快速钻井液技术在华北油田的应用.pdf

一 2 0 一 石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 0年 第 3 8卷 第7期 ●钻井新技 术 快速钻井液技术在华北 油 田的应用 杨 宇平 谈 心 ， 黄宏军 王东明 赖晓晴 蒋 欢 。 孙金声 江四清 1 ．中国石 油集团钻 井工程技术研究院2 ．华北油田公 司勘探部3 ．中国 石 油集 团勘探开发研 究院4 ．中国石油长城钻探 工程公 司钻 井液分公 司 摘要 针对华北油田勘探开发过程中存在的井身结构复杂、施工难度大等问题，采用快速钻 井液技术在华北油 田宁古 1 0井、鄞 3 9井进行 了现场提高机械钻速试验。结果表 明，快速钻井剂 与现场所用钻井液体 系具有 良好的配伍性，对钻井液常规 性能及流变性没有影响，有效解决 了中 上部地层易发生井壁垮塌等问题，使机械钻速显著提高，宁古 1 0井试验井段对应 的机械钻速相对 上部井段提高了 1 8 ． 4 ％ ，鄞 3 9井提高 了1 9 ％。 关键词钻井液 快速钻井剂 K S Z J 机械钻速 华北油 田冀 中探区地层和井身结构复杂 、施工 难度大，钻井时存在 以下问题 ①上部地层缩径 ， 沙河街组油页岩易垮 ，潜山储层易漏 ，深部地层机 械钻速低 ，钻井速度慢 、周期长 ；② 断层多 ，易漏 易塌 ，个别 井段密度窗 口窄 ；③ 特殊岩性段发育 如沙河街组油页岩和 膏泥岩 ，易垮 塌，复杂事 故多 ，生产时效低 。鉴于此 ，采用快速钻井液技术 在华北油田进行提高机械钻速试验 ，在保证井壁稳 定 的前提下取得了显著的提速效果。 1 室内研 究 1 ． 1 快速钻井剂 K S Z J 对现场钻井液性能影响 在宁古 1 0井 、郭 3 9井 现 场钻 井 液 中加 入 0 ． 5 ％的 K S Z J ，测加入前后钻井液 的常规性能 、润 滑性及粒度分布。选取华北油 田极易水化分散的沙 河街组岩屑 ，在 1 2 0℃下热滚 1 6 h ，测其 回收率。 回收率越高 ，说明抑制性越好。结 果表 明，加 入 K S Z J 后 ，钻井液流变性和滤失性基本无变化 ，显 著减少了微米及亚微米颗粒含量及抑制页岩水化分 散 ，并能有效 降低现场钻 井液 的摩阻系数 ，随着 K s Z J 浓度增大 ，摩阻系数降低率提 高，有利 于降 低扭矩 ，提高机械钻速。 1 ． 2 K S Z J 对岩心强度的影响 分别采用单轴 、三轴应力试验测试岩心在钻井 液 中浸泡不同时间后强度 的变化 引。浸泡时间与 岩心强度关 系曲线见 图1 。 岩心在未添J i l l K S Z J 的钻 岩心浸泡时间， s a ． 雌轴心力测 试 图 1 浸泡时 间与岩心强度关 系曲线 基金项 目中国石油天然气集团公 司应用基础研究项 目 “ 清洁钻头提高钻速钻井液技术研究 ” 0 6 A 2 0 4 0 3 ；中国石油天然气集团公 司科学研究 与技术开发项 目 “ 钻井液润湿性与粘土吸附影响钻井速度的机理研究” 2 0 0 8 A一 2 3 0 0 、“ 清洁钻 头提 高机械钻速钻井液技术 ” 2 0 0 8 G一5 2 0 7 。 卯 ∞ ∞ 暑、 承 2 0 1 0年 第 3 8卷 第 7期 杨 宇平等 快速钻 井液技术在华 北油田的应用 井液中浸泡 ，其强度随浸泡时间的延长而逐渐降低 ； 当岩心在 K S Z J 钻井液中浸泡 ，其强度随浸泡时间的 延长而快速降低。