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提高深井机械钻速的有效方法

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提高 深井 机械 有效 方法
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© 1994 (863 计 划 )“ 全 过 程 欠 平 衡 技 术 与 装 备 ” (2006 者 简 介 :杨   谋 (19822) ,男 ,湖 北 潜 江 人 ,硕 士 研 究 生 ,主 要 从 事 欠 平 衡 钻 井 、 气 体 钻 井 提 速 机 理 方 面 的 研 究 , 126. 编 号 : 100123482 (2009) 0820006203提 高 深 井 机 械 钻 速 的 有 效 方 法杨   谋 ,孟 英 峰 ,李   皋 ,李 永 杰 ,贾   虎(油 气 藏 地 质 及 开 发 工 程 国 家 重 点 实 验 室 · 西 南 石 油 大 学 ,成 都 610500)摘 要 :从 研 究 深 层 岩 石 的 物 理 特 性 出 发 ,对 不 同 钻 井 方 式 下 (欠 平 衡 钻 井 、 气 体 钻 井 、 控 压 钻 井 )的 破岩 机 理 和 效 率 进 行 分 析 ,在 高 压 水 射 流 、 开 发 适 应 地 层 的 破 岩 工 具 以 及 改 进 井 下 动 力 钻 具 等 辅 助 破岩 方 面 提 出 了 相 关 见 解 。关 键 词 : 机 械 钻 速 ;钻 井 技 术 ;破 岩 效 率中 图 分 类 号 :     文 献 标 识 码 : M L I L I J u( S il y x S et y , 10500 , A on t he p in . A p of 我 国 浅 层 油 气 资 源 的 不 断 枯 竭 ,在 深 部 硬地 层 以 及 复 杂 地 质 条 件 下 寻 求 油 气 发 现 是 目 前 陆 地勘 探 开 发 的 重 要 工 作 。 在 深 井 钻 探 中 ,岩 石 的 物 理特 性 在 高 温 高 压 下 已 发 生 了 改 变 。 随 着 井 眼 轨 迹 和井 身 结 构 的 复 杂 程 度 不 断 增 加 ,钻 压 的 传 递 和 施 加非 常 困 难 ,从 而 严 重 降 低 了 传 统 钻 井 方 法 的 破 岩 效率 和 机 械 钻 速 。 研 究 新 的 破 岩 方 法 和 机 理 ,形 成 新的 钻 井 技 术 ,以 提 高 钻 井 的 效 率 与 效 益 ,已 成 为 钻 井工 程 领 域 面 临 的 事 关 可 持 续 发 展 的 战 略 任 务 。1   深 层 岩 石 的 物 理 特 性岩 石 一 般 都 存 在 地 质 缺 陷 ,如 裂 纹 、 断 裂 面 、 节理 、 断 层 、 孔 洞 等 ,也 是 由 多 种 矿 物 晶 粒 、 胶 结 物 等 组成 的 复 合 体 ,使 得 岩 石 结 构 呈 现 非 连 续 、 非 均 匀 、 各向 异 性 和 非 弹 性 等 特 征 , 这 种 材 料 叫 做 材 料 。 岩 石 在 同 一 受 力 条 件 下 ,由 于 其 孔 隙结 构 和 胶 结 物 的 不 同 ,破 坏 形 式 存 在 很 大 的 差 别 。 