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旋冲钻井技术在川渝地区的应用实践

时间:2016-07-01来源: 作者: 点击: 275次


 


 

摘要:为提高川渝地区天然气开发速度,缩短钻井周期,减低钻井投资,针对地层岩石坚硬、研磨性强,常规钻井技术钻头寿命短,平均机械钻速低。应用旋冲钻具提速工具,有效地解决了此问题,显著提高了钻头纯钻时间和机械钻速。从该工具的结构原理和破岩机理进行分析,研究了钻头的运行状态,通过川渝地区几口井的施工情况来看,有效地提高了PDC钻头破岩效率,提速效果明显,为该地区提速提供了一种有效的手段。

关键词:旋冲钻具;川渝地区;高频冲击;钻井技术

 

1.前沿

川渝地区地域辽阔,蕴藏着丰富的天然气资源,是天然气重点勘探区域,随着海相油气勘探理论不断深入研究,已相继开发了罗家寨、普光、元坝、涪陵页岩气等大型海相碳酸盐岩气田。其地质条件复杂,埋藏深,基本井深大都在6000米以上,钻遇地层层系多且岩性变化大,表现为储层深、断层多、压力体系复杂,常规压实理论不适用碳酸盐地层。其中陆相地层砂泥岩互层,砂岩多为硅质胶结,富含石英,岩性致密、硬度大、研磨性强且局部含有砾石,可钻性低。海相地层灰岩泥岩互层发育,岩性软硬交错,部分地层含硅质页岩、硅质灰岩、硅质细砂岩,对钻头破坏性大。地层的非均质性大大制约了钻井速度,当采用传统的牙轮钻头、PDC钻头及喷射钻井装置的旋转钻井方式时,钻井速度低下,效率较低,钻头寿命短,钻井周期长,钻井成本高等难题。旋冲工具采用螺杆和冲击工具组合,破岩方式结合了顿钻和旋转钻井的两种破岩方式,通过机械和液力相互作用产生振动力直接作用在钻头上,从而增强钻头的破岩能力,大大提高破岩效率,达到提速效果。

2.旋冲工具+PDC钻头破岩机理

2.1旋冲工具结构原理分析

旋冲钻具主要由马达、可调弯角外壳及液力锤组成(见图1)。动力总成为钻头提供转速和输出扭矩;液力锤由上、下心轴,凸轮/滚轮机构及滚柱轴承组组成,轴向冲击轮动由凸轮和滚轮总成实现。通过机械和液力相互作用产生振动力直接作用在钻头上,工具敲击力与所加钻压相关,提离井底即停止敲击,钻压将钻头与地层紧密接触,钻头不离开井底,不会对钻头和钻具造成损害;两个芯轴之间的相互啮合同样向工具的外壳提供轴向动力,达到有效传递钻压的作用。


2.2 旋冲工具钻井破岩机理

由岩石力学特性规律可知,岩石的破坏与外载荷的大小和作用速度有关。当井底不规则的岩石表面受到钻压的作用时,随着作用力的增加下,岩石先期产生弹性变形,之后出现微裂纹和放射裂纹,随之形成一个长而窄的岩屑破碎区,岩石表面突然破裂,出现许多贝壳状的破碎,发生崩落后被工具吃入。在旋转作用下,两坑穴间脊部被剪切掉形成体积破碎。一个牙齿压入岩石后,在井底平面内周向移动时,连续完成多次冲击,在一定静压力作用下,应力波形式传递的冲击力能有效作用到岩石上。

旋冲工具的特性是在旋转的钻头上施加高频冲击力,岩石在冲击载荷的作用下,冲击点的作用力来不及重新分配,该点的应力便很快接近或者超过岩石的强度极限。这种冲击载荷的瞬时作用和应力集中特性,岩石不易产生塑性变形而脆性增加,使其产生微裂隙,同时有利于岩石中原有裂隙进一步扩展,岩石强度降低,形成体积破碎,从而大大提高岩石破碎。

