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发布时间:2021-01-20 23:54:09 阅读: 来源:铅笔厂家

PDC 复合钻井技术在苏里格气田水平井中的应用

中国页岩气网讯:随着苏里格气田天然气水平井的大规模开发,天然气水平井机械钻速低、钻井周期长的问题日渐突出,这在很大程度上归咎于牙轮钻头平均机械钻速低、钻头用量大、单只钻头进尺低、起下钻频繁等原因。伴随着钻井工艺技术的进步和螺杆钻具型号规格的完善及其性能的提高,配合高效PDC 钻头进行复合钻井的技术在苏里格水平井开发过程中的应用已趋于成熟。

文章针对近年苏里格已施工的水平井情况,综合分析了苏里格天然气水平井目前使用的PDC 钻头和螺杆钻具工作特性,阐述了PDC 钻头配合螺杆复合钻井技术在苏里格天然气水平井的快速钻进中的应用情况及效果。结果表明,该技术对水平井提高机械钻速,缩短钻井周期,节约钻井成本,加快勘探开发步伐具有重要意义。

一、螺杆钻具

1、螺杆钻具的构成和工作原理

螺杆钻具由旁通阀、马达、万向轴和传动轴四大总成组成。其工作原理是泥浆泵泵出的钻井液流经旁通阀进入马达,在马达进出口形成一定压差推动马达的转子旋转,并将扭矩和转速通过万向轴和传动轴传递给钻头进行做功的过程,即将水能转化为机械能。

2、螺杆钻具使用中注意事项

( 1) 选择螺杆钻具首先要考虑与钻头是否匹配。

( 2) 螺杆钻具的地面检查。检查传动轴,只需用链钳转动钻具传动轴头,而且只能逆时针旋转,以防止内部螺纹松扣; 检查旁通阀,用锤柄或木棒下压旁通阀芯,注清水观察( 旁通阀是否关闭) ; 或接方钻杆开动钻井泵,逐渐提高排量直到旁通阀关闭进行观察( 传动轴头是否旋转) 。

( 3) 钻进中循环压力与钻压控制。钻具进行空转时若钻井液流量不变,钻具与钻头的压降是一个常值,钻具工作时,随着钻压逐步增加,钻井液循环压力逐渐上升,当达到最大推荐值时,产生最大扭矩。继续增加钻压,当循环钻井液在马达两端产生的压降超过最大设计值时,钻具将发生泄漏。

二、PDC 钻头

PDC 钻头对软地层主要是犁,对硬地层是主要以剪切方式破碎岩石,压裂、压碎作用为辅。资料统计表明,对于同样的岩石,靠剪切和犁的作用方式比靠压碾的方式需要的能量要小。因此,PDC 钻头较之牙轮钻头来说,更适合用高转速来充分发挥PDC 的破岩效率,从而提高机械钻速。

三、PDC 复合钻井技术

PDC 复合钻井技术,即螺杆加PDC 钻头钻井技术,目前已被广泛使用。

其优点:

一是高效PDC 钻头在某些地层的优势明显大于牙轮钻头,钻头进尺高,使用时间长,起下钻的次数减少;

二是随着螺杆钻具型号规格的完善及其性能的提高,寿命大大加长,和PDC 钻头匹配,可充分发挥PDC 钻头的效能,达到高转速的要求;

三是在深井、定向井、水平井等小井眼中,常规钻井动力损耗较大,容易出现钻具疲劳损害,而复合钻井技术是利用井底马达直接驱动钻头,动力损耗较小,改善钻具在井下的工况,提高了钻井安全性。

PDC 复合钻井技术在苏里格水平井的施工中目前主要用于: 直井段的防斜快速钻进,斜井段的定向、增斜滑动钻进以及水平段的稳斜复合高效钻进。

四、PDC 复合钻进技术在苏里格水平井的应用

1、苏里格水平井井身结构

为了提高单只钻头的机械钻速、缩短钻井周期、充分利用PDC 钻头复合钻井技术的优势,苏里格区块施工的水平井优化了井身结构,采用不打斜导眼,直接入窗的方法。该区块天然气水平井井身结构采用了?346 mm 牙轮钻头×?273 mm 套管+ (?241. 3 mm 钻头+ ?215. 9 mm 钻头) ×?177. 8 mm 套管+ ?152. 4 mm 钻头× ?114. 3 mm 筛管。

2、井深剖面设计

目前苏里格区块天然气水平井采用的井身剖面设计为直- 增- 稳- 增- 平,靶前距设计一般控制在350 ~ 500 m,属于双增剖面中半径水平井。靶前距的大小决定着斜井段的长度及斜井段的曲率。通过剖面设计优化尽量减少斜井段的井眼曲率,井眼轨迹比较光滑,使PDC 钻头的复合增斜率满足水平井斜井段的增斜需要。

3、PDC 复合钻井技术的应用关键

使用好复合钻井技术,关键在于针对待钻地层选择合适的PDC 钻头和螺杆钻具,即PDC 钻头、螺杆、待钻地层三者的适配性,这需要现场的实验、数据的分析和论证。

(1)PDC 钻头优选依据

苏里格气田水平井钻进中对PDC 钻头造成致命伤害或低效使用的因素有以下几个方面:

① 延长组底部及纸坊组上部的含砾层,容易造成钻头先期损坏,给钻头选型和合理使用造成困难。

② 刘家沟组以下下部地层研磨性高且砾石层多,可钻性差,钻头磨损和崩齿现象严重。

③ 在石千峰组、石盒子组“双石层”存在大段棕红色泥岩,极易造浆导致钻头泥包,影响机械钻速。

针对以上因素在PDC 钻头优选时必须满足: 一是对敏感地层的适应能力( 攻击力需求) ; 二是自我保护能力( 抗研磨及喷嘴流量设计需求) ;三是流道的清洗能力( 刀翼数及流道结构设计需求) 。

(2)螺杆钻具的选型

螺杆钻具在复合钻井中一般选择多头大功率螺杆,水平井直井段的井眼轨迹控制原则是防斜打直,快速钻进,由于苏里格区块上部地层存在砾石层,为了降低PDC 钻头在砾石层的冲击破坏,所以一般选用大功率低速螺杆,提高PDC钻头的使用寿命和切屑效率。在斜井段和水平段的施工中,考虑到定向和滑动的需要,螺杆钻具一般使用带扶正器的单弯螺杆,一般弯度为1° ~ 1. 5°,具体选用时要根据井下的情况,如井眼尺寸、井深、地层及要求的造斜率来确定。

五、应用效果

2011 年苏里格气田完成的36 口水平井的统计数据表明,完成井平均井深为4 263 m,平均机械钻速达9. 73 m/h,钻机月速度达2 386 m; 与上年同比在平均完井井深减少270m,水平段长增加77 m 的情况下,平均钻井周期缩短1. 47 d,平均建井周期缩短2. 22 d,平均机械钻速、钻机月速度分别提高26. 5%和18. 4%。

1、水平井第二次开钻直井段防斜打直快速钻进

苏里格气田水平井直井段利用高效PDC 钻头配合防斜能力较强的导向钻具组合,MWD 随钻测量仪,采用复合钻井方式全面实现两趟钻。SN0116 - 19H 和SN0114 - 20H 是两口相邻井,在第二次开钻直井段?241. 3 mm 井眼钻进中,相同井段SN0116 - 19H 使用PDC 复合钻井技术,机械钻速比邻井提高1. 5 倍。

表1 两种钻进方式的机械钻速对比表

表1 为两口实钻井的数据对比,两口井都使用了迪普的型号为DME653 的PDC 钻头。

2、水平井第二次开钻斜井段的快速钻进

在苏里格气田水平井的斜井段施工过程中,最初采用三牙轮钻头配合螺杆钻具定向施工,由于三牙轮钻头使用时间短,单只钻头进尺低,起下钻频繁等原因,斜井段平均机械钻速相对低,施工周期长。通过实验PDC 复合钻井技术,优选改进PDC 钻头结构,采用PDC 配合带扶正器的大弯度螺杆直接定向,不仅可以造斜、增斜,而且还可以稳斜。现场实践证明,这种钻具结构定向、增斜、稳斜、稳方位的效果很好,而且井斜、方位的调整可以通过滑动钻井方式直接进行,节约了钻井时间,提高了机械钻速。

表2 单弯螺杆加PDC 钻头与牙轮钻头在斜井段中使用情况对比表

表2 为几口水平井中使用PDC 复合钻井技术加螺杆与牙轮加螺杆钻井技术的对比,从表2 分析看出,在斜井段施工中PDC 复合钻进优势明显,其机械钻速高于牙轮钻头,钻井周期也逐步缩短。

3、水平段的高效钻进

PDC 钻头加螺杆复合钻井技术在水平段的使用具有以下优势:

①提高了单趟钻施工效率;

②很大程度上节约了钻井成本,起下钻次数少,螺杆、仪器使用效率高;

③降低了掉牙轮等意外风险。

表3 PDC 复合钻井技术在几口水平井水平段应用效果统计表

由于苏里格气田水平井目的层具有储层薄,岩性非均质强,砂体纵向多期叠置、横向上复合连片的特点,井眼轨迹调整频繁,对钻头的磨损很大,所以优先选用进口PDC 钻头( 表3) ,其切削齿采用小直径复合片( 复合片层薄、极硬,且比碳化钨衬底的耐磨性高100 倍以上,在切削岩石过程中切削刃口能保持自锐) 、高密度布齿( 双排齿) 能有效控制吃入深度,对钻头本身起到很好的保护作用,从而获得较好的使用效果。

结论:

? 螺杆加PDC 复合钻井技术的基础是与地层相适应的PDC 钻头和质量合格的螺杆钻具。保持井底干净,井眼畅通,钻井液清洁、润滑,按操作规程使用好螺杆和PDC 钻头是复合钻进技术的关键所在。

? 鉴于PDC 钻头对地层的敏感性,每次钻头选型前必须掌握施工井的地层特点。

? 螺杆钻具的性能和寿命是影响复合钻进技术的重要因素,螺杆属于井下动力钻具,其构造和工作原理决定了螺杆在使用过程中的风险性,要求现场技术人员必须详细了解螺杆的工作原理,具有判别及消除异常的能力,并及时对出入井的螺杆进行检查和维护。

? 由于水平井复合钻进使用的钻具组合刚性较小,并且在钻井过程中复合和滑动钻井技术交替使用,某些井段井眼曲率大,有必要在完钻后使用带扶正器的常规钻具通井后,再进行电测和下套管作业,防止井下事故的发生。

? 螺杆加PDC 复合钻井技术在苏里格水平井的施工中的应用有效提高了机械钻速,缩短了钻井周期,节约了钻井成本,使用效果明显。

责编:王亭亭

 

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