程 描 述 了 多 孔 介 质 与 应 力 之 间 的 关 系 ,反 映 了 岩 石 的 物 理 性 质 和 强 度 特 征 [1 ] ,即σ t =μ φ +σ (1 - φ )式 中 ,σ t 为 垂 直 方 向 上 的 应 力 (总 应 力 ) ,μ 为空 隙 流 体 压 力 ,φ 为 孔 隙 度 , % ;σ 为 平 均 应 力(颗 粒 间 应 力 或 垂 直 方 向 分 力 ) ,   压 差 对 机 械 钻 速 的 影 响在 大 多 数 油 井 的 钻 探 中 ,由 于 泥 浆 密 度 偏 高 或地 层 压 力 偏 低 ,以 及 循 环 泥 浆 所 产 生 的 附 加 压 力 和由 钻 屑 引 起 的 循 环 当 量 密 度 增 加 ,使 井 底 承 受 较 大2009 年 第 38 卷                             石 油 矿 场 机 械第 8 期   第 6 页                                               2009 ,38( 8) :6~ 8  © 1994 ,即 产 生 井 底 压 持 效 应 。 大 量 的 试 验 研究 和 生 产 实 践 都 已 证 明 ,欠 平 衡 钻 井 技 术 、 气 体 钻 井技 术 等 钻 井 方 式 能 很 好 降 低 井 底 的 压 持 效 应 ,提 高机 械 钻 速 [223 ] 。2. 1   欠 平 衡 钻 井 技 术欠 平 衡 钻 井 是 钻 井 液 液 柱 压 力 小 于 地 层 孔 隙 压力 ,仍 大 于 地 层 破 裂 压 力 ,在 钻 井 过 程 中 允 许 地 层 流体 进 入 井 筒 ,循 环 出 井 ,并 在 地 面 得 到 控 制 的 一 种 钻井 方 式 。 欠 平 衡 钻 井 已 经 实 现 了 雾 化 钻 井 、 泡 沫 钻井 、 充 气 液 钻 井 、 泥 浆 帽 钻 井 等 钻 井 方 式 和 低 压 固 井完 井 技 术 。2. 1. 1   钻 井 提 速 机 理欠 平 衡 钻 井 主 要 是 降 低 了 井 底 围 压 ,也 就 是 相当 于 使 岩 石 的 抗 钻 强 度 降 低 。 在 高 围 压 下 会 增 大 岩石 “ 各 向 压 缩 效 应 ” 。 导 致 岩 石 压 入 强 度 (即 岩 石 硬度 )增 加 和 塑 性 增 大 ,破 碎 过 程 中 齿 坑 尺 寸 显 著 减小 ,破 碎 岩 石 的 体 积 减 小 ,机 械 速 度 降 低 [ 4 ] 。 这 种 影响 ,对 岩 石 硬 度 较 小 的 地 层 尤 其 明 显 。 另 外 ,液 柱 压力 对 破 碎 坑 中 的 岩 屑 有 “ 压 持 作 用 ” ,导 致 重 复 切 削 。2. 1. 2   提 速 效 果伊 朗 气 田 从 地 表 到 目 的 层 ,地 层 发 育 好 ,孔 隙 大 、 溶 洞 多 ,中 国 长 城 钻 井 公 司 采 用 欠 平 衡 钻 井技 术 不 但 有 效 地 解 决 了 井 漏 问 题 ,而 且 大 幅 地 提 高了 机 械 钻 速 。 磨 溪 提 速 从 200521223 提 出 ,截 至 6月 底 ,完 成 钻 井 14 口 ,平 均 机 械 钻 速 由 2. 06 m/ 到 5133 m/ h ;平 均 钻 井 周 期 由 原 来 的 138 d 缩短 到 53 d。2. 2   气 体 钻 井 技 术气 体 钻 井 技 术 是 在 欠 平 衡 钻 井 技 术 基 础 上 发 展起 来 的 一 项 钻 井 技 术 ,气 体 钻 井 利 用 氮 气 、 天 然 气 、二 氧 化 碳 、 空 气 和 柴 油 机 尾 气 等 多 种 气 体 作 为 钻 井循 环 介 质 ,从 根 本 上 避 免 了 常 规 钻 井 技 术 发 生 储 层损 害 的 物 质 基 础 。 气 体 钻 井 可 以 使 钻 速 提 高 4~ 14倍 ,钻 头 寿 命 延 长 2~ 6 倍 。 