高频冲击载荷特点是接触应力瞬时可以达到高值, 冲击点的作用力来不及重新分配,产生局部应力集中,在岩石内部非常容易产生微裂纹,随着冲击力的增大逐渐形成裂缝,将大大降低岩石的强度。当冲击载荷足够大时,应力很快接近甚至超过岩石抗压强度,产生脆性破岩,岩石体积崩离。高频冲击作用在井底岩石表面上会形成延伸程度不同的裂纹,一方面有助于产生剪切体,另一方面有助于旋转剪切破碎岩石。同时两次冲击之间所形成的岩石脊部很容易被剪切掉, 实现高效率体积破岩,从而大幅提高钻速。

旋冲钻进过程中,钻头具有两个方向上的作用力:一是径向方向的旋转切削力,具有切削破碎岩石的作用;二是轴向方向的静压力及冲击力,具有静、动载破碎岩石的双重作用。这两个方向上的力是相辅相成的,作用机理见图2

旋冲钻井破岩机理

2.3旋冲工具技术特性

1)纯机械装置,采用优化的水力结构和高耐磨材料,与螺杆尺寸一致,代替螺杆的轴承总成。适用温度高,可满足深层高温钻井的工况。

2)采用了油密封总成,全部钻井液可以通过钻头,部分水力能量转化为动能,使钻头获得更优化的水力能量。

3)旋冲工具冲程为3-13mm,冲击频率为马达转速的3倍或4倍,高频轴向冲击,有效提高钻进效率。

4)工具依靠钻压激活,提离井底时自动解除。加压后,井底钻具产生轴向高频蠕动,克服摩阻,减少托压及粘滑振动的发生,有效的提高钻压传递。

5)消除钻头切屑的分子啮合,避免钻头粘滑、跳钻,保证钻头平稳切屑与钻进,延长钻头的使用寿命。

6)能够提高井身质量,减少钻具损坏,尤其对于深井硬地层。

(7)改善了PDC钻头工作原理,有效地避免了粘滑和不规则地震动摆动,加上高频冲击力辅助钻头剪切岩层,提高PDC钻头的适用性和耐久性。

(8) 液动脉冲辅助破岩。液动旋冲工具内部独特的液力冲击转化机构,改变了钻井液水力流场,形成了高频的水力脉冲波动,提高了井底岩屑的清洗和运移,减少岩石重复切削,进一步提高钻速。

3.应用实例

3.1 ××井使用情况

××井是四川盆地川东北构造带一口重点直探井,通过对旋冲工具的原理和结构特点进行分析,将旋冲工具配合高效PDC钻头应用,避免钻头粘滑、跳钻,保证钻头平稳切屑与钻进,延长钻头的使用寿命。

旋冲钻井技术在二开井段3493.26-3827.1m,进尺333.84m,平均机械钻速3.12m/h。钻具组合为φ406.4mmPDC钻头+φ285.7mm旋冲工具+φ244.5mm钻铤×2+φ402mm扶正器+φ244.5mm钻铤×4+φ203.2mm钻铤×5+φ203mm随钻震击器+φ139.7mm加重钻杆×12+φ139.7mm钻杆,钻井参数为钻压160KN ,转速70r/min ,排量53l/s,泵压25MPa

四开井段6228-7050.55m使用了国民油井产旋冲钻具,进尺822.55m,平均机械钻速3.12m/h。钻具组合为φ241.3mmPDC钻头+φ172mm旋冲工具(编号FH36B-675-22+φ165mm钻铤×1+φ237mm扶正器+φ165mm钻铤×14+φ203mm随钻震击器+φ127mm加重钻杆×12+φ127mm钻杆×210+φ139.7mm钻杆,钻井参数为钻压160KN ,转速55r/min ,排量30l/s,泵压27MPa

××井旋冲工具使用数据统计表

井眼尺寸mm

钻头型号

钻进井段(m)

所钻地层

进尺

 (m)

钻速
( m / h )

