全尺寸深井钻井模拟装置对钻井技术发展的影响.pdf

第 3 9卷 第 3期 2 O 1 1年 5月 石 油 钻 探 技 术 P ETROI EUM DRI I I I NG TE CHNI QUES Vo 1 ．3 9 No ． 3 M a y， 2 O11 ． ．专家视 点 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 0 8 9 0 ． 2 0 1 1 ． 0 3 ． 0 0 1 全尺寸深井钻井模拟装置对钻 井技术发展的影响 西德尼 格林 1 ． 斯伦 贝谢 创新中心 ， 犹他 盐湖城8 4 1 0 8 ； 2 ．犹他大学 工学 院， 犹他 盐湖城8 4 1 0 8 摘要 缩短钻井周期是降低深井钻 井成本和钻 井风险 的关键 ， 这需要钻 井新技 术、 新 工 艺、 新 材料 、 新工具的 研 究与应 用， 这必然要很 大程度 上依赖 于大量的室 内试验 。斯伦 贝谢 T e r r a T e k钻完井 实验 室有 全球 最先进的全 尺寸钻 井模拟试验装置 ， 在 3 O多年 间做 了大量 的模拟试验 ， 试验结果对钻 井技 术发 展 、 钻头设计 、 钻井液体 系优选 及性能优化起到 了积 极的促进作 用。在介 绍 T e r r a Te k全尺寸钻 井模拟 试验装置的组成及 主要 功能的基础上 ， 分 析 了该 实验 室在 美国岩石 力学协会钻 井论坛 、 冲击钻井及 深 井钻 井模拟 试验 中取 得的 主要 成果 ， 并介 绍 了该 实验 室在 页岩气地层特点 、 开发技 术和井眼稳定等方面取得的研究进展 。 关 键 词 深 井钻 井 钻 井模 拟 页 岩钻 井 中图分类号 TE 2 1 文献标识 码 A 文章编号 1 0 0 1 - 0 8 9 0 2 O 1 1 0 3 - 0 0 0 卜O 5 Fu l l _ S c a l e De e p W e l l Dr i l l i ng S i mu l a t i o n Si d n e y Gr e e n ’ 1 ． S c h l u mb e r g e r ， S a l t La k e Ci t y， Ut a h， 8 4 1 0 8， US A； 2 ． C o l l e g e o f En g i n e e r i n g， Un i v e r s i t y o f Ut a h ， Sal t La ke Ci t y， a h， 8 41 O 8， USA Ab s t r a c t De e p we l l d r i l l i ng i s e s s e nt i a l f o r o i l a nd g a s r e c o ve r y， a n d i n ma ny wa y s d r i v e s t he a d v a nc e m e n t i n e ne r g y r e c o ve r y f o r u nc on v e nt i on a l a nd d i f f i c u l t r e s e r vo i r s ．Fur t he r m o r e。 3 s t he wo r l d mov e s m o r e t owa r d u nc on v e nt i on a l oi l a n d t o g a s， m o r e a nd mo r e r e l i a n c e i s p l a c e d o n dr i l l i n g． Th i s i s p a r t i c ul a r l y t r u e f o r g a s ， a s mo r e l e n g t h o f d r i l l e d h o l e mu c h g r e a t e r l e n g t h s o f d r i l l e d h o l e wi l l b e r e q u i r e d f o r t h e s a me a m o un t o f BTU ’ s r e c o ve r e d．Dr i l l i ng i s of t e n t h e ke y t o e c o no m i c s u c c e s s a nd r i s k r e du c t i on ．Adv a n c e m e nt s a r e b e i n g ma d e i n d r i l l bi t s， i n dr i l l i n g muds ， a nd d r i l l i n g t e c hni qu e s ．Unf o r t u na t e l y we c a n no t“ s e e ” t he dr i l l i n g o pe r a t i on a t gr e a t de pt hs ， a nd mus t r e l y on e xp e r i me n t a t i on t r i a l a nd e r r o r t o a l a r ge e xt e nt ． The f i e l d dr i l l i n g i s t o s o m e e x t e n t a “ f r e e ” l a bo r a t o r y。 a nd i nd e e d a d v a nc e me nt s a r e b e i n g ma d e v i a t h i s f i e l d l a b o r a t o r y a n d t r i a l a n e r r o r e x pe r i m e nt a t i o n． U n f o r t un a t e 1 v， t he r e a r e 1 i m i t a t i on s wi t h t hi s a pp r o a c h， a n d t h e i n t r o d u c t i o n o f n e w i n n o v a t i o n s t e n d s t o b e s l o w a n d I i mi t e d ． Ho we v e r 。 t h e S c h l u mb e r g e r Te r r a Te k Dr i l l i n g a nd Compl e t i o ns La bo r a t o r y o f f e r s a n op p or t u ni t y f or qu a nt i t a t i ve me a s ur e m e n t s t h a t g r e a t l y a d d t o t h e f i e l d l a b or a t or y o bs e r v a t i on s ．