开井身结构的基础上,把提速重点聚集于二开井段,通过分析地层的可钻性,优选钻头及配套提速工具,并结合钻井实践经验,制定了二开钻井提速技术方案:二叠系以上地层,采用长寿命大扭矩螺杆/国产高效螺杆+ STS915K型或MS1952SS型高效PDC钻头复合钻井提速技术;二叠系及其以下地层,采用Torkbuster扭力冲击器+U513M型或U613M型专用PDC钻头钻井提速技术。现场应用表明,HLHT区块超深井应用钻井提速配套技术后,平均机械钻速逐年提高,从5.55 m/h逐渐提高至8.82 m/h,平均钻井周期逐年缩短,从131.0 d逐渐缩短至86.1 d。这表明,HLHT区块超深井钻井提速配套技术提速效果显著,能够满足该区块超深井快速高效安全钻井的需要。      

元坝124井超深井钻井提速配套技术

元坝124井是元坝地区的一口重点探井。由于元坝地区陆相地层石英含量高、研磨性强、可钻性差,导致单只钻头进尺少,机械钻速低,钻井成本高。为此,首先评价了元坝地区前期的钻井提速技术:气体钻井技术、“孕镶金刚石钻头+涡轮钻具”复合钻井技术、控压钻井技术和“PDC钻头+螺杆钻具”复合钻井技术。并在此基础上,根据元坝124井所要钻遇地层的特征,制定了该井的钻井提速配套技术方案:一开采用气体钻井技术,二开采用“孕镶金刚石钻头+涡轮钻具”复合钻井技术,三开采用“PDC钻头+螺杆钻具”复合钻井技术。实钻表明,该钻井提速配套技术方案可行,能够大幅提高机械钻速,缩短钻井周期。该井平均机械钻速2.80 m/h,钻井周期253.84 d,是目前元坝地区钻井周期最短的一口井。      

玛湖含砾难钻地层防斜打快技术研究及试验

新疆玛湖凹陷是新疆油田增储上产的重点地区,二叠系砂砾岩沉积地层制约了钻井提速,且部分区块地层倾角引起井斜。针对该地区二叠系的地层特点,研发了FX-YC-172DE新型防斜打快钻井工具和个性化的PDC钻头设计。该工具运用偏轴防斜原理预防井斜,并以一定的频率给钻头施加机械冲击力,并把连续的射流变为脉冲射流,从而提高钻头破岩效率,个性化的PDC钻头针对牙齿崩坏问题,采用新型锥形齿、优化钻头结构设计,从而形成玛湖二叠系难钻地层防斜打快的组合技术。该技术在新疆玛湖二叠系含砾地层进行了试验,进尺338 m,机械钻速2.67 m/h,见到了明显的提速成效,井斜控制在1°以内,为玛湖二叠系难钻地层的防斜、提速提供了有效的技术手段。     

川南深层页岩气井大尺寸井眼一趟钻PDC钻头优化设计研究与应用

?406.4 mm大尺寸井眼钻井中通常采用大钻压、高转速等钻井参数，在高强度、高研磨性地层中钻进时，PDC钻头相较于在小尺寸井眼中振动更剧烈，切削齿更易崩损，单只钻头进尺及机械钻速受到影响。文章以川南Y202井区深层页岩气井的?406.4 mm钻头在自流井及须家河等高强度、高研磨性地层钻井为例，通过分析地层岩石力学特征及邻井钻头的使用情况，优选切削齿齿形、高耐磨切削齿材料、钻头刀翼数量，优化冠型剖面、钻头动态力平衡性能等，开展了大尺寸井眼PDC钻头优化设计研究。所设计的?406.4 mm大尺寸井眼PDC钻头X616K在配合大扭矩螺杆的情况下，成功实现该井区Y212井及Y215井两口井的大尺寸井眼一趟钻完成钻井作业，较邻井节约起下1～3趟钻的起下钻作业，缩短钻井周期2～3 d,提速效果显著。文章研究成果可为其他区块的大尺寸井眼PDC钻头优化设计提供参考。     