纯钻h

406.4

SKH616S-A1D

3493.26-3827.10

雷口坡组

333.84

2.86

116.75

243.1

SKHI516M

6228.00-6526.57

韩家店-小河坝

298.57

3.14

95.00

243.1

SKH616M

6526.57-6827.01

小河坝-龙马溪

300.44

3.07

98.00

243.1

SKH616M

6827.01-7050.55

龙马溪-陡坡寺

223.54

3.15

71.00

3.2涪陵页岩气使用情况

焦页41-554-354-2在二开φ311.2mm井眼均使用了国民油井产型号为9-5/8-6/7-5.0级旋冲工具,提速效果明显。

焦页41-5HF井国民油井旋冲工具共计入井3次,井段1177.00-1849m,进尺672.00m,平均机械钻速12.40m/h

焦页54-3HF井国民油井旋冲工具共计入井3次,井段1447.003167.00m中共钻进进尺876.00m,平均机械钻速5.98m/h

焦页54-2HF井国民油井旋冲工具使用井段1342.002000.00m,进尺658.00m,平均机械钻速6.58m/h

钻具组合为φ311.2mmPDC钻头+φ244.5mm旋冲工具+φ228.6mm钻铤×2+φ306mm扶正器+φ228.6mm钻铤×3+φ203mm随钻震击器+φ127mm加重钻杆×12+φ139.7mm钻杆,钻井参数为钻压100KN ,转速50r/min ,排量64l/s,泵压23MPa

页岩气旋冲工具使用数据统计表

井号

钻头型号

钻进井段(m)

所钻地层

进尺

(m)

钻速
( m / h )

纯钻h

焦页41-5

SKH616M

1177-1624

飞仙关、长兴组、龙潭组

447

13.17

33.93

SKHI616S

1624-1849

茅口组

225

11.11

20.26

焦页54-3

SKH616M

1447.00-2041

龙潭组、茅口组、栖霞组、梁山组

594.00

6.76

96.00

SKHI616S

2323.00-2570

韩家店组

247.00

4.33

57.00

SKHI616S

2784.00-3167

韩家店组、小河坝组

383.00

2.46

156.00

焦页54-2

SKHI616S

1342-2000

长兴组、龙潭组、茅口组

658

6.58

100.00

4.认识和建议

1)旋冲工具与PDC钻头配合使用,通过参数优化,控压控时钻进,钻速较快且工作稳定,充分发挥了 PDC 钻头中等钻压、转速低、扭矩平稳的优点。

2)旋冲钻具工作时能在钻头上产生高频冲击载荷,有效减小粘滑,保护PDC复合片齿,有效地延长了钻头使用时间。

3)旋冲钻井技术适应性强,在不同井眼和复杂地层均能达到提速的效果。

4)还需进一步提高旋冲工具的使用寿命,使其有效工作寿命与 PDC 钻头使用寿命相匹配。

 

 

参考文献

1 Melamed Y,Kiselev AGelfgat Met al Hydraulic hammer drill-ing technology: Developments and capabilitiesJ]. Journal of En-ergy Resources Technology2000122( 1) : 1-8

2]王建艳. 液动旋冲工具在徐深1-3井中的应用[J] 探矿工程( 岩土钻掘工程)201542( 4) : 16-20

3]冯林,母亚军,康海涛,等. 旋冲工具在马深1406.4mm大井眼中的应用[J]钻井工程,2015( 4):30-32

4]胡家森,刘秋霞,乔立伟,等. 涡轮钻井技术在四川元坝区块的应用分析 [J]石油矿场机械,201544(5) : 86-92

5]孙钰杰.  YDC- 168型旋冲钻井工具工作原理与现场应用[J]. 广东石油化工学院学报,2012 (1):57- 59.

6]王雷,郭志勤,张景柱,等. 旋冲钻井技术在石油钻井中的应用[J]钻采工艺,2005( 1) : 17-19

7]李秋杰,王春华,李玉海,等. 液力衡扭旋冲提速工具及其在达深 16 井的应用[J]. 探矿工程( 岩土钻掘工程) 201542(1) : 31-3337

8]郭元恒,何世明,宋建伟,等. Tork Buster 扭力冲击器在元坝地区提高钻速中的应用[J]. 天然气技术与经济,20126( 3) : 52 54

 

 

作者简介:王朋飞,男(汉族),1979年生,工程师,研究生,长期从事钻井技术研究和实践。

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