The Te r r a Te k Dr i l l i ng a n d Co mpl e t i on s La b or a t o r y i s t he mo s t a d v a n c e d f a c i l i t y i n t h e wo r l d f o r f u l l s c a l e d r i l l i n g e x p e r i me n t a t i o n ， s i mu l a t i n g g r e a t d e p t h s ． Th e Te r r a Te k f a c i l i t y h a s be e n o pe r a t e d f o r ne a r l y t hr e e d e c a d e s a nd i s we l l r e c o g ni z e d f o r i t s c o nt r i bu t i o ns t o dr i l l i ng a d v a nc e me n t s ． Thi s p a pe r r e v i e w s t hi s wor l d r e c o gni z e d f a c i l i t y， a nd n o t e s s ome i mpo r t a n t ob s e r v a t i o ns ． Ke y wo r ds d e e p d r i l l i n g； s i m ul a t i o n； f u l l s c a l e； t i gh t s ha l e d r i l l i ng 1 I nt r o du c t i o n Dr i l l i n g i s a k e y o p e r a t i o n f o r t h e e n e r g y i n d u s t r y ． E v e n t h o u g h p r o g r e s s i s b e i n g ma d e o n d r i l 1 b i t s ， d r i l l i n g mu d s， a n d d r i l l i n g t e c h n i q u e s [ 。 ] ① ②， n e w i n n o v a t i o n s t e n d t o b e s l o wc ．Th e r r a T e k Dr i l l i n g a n d Co mp l e t i o n s La b o r a t o r y c o n t r i b u t e s t o d r i l l i n g a d v a n c e me n t s b y p r o v i d i n g q u a n t i t a t i v e me a s u r e me n t s t h a t g r e a t l y a d d t o t h e f i e l d 1 a b o r a t o r y o b s e r v a t i o n s ． Dr i l l i n g i n s t a n t a n e o u s p e n e t r a t i o n r a t e d e c r e a s e s wi t h i n c r e a s i n g d e p t h d ue t o i n c r e a s i n g r o c k s t r e s s a n d b o r e h o l e p r e s s u r e ， a n d t h e c o r r e s p o n d i n g a fte c t s o n r o c k b e h a v i o r a n d c h i p r e mo v a l L ． Da y s f r o m i n i t i a t i o n o f d r i l l i n g f r o m “ s p u d d i n g t h e we l l ” 、 a r e s h o wn h o r i z o n t a l l y a n d t h e d e p t h o f t h e w e l l i s s h o w n v e r t i c a l l y i n r e f e r e n c e E 5 ] ． As t h e d e pt h i n c r e a s e s，t h e r a t e o f p e n e t r a t i o n g r e a t l y d e c r e a s e s ， a n d c a n b e a s 1 o w a s o n e o r a f e w f e e t p e r ho u r f o r s o m e h a r d e r s t r o n g e r r o c k f o r ma t i on s o r f o r s o f t s ha l e f o r ma t i o n s t h a t t e n d t o wa r d b i t b a i l i n g a n d d i f f i c u l t c u t t i n gs r e mo v a 1 ． I t i s we l 1 k n o w t h a t r o c ks b e c o me s s t r o n g e r a n d Re c e i v e d 2 0 一 03 - 1 6 ． Bi o o f a u t h o r Si d n e y Gr e e n， M a l e， g r a d u a t e f r o m m e c h a ni c a l e n g i n e e r i n g i n Un i v e r s i t y o f M i s s ou r i a t Ro l l a i n 1 9 5 9 a n d a p p l i e d r i l e c h a n i c s f r o m S t a n f o r d Un i v e r s i t y in 1 9 6 4．