哈山3井火成岩地层钻井难点与提速对策.pdf

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 4年第4 2卷 第 9期 钻井技术与装备 哈 山 3井火成岩地层钻 井难点与提速对策 赵洪山 周 燕 王 涛 唐 波 1 ．中石化胜利石 油工程有 限公 司钻 井工艺研 究院2 ．中国石 油集 团钻 井工程技术研究院 摘要准噶尔盆地火成岩地层具有岩石坚硬 、可钻性差、井斜 问题突出等特 点，严重影响 了 石炭系 目的层的勘探开发进程。为此，在分析哈山3井火成岩地层钻进过程 中的技术难点 以及扭 转冲击工具在火成岩 中的适应性的基础上 ，针对 S L T I T型扭转冲击工具的工作原理 、主要结构及 性能特点进行 了深入分析，指 出该工具通过将部分流体 能量转换成一定频率、周 向扭转的冲击扭 矩，并直接传递给钻头，能够有效消除 P D C钻头的卡滑现象，提高难钻地层机械钻速。该扭转冲 击工具首次在哈山3井火成岩 中现场试验，一次入井连续工作 6 4 9 h ，单趟钻进尺 4 5 7 ． 5 m，行程 钻速 0 ． 7 m ／ h ，经与相邻上部火成岩井段钻 井情况对 比，行程钻速提高 4 5 ． 8 ％ ，节约 了至少 1 1趟 起 下钻 时间与钻头费用。S L T I T型扭转冲击工具的成功开发为今后准噶尔火成岩地层 的钻井施工 探 索出了一种有效提速手段。 关键词 火成岩地层；扭转冲击工具 ；复合钻井；准噶尔盆地；机械钻速 中图分类号 T E 9 2 1 文献标识码A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 4 ． 0 9 ． 0 1 0 Di ffi c u l t i e s i n Dr i l l i ng I g ne o u s Ro c k Fo r m a t i o n s a n d Pr o p o s e d ROP I mpr o v e me n t f o r W e l l Ha s h a n 3 Zh a o Ho n g s h a n Zho u Ya n W a n g Ta o Ta ng Bo 1 ． D r i l l i n g T e c h n o l o g y R e s e a r c h I n s t i t u t e ， S h e n g l i P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g C o ． ， L t d ． ， S I N O P E C； 2 ． C N P C D r i l l i n g R e s e a r c h I nst i t u t e Ab s t r a c t T h e h a r d i g n e o u s r o c k f o r ma t i o n s i n J u n g g a r B a s i n h a v e p o o r d r i l l a b i l i t y a n d s e r i o u s w e l l d e fl e c t i o n i s s u e s wh i c h s e rio us l y a f f e c t t h e e x p l o r a t i o n a n d d e v e l o p me n t p r o g r a m o f t h e t a r g e t e d Ca r bo n i f e r o u s l a y e r s ． To a d d r e s s t h e s e i s s ue s，t he t e c h n i c a l d i ffi c u l t i e s i n d r i l l i ng i g ne o us f o r ma t i o n s i n we l l Ha s h a n 3 a n d t h e a d a p t a b i l i t y o f t o r s i o n i mp a c t a s s e mb l y a r e a n a l y z e d ． I n d e p t h a n a l y s e s h a v e b e e n c o n d u c t