单轴应力测试结果表明，浸泡时 间达到 3 0 S 时岩心强度最小 ；三轴应力测试结果表 明岩心在质量分数 0 ． 5 ％的 K S Z J中浸泡 ，采 用 1 0 MP a围压 ，其强度在 6 0 S 时出现拐点 ，增加围压至 2 0 MP a ，强度在 2 0 S 就会出现最小值，此时有利于 钻进过程中的快速有效破岩。随着浸泡时间的继续 延长 ，岩心强度也随之迅速增强 ，有利于井壁稳定。 所用基浆配方为4 ％ 土浆 0 ． 1 ％8 0 A 5 10 ． 5 ％胺 盐 1 ％S P N H1 ％F r一1 0 ． 5 X Y一 2 7 。 1 ． 3 K S Z J 对钻井速度的影响 利用水射流钻井模 拟试验装置 ，采用 P D C钻 头在砂岩上模拟钻进 ，测定在宁古 1 0井 、鄣 3 9井 现场钻井液 中添加质量分数 0 ． 5 ％ K S Z J前后实 时 钻进速度 。结果如表 1 所示 ，聚硅氟钻井液添加质 量分数 0 ． 5 ％K S Z J 对应的钻进速度相对基浆提高了 1 6 ． 6 ％，聚磺钻井液添加质量分数 0 ． 5 ％K S Z J 对应 的钻进速度相对基浆提高 了 1 5 ． 1 ％ 。 表 1 K S Z J 对钻进速度 的影响 注 聚硅氟钻井液为宁 占1 O井现场钻井液，聚磺钻井液为鄣 3 9井现场钻 井液 。所用钻头均为 9 0 m m P D C ，岩石类型为砂岩 ， 其可钻性指数 K 5 。 2 宁古 l 0井现场应用 2 ． 1 地 质概 况 宁古 1 0井位于冀 中坳 陷饶 阳凹陷肃宁 一大王 庄构造带宁古 1井潜 山北高点 ，该地区地层发育齐 全 ，自下而上发育 了平原组 、明化镇组 、馆 陶组 、 东营组 、沙河街组 沙一段 、沙二 段 、沙 三段 、 高于庄组。宁古 l O井是一 口预探井 ，井型为直井 ， 完钻井深 5 6 0 0 m，目的层为高于庄组。 2 ． 2工程简况 宁古 1 0井于 2 0 0 8年 1月 1 1日用 i2 1 5 ． 9 m m 钻头 T 5 5 5 6 S A钻 进至井深 3 7 6 8 i n 。钻进过程 中， 地层 沙一段 ；岩性 深灰色泥岩 、褐 灰色页岩 、 灰褐色油页岩及褐灰色泥质 白云 岩互 层 ；钻压 5 O k N，泵压 1 8 MP a ，排量 3 2 L ／ s 。钻井液体系为聚 硅氟钻井液 。钻井液性能 密度为 1 ． 4 8 g ／ c m ，粘 度为 4 8 S ，失水为 3 ． 2 mL ，初／ 终切力为 3 P a ／ 6 ． 5 P a ，塑性粘度为 1 9 m P aS 。首次加入 0 ． 6 t K S Z J 按 1 个循环周加入 ，加入后钻井液基本性能稳 定 ，从振动筛返 出砂较多 ，钻屑颗粒规整均匀，钻 屑半径变大 ，钻速 加快。期 间共补加 K S Z J 2 ． 8 t 。 宁古 l 0井采用快速钻井液技术提高平均机械钻速 的层位主要为沙一段 、沙二段 、沙三段 ，其主要试 验井 段 为三 开井段 3 7 6 8～4 5 5 3 m。井 身结 构 33 9 ． 7 mm 3 5 2 ． 4 9 m 2 44 ． 5 mm 3 5 7 9． 7 3 m 1 77 ． 8 mm 5 2 65 ． 4 6 m 。 2 ． 3 效果评价 2 ． 3 ． 1 现 场 配伍 性试 验 试验前后钻井液性能对 比情况见表 2 。 表 2 宁古 1 0井钻井液性能现场试 验情 况 配 方 锚 p值 H 由表可见 ，K S Z J与该井聚硅氟钻井液体系具 有 良好的配伍性 ，对钻井液常规性能及流变性没有 影响 。