适合大港滨海区块硬地层的PDC钻头优化设计

大港油田滨海区块下部地层为含砂质泥质结构,岩石由泥质和砂质等组成,地层硬度高、研磨性强,单只PDC钻头进尺少、机械钻速低,制约了该地层的勘探开发进程。鉴于此,对PDC钻头的冠部轮廓、刀翼、布齿和水力性能等进行了优化设计,得到了适合该地层的M432215.9 mm七刀翼PDC钻头。大港油田滨海6井的现场试验结果表明,在同井段同尺寸情况下,M432215.9 mm七刀翼PDC钻头的平均进尺49.0 m,机械钻速1.540 m/h,牙轮钻头平均进尺22.5 m,机械钻速0.967 m/h;使用七刀翼PDC钻头提高了钻进速度,缩短了钻井周期。     

削减PDC钻头泥包提高机械钻速的技术途径

采用PDC钻头与水基钻井液配合方式钻进泥页岩地层时,如何防止钻头泥包成为提高钻速的一大技术难点。为此,首先介绍了国外水基钻井液和水基钻井液添加ROP增速剂的钻头提速室内模拟实验取得的成果;然后用典型实例分别评述了PDC钻头优化（结构、氮化处理）以及在泥岩段地层中应用水基钻井液添加ROP增速剂的提速效果。考虑到钻井液的费用和环保问题,认为加入ROP增速剂的水基钻井液配合抛光PDC钻头将是软泥岩地层提速的有效技术途径,其应用一定会有更广阔的前景。     

凸脊型非平面齿PDC钻头的研制与现场试验

常规PDC钻头在钻进塔里木油田库车山前巨厚砾石层时存在破岩效率低、机械钻速慢和钻井周期长等问题,分析认为,砾石对常规PDC钻头的平面齿产生较大冲击力导致切削齿崩齿或严重磨损是钻速低的主要原因。为此,设计了一种凸脊型非平面齿,并研制了配套PDC钻头,将钻头破岩方式由常规PDC钻头的面切削转变为线压裂和面挤压,大大提高了钻头破岩效率。室内试验表明,凸脊型非平面齿具有良好的抗冲击性能与抗研磨性能,抗冲击性能是平面齿的10倍以上。2只凸脊型非平面齿PDC钻头在库车山前地区博孜区块某井砾石层井段进行了现场试验,创造了机械钻速最高、单只钻头进尺最长的区块纪录,与邻井常规PDC钻头相比,进尺提高1.5倍以上,平均机械钻速提高64%以上,提速效果明显。研究与试验表明,凸脊型非平面齿PDC钻头能够较好地满足库车山前巨厚砾石层高效钻进的要求,可为库车山前深层天然气的高效勘探开发提供了技术支持。      

牙轮—PDC混合钻头的破岩特性及温度场变化

较之于常规的PDC钻头或牙轮钻头,牙轮—PDC混合钻头有着更好的破岩效果,其破岩过程产生的热量对其使用寿命和钻井效率都有着重要的影响,但目前对其破岩过程中温度场和破岩特性的研究还不够深入。为了给混合钻头的优化和推广提供理论支撑,基于有限元法、弹塑性力学等建立钻头破岩仿真模型,据此研究了破岩过程中的混合钻头温度场变化规律和破岩特性。研究结果表明:(1)牙轮主导型混合钻头破碎岩石时牙轮切削结构先冲击岩石,形成破碎坑,PDC切削齿再进行剪切,而PDC主导型混合钻头由PDC切削齿对岩石进行刮切形成沟槽,牙轮切削齿再对岩石进行破碎;(2)混合钻头在破岩初始阶段温度上升较快,一段时间后趋于平稳且钻压越大温度越高;(3)较之于PDC钻头和牙轮钻头,混合钻头破岩过程中温度更低,混合钻头破岩量大于单个PDC钻头和单个牙轮钻头破岩总量之和;(4)混合钻头在硬地层中的破岩温度高于在软地层中的破岩温度,而钻速则相反;(5)钻头破岩温度和破岩特性与其自身结构有关。结论认为,该研究成果有助于混合钻头的优化设计和推广应用。     