e d o n t h e w o r k p r i n c i p l e， ma i n s t r u c t u r e a n d t e c h n i c a l p e r f o r ma nc e o f S L TI T t o r s i o n i mpa c t a s s e mb l y，i n d i c a t i ng t h a t b y c o n v e r t i n g p a r t o f t he f l u i d e n e r g y i n t o d ril l b i t ’ S i mp a c t i v e c i r c umf e r e n t i a l t o r q ue wi t h c e r t a i n fre q ue n c y，t h e a s s e mb l y c o u l d e f f e c t i v e l y e l i mi na t e t h e s t i c k s l i p o f PDC b i t a n d i mp r o v e ROP i n c o mp l e x f o r ma t i o n s ．T h e a s s e mb l y h a s b e e n p i l o t e d o n s i t e i n W e l l Ha s ha n 3 t o d r i l l i n i g n e o us r o c k s ． I n s i n g l e t r i p，i t h a s c o n t i n u o us l y wo r k e d f o r 6 49 h wi t h t h e f o o t a g e o f 45 7 ． 5 m a n d R O P o f 0 ． 7 m ／ h ． C o m p a r e d w i t h t h e d r i l l i n g p e rf o r m a n c e o f t h e u p p e r a d j a c e n t i g n e o u s r o c k s e c t i o n w i t h o t h e r t o o l s．t h e ROP h a s b e e n i mp r o v e d b y 45 ． 8％a n d a t l e a s t 1 1 t r i p s h a v e be e n r e d u c e d i n r e s p e c t o f t i me a n d c o s t ． T he S u c c e s s o f S L TI T t o r s i o n i mp a c t a s s e mb l y p r o v i d e s a n e f f e c t i v e s o l u t i o n o f ROP i mp r o v e me n t i n f u t u r e J u n g g a r i g n e o u s r o c k f o r ma t i o n s d ri l l i n g ． Ke y wo r d s i g n e o u s r o c k f o r ma t i o n；t o r s i o n i mp a c t a s s e mb l y；c o mp o u n d d r i l l i n g ；J u n g g a r B a s i n；ROP 0 引 言 哈山 3井是位于准噶尔盆地西部隆起哈山山前 构造带外来推覆体哈山 3构造上的一 口重点探井 ， 设计井深 4 6 0 0 m，主要探索哈山山前构造外来推 覆体及前缘冲断带含油气情况。根据邻井及地震资 料显示 ，钻遇地层 自上而下依次为白垩系 、侏罗系 基金项 目中国石油化工集 团公司科技攻关项 目 “ 胜利准噶尔盆地复杂深 井优快钻井技术研究” J P 1 2 0 1 4 的部分研究 内容 。 2 0 l 4年 第4 2卷 第 9期 赵洪 山等 哈 山 3井火成岩地层钻 井难点与提 速对策 八道湾组 、石炭系和二叠系风城组 ，主要 目的层为 石炭系。