从振动筛返出钻屑颗粒规整均匀 ，说 明快速 钻进钻井液能有效弱化钻屑鳞片问的键能 ，限制钻 屑的长度 ，从而得到理想的破碎尺寸。 2 ． 3 ． 2现 场试 验前 后 机械 钻速 对 比 以 K S Z J 试验钻井工程参数、钻井液性能数据 、 试验工程技术参数及平均机械钻速数据汇总为每 日 平均机械钻速及泥岩含量变化趋势图，如图2所示。 图 2 每 日平均机械钻速及泥岩含 量变化趋势 由图可见 ，K S Z J的加入使平均机械钻速明显提 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第 7期 高，即使当泥岩含量很高时仍然能够维持 比较高的 环消耗完毕后 ，平均机械钻速迅速降低 ，致使生产 机械钻速；当 K S Z J停止加入，并经过 3～ 4 d的循 时效显著降低。表 3为不同井段机械钻速对比。 表 3 不 同井段机械钻速对 比 由表 3可知 ，三开 3 5 8 8～ 3 7 6 8 m未加入 K S Z J 之前 ，同一钻头在 E S 1 井段，钻井液密度为 1 ． 4 2～ 1 ． 4 8 g ／ c m ，平均机械钻速为 2 ． 3 8 7 m ／ h ；3 7 6 8～ 3 8 6 7 m第 1次加人 0 ． 2 5 ％K S Z J后 ，同一钻 头在 E S 1 井段 ，钻井 液密度提 升至 1 ． 5 0～1 ． 5 1 g ／ c m ， 平均机械钻速为 2 ． 6 5 m ／ h ；3 8 6 7～ 4 1 4 0 m第 2次 加入 K S Z J 使之总量达到设计质量分数 0 ． 5 ％之后 ， 同一钻头在 E S 1 井段，钻井液密度继续保持 1 ． 5 0～ 1 ． 5 1 g ／ e m ，平均 机械钻 速为 3 ． 0 7 r n ／ h ；4 1 4 0～ 4 2 5 0 m 4 2 5 0 m进入沙二段 ，钻井液密度提升至 1 ． 5 1 ～1 ． 5 3 g ／ e lT l ，平均机械钻速为 2 ． 5 9 m ／ h ，三 开在 E S 2井段 4 2 5 0～ 4 3 1 7 m加入 K S Z J 后 ，同一钻 头在 E S 2井段 ，钻井液密度提升至 1 ． 6 0 g ／ c m ，平 均机械钻速为 2 ． 6 0 m ／ h 。试验井段 3 7 6 8～ 4 3 1 7 m 对应的平均机械钻速比上部井段提高 1 8 ． 4 ％。 4 3 1 7 m起钻换为 MA 8 9 B P XE R 1 5 1 6 P D C钻 头 ，井深 4 4 3 1 1T I 停止加入 K S Z J ，继续钻进 1 2 2 m 后 3～ 4 d K S Z J 消耗完毕 ，后面添加 K S Z J的井 段平均机械钻速显著降低。 3 鄞 3 9井现场应用 3 ． 1 工程 简况 郭 3 9井于 2 0 0 7年 1 2月 3 0日用 2 1 5 ． 9 m m钻 头 F X1 3 6 1 G钻 进 至 井 深 3 9 5 1 IT I时，开 始 加 入 K S Z J 。首次加入0 ． 4 t 快速钻井处理剂 按 1 个循环 周加入 ，加入后钻井液基本性能稳定 ，从振动筛返 出砂较多，钻屑颗粒规整均匀 ，钻屑半径变大 ，钻 速加快。期间共补加快速钻井处理剂 2 t ，郸 3 9井 使用快速钻井液技术的主要试验井段为 3 9 5 1 ～ 4 3 9 2 m 4 4 1 m ，3 8 2 6～ 3 9 7 0 m带螺杆钻具钻进，钻进 层位 沙二 三段 、沙四段，地层硬度为 中软到中 硬。