越 是 深 井 、 硬 地 层 ,提 速效 果 越 显 著 。2. 2. 1   提 速 机 理岩 石 处 在 受 拉 作 用 下 最 易 破 坏 。 通 过 数 值 模 拟发 现 气 体 钻 井 过 程 中 井 底 岩 石 上 凸 ,即 井 内 气 柱 极大 地 改 变 了 井 底 应 力 状 态 ,地 层 孔 隙 压 力 在 负 压 差条 件 下 产 生 向 井 内 的 “ 推 力 ” ,该 “ 推 力 ” 有 促 使 井 底岩 石 破 碎 的 趋 势 。 这 种 凸 起 还 利 于 钻 头 和 井 底 岩 石的 接 触 ,提 高 切 削 效 率 [5 ] 。 同 时 ,在 气 体 钻 井 中 ,钻头 迅 速 的 冲 击 力 会 使 岩 石 产 生 较 高 的 温 度 ,通 过 热传 递 作 用 ,使 得 钻 头 下 部 岩 石 内 的 水 分 快 速 蒸 发 ,导致 吸 水 膨 胀 的 黏 土 矿 物 收 缩 、 岩 石 颗 粒 发 生 粒 间 及粒 内 开 裂 ,有 利 于 破 岩 。 此 外 ,气 体 钻 头 井 底 清 洁 程度 高 ,减 少 了 井 底 钻 屑 的 重 复 破 碎 及 研 磨 [6 ] 。2. 2. 2   提 速 效 果伊 朗 22 井 ,三 开 井 段 采 用 泥 浆 钻 进 ,机 械钻 速 1. 46 m/ h。 23 井 首 次 尝 试 纯 空 气 钻 进 施工 ,11 成 进 尺 131 m ,平 均 机 械 钻 速 11. 2m/ h。 图 1 是 窿 9 井 在 不 同 钻 井 方 式 下 的 平 均 机 械钻 速 对 比 。图 1   窿 9 井 在 不 同 钻 井 方 式 下 平 均 机 械 钻 速 对 比2. 3   控 压 钻 井 技 术控 压 钻 井 — — — 一 种 经 过 改 进 的 钻 井 程 序 ,它 可 以 精 确 控 制整 个 环 空 井 筒 的 压 力 剖 面 ,保 证 井 筒 环 空 与 井 底 压力 的 精 确 控 制 ,能 够 快 速 调 节 环 空 钻 井 液 当 量 循 环密 度 ,使 井 底 压 力 恒 定 在 一 定 范 围 之 内 ,降 低 或 避 免常 规 钻 井 问 题 [7 ] 。 塔 里 木 油 田 在 碳 酸 盐 岩 目 的 层 全面 实 施 了 欠 平 衡 及 控 压 钻 井 技 术 ,较 好 地 解 决 了 窄密 度 窗 口 下 的 安 全 钻 井 问 题 。 表 1 是 塔 中 722 井 控压 钻 井 与 常 规 钻 井 效 果 对 比 。表 1   塔 中 722 井 控 压 钻 井 与 常 规 钻 井 效 果 对 比井 号 钻 井 周 期/ d 完 钻 井 深/ m 钻 井 方 式 复 杂 时 间/ d 泥 浆 漏 失/ 气 产 量/ ( d - 1 )塔 中 722 127 5 750. 0 控 压 钻 井   190. 30 油 265 ,气 51 202塔 中 72 212 5 235. 5 常 规 钻 井 129 1 824. 66 油 29. 5 ,气 9 560塔 中 721 240 5 505. 0 常 规 钻 井 121 5 000. 00 油 126. 48 ,气 720 352·7·  第 38 卷   第 8 期                       杨   谋 ,等 :提 高 深 井 机 械 钻 速 的 有 效 方 法© 1994   高 压 水 射 流 破 岩高 压 水 射 流 是 在 机 械 刀 具 和 水 射 流 二 者 的 共 同作 用 下 达 到 一 种 耦 合 效 果 。 