r e s e a r c h p r o f e s s o r a n d M e mb e r o f Na t i o n a I Ac a d e my o f En g i n e e r s ， f o u n d e r o f Te r r a Te k， r e s e a r c h i nt e r e s t s f o c u s o n g e o m e c ha n i c s ． Co n t a c t i n f o r ma t i o n 卜 8 0 1 5 5 6 - 87 5 3， s gr e e n t e r r a t e k ． c o n 1． ①p r i v a t e c o mmu n i c a t i o n s Ra p i d e x c a v a t i o n p r o g r a m， US A Ad v a n c e d Re s e a r c h P r o j e c t s Ag e n c y ， 1 9 6 8 - 1 9 7 0 ， US A De p t ． o f D e f e n s e ． ⑦ S i d ne y Gr e e n． Re c e n t a d v a n c e me n t i n u n d e r s t a n d i n g d e e p d r i l l i n g Un i v ． o f Ut a h Me t a l l u r g i c a l Eng i n e e r in g S e mi n a r ， Ut a h， No v ． 2 0 0 8 ． 石 油 钻 探 技 术 2 O 1 1年 5月 s h o w a p p a r e n t d u c t i l e be h a v i o r a s t he s t r e s s e s i n c r e a s e a t g r e a t e r d e p t h s [ “ ] 一 whi c h c o n t r i b u t e t o l o we r p e n e t r a t i o n r a t e s ． Th i s a p p a r e n t d u c t i l e b e h a v i o r i s s h o wn i n Fi g ． 1． wh i c h i s a b o t t o m h o l e p a t t e r n f r o m a Te r r fl Te k d r i l l e d s a n d s t o n e u n d e r h i g h p r e s s ur e s [ ．Thi s wa s d r i l l e d wi t h a r o l l e r c o n e“ b u t t o n ”b i t ． a n d t h e b i t t o o t h i n d e n t a t i o ns a r e c l e a r l y v i s i b l e ． Fi g ． 1 Bo t t o m- h o l e p a t t e r n d r i l l e d a t h ii g h b o r e ho l e p r e s s u r e F i g ． 2 s h o ws l a b o r a t o r y i n s t a n t a n e o u s p e n e t r a t i o n r a t e d r i l l i n g i n t o c o mp e t e n t s a n d s t o n e wi t h a r o l l e r c o n e b i t a n d l o w we i g h t mu d ， 。 ， ．Ob v i o u s l y。 d r i l l i n g a t a t mo s p h e r i e c o n d i t i o n s wi l l n o t s i mu l a t e d e e p d r i l l i n g ] ． 2 B o r e h o l e p r e s s u r e ／ p s i Fi g ． 2 Ra t e of p e ne t r a t i o n v e r s us bo r e h ol e p r e s s u r e Te r r a Te k Dr i l l i n g a nd Co m p l e - t i o ns La bo r a t o r y Th e Te r r a Te k Dr i l l i n g Re s e a r c h La b o r a t o r y h a s a d r i l l i ng t o we rFi g ． 3 ．Fu l l s c a l e d r i l l i n g i s p o s s i b l e Fi g ． 3 Dr i l l i ng t o we r f o r f u l l s c a l e dr i l l i ng t e s t p i c t u r e t a k e d f r o m T e r r a T e k l a b wi t h a r o t a r y t a b l e wi t h v a r i a bl e s p e e d c on t r ol a n d s e r v o c o n t r o l l e d b i t we i g h t t o a bo u t 5 0 0 0 0 0 p o u nd s d r i l 1 s t e m l d a db i t we i gh t a n d p r e s s ur e ve s s e l pr e s s u r e 1 d a d ．Th e mu d pu mp， wi t h a b o u t 20 00 h or s e p owe r v a r i a bl e s t r o ke pu mp i n g p o s s i bl e ．M u d p r e s s u r e i s“c ho k e d ” u s i n g t un g s t e n - c a r b i d e v a r i a b l e c o n t r o l c h o k e s t o c o n t r o 1 b o r e h ol e p r e s s u r e t o a s hi g h a s 2 0 0 0 0 p s i u s i ng mo d i f i e d f l u i d e n d s f o r t he hi g h p r e s s u r e p u mp i n g ． Th e c o nt r o l r o o m i s s h o wn i n Fi g ． 