地质预计石炭系地层厚度达 3 2 6 0 m 井 深 5 4 0～3 8 0 0 m ，该地层 以火成岩为主 ，岩石坚 硬 、研磨性强 、可钻性差 ，钻进过程中井斜问题突 出、机械钻速低 、单只钻头进尺少 ，是哈山 3井能 否实现优质快速钻井的瓶颈层段l I 。 S L T I T型扭转 冲击工具是 中石化胜利石油工程 有限公 司钻井工艺研究院研制的一种集机械剪切 、 水力和扭转冲击 3种破岩方式共同作用的新型钻井 提速工具 I 4 。该工具能有效解决 P D C钻头在 中 硬 以上及高研磨性地层使用 中存在的卡滑 、吃入深 度不够以及使用寿命短等问题 ，在有效提高机械钻 速 的同时 ，使整个钻柱扭矩均衡稳定 ，达到稳定钻 进过程和保护 P D C钻头等钻井工具的 目的。S L T I T 型扭转冲击工具首次在准噶尔盆地哈山 3井火成岩 中进行试验应用 ，实现了单 只 P D C钻头进尺 4 5 7 ． 5 i n ，行程钻速提高 4 5 ． 8 ％ ，节约 了至少 1 1趟起下 钻时间与钻头费用 ，为今后准噶尔火成岩地层的钻 井施工探索出了一种有效提速手段 。 1 哈山3井火成岩钻井难点分析 哈山 3井 二开 3 1 1 ． 2 m m井 眼主要钻 遇石炭 系地层 ，以火成岩为主 ，岩性为深灰色 、绿灰色凝 灰岩 、安山岩不等厚互层夹深灰色砂砾岩 、凝灰质 角砾岩。该井二开前期 2 0 1 1 2 8 8 8 n a 火成岩井段 钻进期间 ，先后应用高效牙轮／ P D C水力加压器 、 高效牙轮 螺杆钻具复合钻井等常规提速手段 ，均 没有起到很好的提速效果 详见 图 1所示 ，仍然 存在单只钻头进尺少 、行程钻速低 、起下钻趟数多 等钻井难题 。经分析主要有以下几个方面原 因。 1 ． 1 火成岩地层硬 度大 、可钻性差 ，导致了牙轮 钻头进尺普遍偏低 根据火成岩岩石 力学特性试 验结果 j ，哈山 区块火成岩牙轮钻头可钻性极值高达 7 ． 8 2～8 ． 3 8 ， 硬度最高 2 9 0 0 MP a ，因此牙轮钻头使用过程中容 易造成钻头牙齿、壳体以及钻头外径严重磨损，从 而随着钻进继续进行 ，机械钻速将会急剧下降。如 图 1所示 ，该井 2 0 l 1 ～ 2 8 8 8 m井段钻进期问 ，使 用了 H J T 5 3 7 G K、MD 5 3 7及 H J T 6 3 7 G等多 种型 号 高效牙轮钻头 ，平均单 只钻头进尺 3 7 ． 0 0 i n ，最长 进尺 6 3 ． 8 3 m，最短仅 1 9 ． 4 3 m。 1 ． 2 火成 岩岩 性 复 杂、不 均质 性较 差 。导致 了 P D C钻头使用受限 根据录井岩屑识别结果 ，哈山 3井火成岩岩石 类型较多 ，并且夹 杂着火 山角砾岩 、砂 砾岩等岩 性 ，使得 P D C钻头钻进期间容易发生卡滑、憋跳 钻现象 ，从而造成了 P D C钻头的急剧破坏和使用受 限。如图 1所示，该井二开井段使用 M5 3 6 5 L A型号 P D C钻头 水力加压器技术 ，平均机械钻 速 0 ． 4 4 m ／ h ，纯钻时间 5 h ，单只钻头进尺仅 2 ． 2 2 IT I 。 8 0 6 0 o 2 0 0 5 3 ． 0 O a --HJ T 5 3 7 G K；b H J T 5 3 7 G螺杆 ；c MD 5 3 7水力 加压 器 ； d m M5 3 6 5L A水 力加 压 器 ； e MD5 3 7 螺 杆 ； f -- H J 5 3 7G水 力 加 压 器 ； g -- HJ T 6 3 7 G。 图 1 哈 山 3井二 开火成岩 井段 高效钻 头应用效果分析 F i g ． 1 Ap p l i c a t i o n e f f e c t o f h i g h e ffi c i e n t b i t i n d r i l l i n g i g n e o u s r o c k f o r ma t i o n s i n t h e s e c o n d s p u d f o r W e l l Ha s h a n 3 1 ． 3 哈 山山前构造带地层倾角较大 ，导致井斜增 长较快 哈山 3 井 由于部署在准噶尔盆地哈山山前构造 带 ，地层倾角 2 5 。 以上 ，加之火成岩不 同岩性之 间 的可钻性差异大和裂缝发育等原因，井眼易顺着可 钻性较好 的方 向延伸 j ，最终导致 该井 自井深 2 3 0 0 m之后井斜一直呈现增加趋势。