高 压 水 侵 入 裂 纹 后 ,便在 裂 隙 内 以 液 压 楔 入 的 形 式 作 用 于 裂 纹 表 面 ,当 压力 达 到 岩 体 的 抗 拉 强 度 极 限 时 ,裂 纹 迅 速 扩 展 ,从 而导 致 岩 石 的 破 裂 。标 准 岩 样 水 力 冲 蚀 辅 助 破 岩 的 试 验 表 明 [ 1 ] ,岩石 的 强 度 、 孔 隙 度 和 井 底 压 差 是 影 响 辅 助 破 岩 的 重要 因 素 。 破 岩 效 率 与 强 度 特 征 和 井 底 压 降 成 反 比 ,与 物 理 特 性 成 正 比 。 依 据 岩 石 的 抗 压 强 度 和 井 底 压差 辅 助 破 岩 的 实 验 结 果 进 行 统 计 分 析 ,得 出 了 射 流辅 助 钻 井 破 岩 的 门 限 压 力 计 算 式 为 0126 Δ , 射 流 压 力 , 岩 石 抗 压 强 度 ,Δ p 为 井 底 压 差 ,20 世 纪 70 年 代 ,美 国 壳 牌 和 埃 克 森 石 油 公 司分 别 进 行 射 流 辅 助 头 破 岩 试 验 ,钻 速 提 高 了3 倍 左 右 。 20 世 纪 90 年 代 ,美 国 司 采用 增 压 技 术 进 行 了 辅 助 钻 头 破 岩 试 验 ,钻 速 提 高 了115~ 215 倍 。4   改 进 破 岩 工 具 与 井 下 动 力 钻 具4. 1   破 岩 工 具钻 头 研 制 的 关 键 技 术 是 高 转 速 、 抗 冲 击 载 荷 、 切削 齿 和 水 力 系 统 的 创 新 和 改 进 ,并 根 据 油 气 田 特 殊地 层 和 钻 井 方 式 开 发 配 套 新 型 钻 头 。 2006 年 ,苏 里格 气 田 针 对 该 区 块 地 层 设 计 的 个 性 化 头 在苏 14 区 块 21 口 井 的 试 验 ,平 均 机 械 钻 速 达 到11102 m/ h ,钻 井 周 期 缩 短 到 21 d。4. 2   井 下 动 力 钻 具目 前 ,国 内 外 开 发 和 利 用 的 井 下 动 力 钻 具 主 要有 容 积 式 螺 杆 钻 具 、 叶 片 式 涡 轮 钻 具 、 电 动 钻 具 3种 。 这 3 种 井 下 钻 具 都 有 各 自 的 优 点 ,在 不 同 时 期都 得 到 交 替 上 升 的 迅 速 发 展 [ 829 ] 。a)   螺 杆 钻 具   优 点 是 具 有 低 速 大 扭 矩 的 硬 特性 ;过 载 能 力 强 ,操 作 方 便 。 缺 点 是 需 定 排 量 工 作 ,有 横 向 振 动 ;对 油 基 钻 井 液 敏 感 ,橡 胶 定 子 耐 高 温 性差 。 普 光 4 井 在 飞 仙 关 地 层 采 用 头 + 螺 杆复 合 钻 井 ,机 械 钻 速 是 牙 轮 钻 头 的 3. 4 倍 。b)   涡 轮 钻 具   优 点 是 具 有 高 速 大 扭 矩 的 软 特性 ,无 横 向 振 动 ,机 械 钻 速 高 ;耐 高 温 ,适 宜 于 深 井 和高 温 环 境 下 作 业 ;对 油 基 钻 井 液 不 敏 感 。 缺 点 是 钻具 较 长 ,适 用 范 围 小 ;安 装 调 整 轴 向 间 隙 较 繁 琐 。 国外 用 涡 轮 钻 具 钻 井 一 般 能 节 省 钻 时 40 %~ 50 % ,节约 钻 井 成 本 的 1/ 3。 在 我 国 ,其 机 械 钻 速 为 转 盘 钻井 的 11 6~ 410 倍 ,可 降 低 直 接 钻 井 成 本 30 %~40 %。