3， wh i c h a l l o ws r e mo t e o p e r a t i o n s o f b i t we i g h t ， r o t a r y s p e e d， a n d mu d f l o w． A1 l d a t a a r e r e c o r d e d di g i t a l l y v e r s u s t i me ． Th i s 1 a b o r a t o r y h a s b e e n o p e r a t e d s i nc e t h e mi d 1 9 7 0’ s ． a nd h a s c o n d u c t e d t h o u s a n d s o f d r i l l i n g t e s t s ． Cy l i nd r i c a l r oc k s a m p l e s up t o n e a r l y t wo f e e t d i a me t e r a n d a b ou t f i ve f e e t i n l e n gt h ar e s e a l e d wi t h r o b b e r a c k e t s t o p r e v e n t t h e c o n f i n i n g p r e s s ur e f l ui d i nt r u s i o n ． Th e i n t o a we l l b or e s i m u l a t o r r o c k s a mpl e s a r e i n s e r t e d p r e s s ur e v e s s e l ， s h o wn i n Fi g． 4 ．A‘ po l i s he d’ dr i l 1 s ha f t i s s e a l e d wi t h a d o u b l e s e a l s y s t e m ， a l l o wi n g mu d t o g r e a s e a n d g r e a s e t o a t m o s ph e r e pr e s s u r e dr o ps ．Thi s i nn ov a t i ve de s i g n ha s be e n us e s i n ma ny，ma n y t e s t s t o hi g h pr e s s u r e s a nd ha s pr o ve n v e r y r e l i a b l e The r o t a r y s wi ve l n ot s h o wn i n de t a i l he r e a l s o us e s a s pe c i a l l y d e s i gn e d s e a l a r r a ng e me n t t o s e a l p r e s s ur e s u p t o 2 0 0 0 0 ps i m u d pr e s s u r e s ． Fi g ． 4 Ro c k s a m pl e f or dr i l l i ng a nd dr i l l i ng c o nt r o l r o o m M a ny d i f f e r e nt d r i l l bi t s a nd d r i l 1 muds h a v e be en us ed I n res e arc h and eng1 neer l ng pr ogr am s o ve r t he y e a r s ． So m e t y pi c a l bi t s o f va r i ou s c o nf i g u r a t i o ns h a v e be e n t e s t e d， s uc h a s r ol l e r c o ne b i t ， 7 一 bl a d e PDT b i t ， 4 一 bl a de PDT bi t ，i mp r e gn a t e d d i a mo nd bi t E ． Th e Te r r a Te k dr i l l i n g 1 a bo r a t o r y ha s m a d e a s i gn i f i c a nt c on t r i bu t i o n t o t he de ve l op m e nt of dr i l l bi t s ．Fi r s t ，wi t h t he d e v e l o pme n t o f r ol l e r c on e mi l l e d t o o t h a n d t u n g s t e n c a r b i d e i n s e r t b i t s[ ． Te r r a Te k t e s t e d ne w s e a l s a nd l ub r i c a nt s。ne w be a r i ng de s i g ns ，ne w hi g h t e mpe r a t ur e me t a l s f or g e o t he r ma l dr i l l i n g， a nd i m p r ov e d t un gs t e n c a r bi d e i ns e r t s ． Fo r t he PDC f i xe d c u t t e r d r i l 1 b i t s ． Te r r a Te k wa s a m a i o r c o nt r i bu t o r i n t h e d e v e l o pme nt ． I n t h e e a r l y s t a g e s o f PDC c u t t e r d e v e l o p me n t i n t h e 1 9 7 0 1 9 8 0’ s n e a r l y a l l n e wl y d e v e l o p e d P DC b i t s we r e t e s t dr i l l e d a t Te r r a Te k L ．Ne w d e s i gns o f PDC c u t t e r s c on t i nu e t o be t e s t e d a t Te r r a Te k． 【 _ q ． ＼ 蜀 o l 再 扫 u 矗 J o 等 第 3 9卷第 3期 西德尼 格林． 全尺寸深 井钻 井模拟装 置对钻 井技 术发展 的影响 Eq ua l l y f or dr i l l i n g m u ds ， Te r r a Te k ha s be e n a 1 a b or a t or y t o q ua n t i t a t i v e l y d e f i ne m u d de s i g ns a n d m u d a dd i t i v e s o n i ns t a n t a n e ou s p e n e t r a t i on r a t e s i n v a r i o us r oc ks ． The d e e p we l I dr i l l i n g s i mul a t i on s ha v e b e e n i n va l u a bl e i n t he de ve l op me nt o f no v e l dr i l l i n g c o ns i de r a t i o ns L 引．