非均质地层锥形辅助切削齿PDC钻头设计与试验

为了提高PDC钻头在非均质地层中的机械钻速和延长钻头使用寿命,研制了带有锥形辅助切削齿的PDC钻头。该钻头以PDC齿为主切削元件,锥形齿和PDC齿为副切削元件,开始工作时以PDC切削齿剪切破岩为主,当PDC切削齿吃入地层到一定程度后,锥形齿开始犁削岩石形成裂纹,有助于PDC齿以较小切削力破碎岩石;相邻2个刀翼的后排齿分别布置锥形齿与PDC齿,用于钻头钻进后期的提速提效,既具有常规PDC钻头破岩效率稳定的特点,又具有锥形齿在非均质地层破岩效率高的特点。现场试验表明,与常规PDC钻头相比,锥形辅助切削齿PDC钻头在非均质地层中使用寿命长、机械钻速高。锥形辅助切削齿PDC钻头的成功研制,为钻进非均质地层提供了一种新的高效破岩工具。      

苏里格区块上部井段PDC钻头研究与应用

大量的钻井实践证明,PDC钻头的剖面形状、切削齿尺寸、后倾角的大小、布齿密度的高低和流道喷嘴设计,对PDC钻头破岩效率和使用寿命有着十分重要的影响。针对苏里格区块2800 m以上井段地层特点,采用现场实践和数值模拟相结合的方法,确定出合理的剖面形状、切削齿尺寸及后倾角、布齿密度和水力结构,研制出?215.9 mmG1943型PDC钻头,该型号钻头在苏里格地区上部井段应用了10井次,平均单只进尺2154.31 m,平均机械钻速26.21 m/h,与临井对比机械钻速提高了29.62%。该型号钻头使用寿命长、机械钻速高,具有很高的推广应用价值。     

衡转矩钻井工具研制

PDC钻头在难钻地层钻进时有“憋跳钻”现象严重、钻头机械钻速低、单只钻头进尺低等问题。研制了一种衡转矩钻井工具,该工具采用弹簧+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,实现了钻井转矩波动的“消峰填谷”,平稳钻进。试验结果表明,衡转矩钻井工具设计合理、性能可靠,可满足直井和定向井工程需求,能够有效减少钻井转矩波动、提高钻头进尺及机械钻速。     

扭力冲击器在海上深部地层的提速效果评价

某海域A区块地质条件复杂,中深部井段地层岩性为花岗组灰色泥岩与粉砂岩、含砾细砂岩和中砂岩互层。钻井过程中可钻性差,钻头憋跳严重,机械钻速低。为提高钻井效率,在A3井深部井段采用扭力冲击器配合PDC钻头,开展了提高机械钻速的尝试。应用结果表明,该井的机械钻速比邻井提高了20%以上,有效减少了钻头卡滑现象,消除了钻头在井下运动时的不规则振动,延长了钻头使用寿命,同时为LWD等其他钻井工具的使用提供良好的工作环境。     

新型随钻取心钻头破岩提速工作机理

为了获得既能随钻取得岩心又不降低机械钻速的新型钻头,基于前人的研究成果和现有的设计方法,结合随钻取心钻头的结构与破岩特点,设计出了一款全新的随钻取心钻头,并利用台架实验与现场实验对其破岩特性、机械钻速进行测试,将测试结果与理论计算结果进行对比分析。结果表明:(1)新型钻头通过在钻头内部设计一个射流专用通道,经射流喷嘴流出的高压钻井液经过吸附通道产生负压作用,将携带所取岩心进入推送通道回到环空;(2)新型钻头提速增效的效果非常明显,在排量为25 L/s的现场实验中,其提速效果介于5%~40%;(3)实验室测试与现场实验新型钻头的破岩性能与理论计算结果吻合,验证了其可靠性。结论认为,新型钻头在破岩过程中具有"吸附下部岩屑、推送上部岩屑"的效果,可降低岩屑重复破碎率,提速增效效果显著。