井身结构 3 3 9 ． 7 m l T l 1 5 5 ． 4 9 m 2 4 4 ． 5 1 T i m x2 8 01 ． 2 7 m 1 7 7 ． 8 mm x4 5 0 0． 1 7 m。 3 ． 2 K S Z J 应 用效 果评价 1 带螺杆钻具钻进时 ，未加 K S Z J井段钻井 液密度为 1 ． 4 2～1 ． 4 3 g ／ e m ，其所对应的平均机械 钻速为 1 ． 0 3 m ／ h ；加人 K S Z J 井段对应的钻井液密 度为 1 ． 4 3 g ／ e m 。 ，对应 的平 均 机 械钻 速 为 1 ． 2 7 r n ／ h ，平均机械钻速提高 2 3 ． 1 ％。 2 未带螺杆钻具钻进时，未加 K S Z J的井段 钻井 液密度 1 ． 4 2 g ／ e m ，对应 的平 均机械钻 速为 0 ． 9 0 m ／ h ；加入 K S Z J的井段对应的钻井液密度为 1 ． 4 4 g ／ e m ，对应的平均机械钻速为 1 ． 0 8 m ／ h ，平 均机械钻速提高 1 9 ． 4 ％。 3 4 2 0 7～ 4 3 9 2 m试验井段采用牙轮钻头钻 进 ，平均机械钻速为 0 ． 9 6 m ／ h ；对 比井段 4 3 9 2～ 4 5 0 0 m平均机械钻速为 0 ． 5 3 r n ／ h ，平均机械钻速 显著降低。 4 结 论 1 快速钻井剂与现场所用的钻井液体 系具 有 良好 的配伍性 ，对钻井液常规性能及流变性没有 影响，且对特殊岩性 泥页岩 具有 良好 的防塌 效果 ，起下钻I r O N无阻卡。 2 快速钻井剂 有效解决 了中上部地层易发 生井壁垮塌 ，掉块严 重的问题 ，起下钻过程无 阻 卡 ，试验井段井径规则。 3 快速钻井液技术提高机械 钻速显著 ，宁 古 1 0井试验井段对应的机械钻速相对上部井段提 高了 1 8 ． 4 ％ ，郭 3 9井试验井段机械钻速相对上部 井段提高了 1 9 ％。 下转第5 5页 2 0 1 0年 第 3 8卷 第 7期 马青芳等 1 2 0 0 0 m钻机盘 式刹车 系统 的研制 与应用 升的需要 ，将绞车和盘式刹车及液压站一起放置在 1 2 m高的钻 台下 面。为了盘式刹 车液压站操作方 便 ，在 司钻房内设计了液压站远程操作系统 ，以便 于低位液压站的操作 。 2 ． 6多项报警系统 液压系统中增设 了低压报警 、低液位报警和温 度报警功能，以提高刹车系统及整个钻机的安全性 和使用可靠性 。 2 ． 7 增 设不 间 断 电源 常规钻机盘式刹车在断电时紧急制动，虽然有 蓄能器，但因没有配备不 间断电源 ，操作阀件无法 动作 ，不能活动钻具。在 1 2 0 0 0 m钻机盘式刹车系 统中，因为增设了不问断电源 ，所 以在断电情况下 ， 依然能够利用蓄能器活动钻具和处理紧急事故。 3 调试 与现场 应用 2 0 0 7年 1 0月 ，盘式刹车系统与 1 2 0 0 0 m钻机 井架和游动系统一起进行 了最 大钩载 9 0 0 0 k N的 应力测试试 验 ，测试 结果完全 满足最 大载荷 的要 求。同时还将盘式刹车 系统与 1 2 0 0 0 m钻机一起 进行 了功能联 调 ，结 果完全 满足性 能要求 。2 0 0 7 年 1 1月 l 5 一l 6日，中石油和中石化 的专家组在宝 鸡石油机械厂对盘式刹车与 1 2 0 0 0 I l l 钻机进行 出 厂验收 ，验收过程 中专家组对盘式刹车系统给予了 较高的评价。 