Fo r e xa m p l e s，v i b r a t i o n d r i l l i n g， h i g h mu d p r e s s u r e j e t d r i l l i n g _ l 6 _ ，s p a r k dr i l l i n g， c a v i t a t i ng d r i l l i ng e n ha n c e m e nt ， do wn ho l e c ha i n c u t t e r bi t s ，b ul l e t e nha nc e d d r i l l i ng，o f f s e t no n c e nt e r e d bi t s ， c o ni c a 1 r e a me r s， pa r t i c l e dr i l l i n g “ Pa r t i c l e Dr i l l i n g” i s a c o mme r c i a 1 p r o d u c t ， ha m me r d r i l l i n g，mud h a m me r de v e l op m e nt ，ul t r a hi gh s pe e d dr i l l i n g，t h e r ma l s p a l l i ng d r i l l i n g，r oc k me l t i n g dr i l l i n g， a nd e v e n r o c ke t m o t o r d r i l l i ng a r e s o m e o f t he no v e l d e s i gn s t e s t e d i n t he Te r r a Te k Dr i l l i ng a nd Co m p l e t i on s La b or a t o r y L 一 ． 3 Dr i l l i n g Ad v a n c e me n t s ARM A Fo r u m The A me r i c a n Ro c k M e e ha n i c s As s o c i a t i o n “ ARM A” Dr i l l i n g F o r u m b r o u g h t t og e t he r e xp e r t s f r o m m m m g，C l V l i e ng i ne e r i ng， t u nn e l i n g， ge ot he r ma l e ne r gy r e c o v e r y， a nd o i l a nd gas r e cove r y ．Th i s wa s a r e v i e w a nd upd a t e f r o m t he USA Na t i o na 1 Re s e a r c h Co unc i l ， “ Dr i l l i n g f o r E n e r g y Re s o u r c e s ” 。1 9 7 6 Re p o r t L 。 j C h a i r e d b y Si dn e y Gr e e na n d t h e f o l l ow o n r e p or t “Dr i l l i n g a n d Ex c a v a t i on Te c hno l o gi e s f o r t h e Fu t u r e ”， 1 9 9 4 Re p o r t [ ． The c onc l us i o ns [ 1 9 ] f r o m t h e ARM A Fo r um a r e 1 r o c k d e s t r u c t i o n， wh i c h i n e l u d e“ d r i l l i n g ” ／ r o c k b r e a k i n g ， p o w e r t o b i t ／ c u t t e r s 1 i k e mo t o r s ， d r i l l i n g f l u i d s ． i n s t r u me n t a t i o n o n b i t ／ c u t t e r ； 2 b o r e h o l e o r e x c a v a t i o n i n t e g r i t y ； 3 l o o k a h e a d o f d r i l 1 i n g ／ e x c a V a t i o n．Co m mon d r i l l i ng r e l a t e d t e c hn ol o g i e s f r o m d i f f e r e n t i nd us t r i e s e me r g e d du r i ng t he Fo r um．The b e ne f i t of e a c h s pe c i f i c i nd us t r y d r a wi n g o n a no t he r i ndu s t r y’s t e c hn o l og y be c a me qu i t e c l e a r ．The s e c o nc l u s i on s s h own i n t he“Su mm a r y Fr o m Fo r um” a r e mo s t wo r t hy o f c on s i d e r a t i on ． I m p a c t Dr i l l i n g The be n e f i t s o f i mpa c t d r i l l i ng ha mme r dr i l l i n g f or de e p we l l d r i l l i n g ha v e b e e n c o ns i d e r e d s i n c e wor k i n t he 1 9 6 0’s L ，a nd h a v e mo s t r e c e n t l y b e e n c o n s i d e r e d a s mo r e r e l i a b l e mu d h a mme r s h a v e b e c o me a v a i