c)   电 动 钻 具   直 流 电 动 钻 具 兼 有 上 述 2 种 液动 钻 具 的 优 点 ,调 速 范 围 宽 ,过 载 能 力 强 ,功 率 利 用率 高 ,井 下 信 息 的 通 讯 容 量 大 ,井 眼 轨 迹 控 制 精 度高 ,可 适 应 在 重 钻 井 液 条 件 下 工 作 ,是 一 种 很 有 发 展前 途 的 井 下 动 力 钻 具 。 土 库 曼 斯 坦 5 口 5 000 深 井 是 用 电 动 钻 具 钻 成 的 ,平 均 机 械 钻 速 为 转盘 钻 井 的 118 倍 。目 前 国 内 外 也 在 发 展 激 光 钻 井 技 术 、 粒 子 冲 击钻 井 技 术 以 及 电 热 能 钻 井 技 术 等 。 经 过 现 场 试 验 ,都 取 得 了 良 好 的 提 速 效 果 ,这 些 也 是 未 来 钻 井 提 速的 发 展 趋 势 。5   结 论1)   在 地 质 和 设 备 允 许 的 条 件 下 ,应 多 采 用 气体 钻 井 方 式 ,同 时 也 要 多 积 累 气 体 、 泡 沫 、 雾 化 钻 井方 式 相 互 转 换 的 理 论 依 据 及 现 场 经 验 。2)   改 进 及 完 善 目 前 井 下 破 岩 工 具 及 动 力 钻 井钻 具 的 性 能 与 效 率 ,使 其 更 好 地 适 应 井 下 的 环 境 ,从而 缩 短 建 井 周 期 。3)   激 光 、 粒 子 冲 击 以 及 电 热 能 等 钻 井 技 术 是未 来 钻 井 提 速 发 展 的 趋 势 ,应 多 加 强 这 方 面 的 理 论与 实 践 研 究 。参 考 文 献 :[1 ]   熊 继 有 ,钱 声 华 . 钻 井 高 效 破 岩 新 进 展 [J ]. 天 然 气 工业 ,2004 ,24 (4) :27229.[2 ]   李   昱 ,张 海 滨 . 液 动 冲 击 旋 转 钻 井 技 术 及 其 发 展 趋势 [J ]. 石 油 矿 场 机 械 ,2006 ,35 (3) :1072109.[3 ]   苏 义 脑 . 空 气 钻 井 工 作 特 性 分 析 与 工 艺 参 数 的 选 择 研究 [J ]. 石 油 勘 探 与 开 发 ,2005 ,32 (2) :86290.[4 ]   胡 湘 炯 ,陈 庭 根 . 压 差 因 素 对 钻 速 影 响 的 统 计 分 析 [J ] 学 报 ,1988 ,9 (1) :952100.[5 ]   林 铁 军 . 气 体 钻 井 中 岩 石 力 学 及 钻 进 过 程 仿 真 模 拟[D ]. 成 都 :西 南 石 油 大 学 ,2006.[6 ]   李   皋 ,孟 英 峰 . 砂 岩 储 集 层 微 波 加 热 产 生 微 裂 缝 的 机理 及 意 义 [J ]. 石 油 勘 探 与 开 发 ,2007 ,34 (1) :93297.[7 ]   王 延 民 ,孟 英 峰 . 充 气 控 压 钻 井 过 程 压 力 影 响 因 素 分 析[J ]. 钻 采 工 艺 ,2008 ,31 (2) :122.[8 ]   徐   鑫 . 井 底 螺 杆 马 达 试 验 台 架 夹 紧 钳 的 设 计 和 计 算[J ]. 石 油 矿 场 机 械 ,2003 ,32 (5) :35237.[9 ]   符 达 良 . 井 下 动 力 钻 具 的 发 展 及 其 在 推 广 应 用 中 的 问题 [J ]. 石 油 机 械 ,1999 ,27 (12) :124.·8· 石 油 矿 场 机 械                                 2009 年 8 月  
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