2 0 0 8年 1月 ，盘式刹 车系统随 1 2 0 0 0 m钻机 一 起运抵四川油 田现场 。2 0 0 8年 4月 2 1日在 四川 龙岗油田国内第 1口海相超深科研探 井川科 1 井正式投人使用 ； 5月 1 2日因汶川大地震 ，停钻封 井 1 2 d ，钻机及盘式刹车系统均经受住 了地震的考 验；5月 2 4日 1 8时恢复钻进 ；2 0 0 9年 8月 7日顺 利完钻。完钻井深为 7 5 6 0 m，作业期 间盘式刹车 系统运行状况 良好 。 4 结 论 1 采用刹车 间隙 自动调节机构来解决 了刹 车间隙 自动调节 的难题 ，降低了操作风险 ，并减轻 了工人的劳动强度 ，适合现场应用 ；采用刹车片 自 动回位装置 ，有效解决了刹车片的偏磨问题 ，提高 了刹车系统的安全性 ，现场应用效果 良好 。 2 在川科 1井 的应用情 况表 明，该盘 式刹 车系统运行状况一直 良好 ，安全可靠 ；尤其是经历 5 ． 1 2汶川大地震后 ，性能并未 受影响 ，充分证 明 了系 统 的稳定 性 。 3 1 2 0 0 0 m钻机盘式刹车系统 的研制成功 ， 不仅 占据价格 、服务及配件供应上的优势 ，而且会 大幅度提高特 深井钻机盘式 刹车 的可靠性 和安全 性 ，为该产品占领 国内特深井油 田装备市场占尽先 机 ，为顺利进军海洋及陆地特深井石油钻井装备领 域创造 良机 。 参考文献 [ 1 ] 马青芳，郭慧娟 ．钻机绞车水冷式刹车盘温度场数 值模拟 [ J ]． 石油机械，2 0 0 7，3 5 1 0 2 2 2 5 ． [ 2 ] 郭慧娟，马青芳 ，肖建秋 ． 超深井钻机刹车盘热疲劳 寿命预测 [ J ]．石油机械，2 0 0 8 ，3 6 4 2 2 2 4 ． 第一作 者简介 马青芳 ，女 ，教授 ，生 于 1 9 6 6年 ， 1 9 8 5年毕业于华东石油大学矿机专业 ，1 9 9 8年毕业于中国 石油大学 北京 ，获博士学位，现从事石油机械装备的 研发 工 作 。地 址 1 3 0 0 8 3 北 京 市 海 淀 区。电 话 0 1 0 52 781 81 0。 E ma i l mq f d r i c n pc ． e o m．c n。 收稿 日期 2 0 1 0 0 l 一 2 1 本文编辑赵连禄 上接第 2 2页 参考文献 [ 1 ] 孙金声 ，杨宇平 ，安树明，等 ．提高机械钻速的钻 井液理论 与 技术研 究 [ J ]．钻井 液与 完井 液， 2 0 0 9，2 6 2 1 6 ． [ 2 ] 金波 ，杨宇平 ，于兴东 ，等 ．快速 钻井 液技 术在 海拉尔盆地乌 1 2 68 8井的应用研究 [ C]／ ／ 2 0 0 8 年度全 国钻井液 技术 年会 ．南宁 ，2 0 0 9 ． [ 3 ] 杨宇平，孙金声 ，杨枝，等 ．快速钻井剂稳定井 壁快速钻进作用机理研究 [ J ]．西南石油大学学 报 自然科 学版 ，2 0 1 0，3 2 1 1 6 51 6 9 第一作者简介杨宇平，高级工程师，生于 1 9 7 9年， 2 0 0 4年毕业于天津大学材料学专业，获博士学位 ，现从事 钻井 液 、储 层 保 护 基 础 理 论 与 新 技 术 研 究 工 作 。地 址 1 0 0 0 8 3 北 京市海 淀 区。 电话 0 1 0 8 3 5 9 7 4 1 2 。Ema i l c np e y y p y a ho o ．c o m．c n。 收稿 日期 2 0 1 0 0 1 3 l 本文编辑南丽华