根据单点测 斜仪 井 斜监 测 结果 ，当井 深 2 3 9 5 1T I 时井 斜 为 1 ． 7 。 ，井深 2 8 8 2 m时井斜为 4 ． 2 。 ，可见井斜增长 较快 ，这进一步影响了钻井速度。 2 火成岩地层扭转冲击工具的适应性 分析 准噶尔盆地 由于火成 岩岩石类 型多 、岩性复 杂 ，地层 不均 质性较 差 ，在 钻压 和转 速作 用下 ， P D C钻头在井下 的工作环境极 为恶劣 ，经常受 到 纵向、横 向和扭转振动 以及 这几种振动 的综合影 响 ，常导致 P D C钻头发生弹跳 、卡滑和回转现象 ， 从而导致钻头切削齿非正常磨 损，造成 P D C钻头 先期破坏 ，寿命短 ，机械钻速低 。 S L T I T型扭转冲击工具借助部分钻井液能量驱 动 ，给 P D C钻头施加一个 额外均匀稳定 的、扭力 方 向上 旋转方 向 的高频冲击力 ，并直接传 递 给 P D C钻头，使钻头和井 底始终保持连续性 。由 S L T I T提供 的这 种额外 的高频 冲击力 完全改变 了 P D C钻头 的运动 ，相 当于每分钟 9 0 0 2 4 0 0次切 削地层 ，这就使钻头不需要等待扭力积蓄足够的能 石 油机械 2 0 1 4年第 4 2卷第 9期 量就可以切削地层 ，不仅能够有效 消除 P D C钻头 的粘滑 、弹跳和回转 ，延 长 P D C钻头 的使用 寿命 以及减少底部钻具组合和钻杆的疲劳破坏 ，而且提 高了从转盘驱动系统到钻头的能量传递效率 ，使得 P D C钻头钻进火成岩等坚硬地层成为现实。 3 S L T I T型扭转冲击工具技术分析 3 ． 1 结构 S L T I T型扭转冲击工具主要由钻铤短节 、冲击 锤 、喷嘴、中心管 、定 位装置及钻头座 等部件组 成 ，如图 2所示 。其 中钻头座 、钻铤短节分别与下 部 P D C钻头和上部钻铤连接 ，并且二者之 间由定 位装置固定连接。扭转冲击工具内部 的冲击锤和导 向机构能够 转动 ，以便形成 相互隔离的钻井液流 道。钻进过程 中，钻井液经喷嘴截取部分钻井液驱 动冲击锤旋转 ，使得通往导向机构的流道打开 ，同 时导 向机构反 向触发可 以带动 冲击锤 向反方 向旋 转，从而使 P D C钻头在接收转盘或顶驱传递扭矩 的同时 ，接收来 自扭转冲击工具 1 2～ 4 0 H z的周向 冲击能量 。 1 一 钻铤 短 节 ；2 -- 导 流 盖 ；3 -- 冲击 锤 ；4 一 导 同机 构 ； 5 一 喷嘴 ； 6 一 中心管 ； 7 一定位装置 ； 8 ～花键 ； 9 ～钻头座。 图2 S L T I T型扭 转冲击工具 结构 示意图 F i g ． 2 S t r u c t u r a l d i a g r a m o f t h e S L T I T t o r s i o n i mp a c t a s s e mb l y 3 ． 2 工作 原理 S L T I T型扭转冲击工具是专门为解决 P D C钻头 卡滑问题 、以提高难钻地层机械钻速为目的而 自主 研发的一种新型辅助钻井工具 。它利用流体动力学 和能量转换原理 ，在不影响正常钻进的情况下，借 助部分钻井液驱动 内部的冲击锤产生一定频率 的扭 转冲击 ，并直接作用在 P D C钻头上 ，从而 给钻头 施加一个额外 的、周 向扭转的连续高频 冲击扭矩 。 它一方面通过有效消除 P D C钻 头的卡滑现象 ，能 够改善 P D C钻头 的工 作 环境 ；另 一方 面通 过 给 P D C钻头增 加一个 扭转 冲击 能量辅 助钻 头破岩 ， 从而提高难钻地层的钻井速度。 3 ． 3主要技术特点 1 采用一体化多 流道冲击锤设计 ，运动部 件少 ，可靠性高 I9 0 ％ ； 2 在 P D C钻头原有剪切破岩的基础上增加 了扭转冲击破岩的方式和能量 ； 3 可与国内常规 P D C钻头配合使用 ，无需 配备专用钻头 ，适用范围广 ； 4 工具尺寸较短 ，并且 采用独特 的结构设 计 ，即使失效也不影响正常钻进 ； 5 对于适用 P D C钻头的地层均有提速效果 ， 特别适用于中硬以上及高研磨性地层。 4 现场应用效果分析 2 0 1 2年 1 0月 1 7日，S L T I T型扭转 冲击工具配 合 自主研制的 P K 6 2 4 5 MJ D型 P D C钻头于井深2 8 8 8 m时人井 ，至 1 1月 1 3 日钻 进至井 深 3 3 4 5 ． 5 m 时，因本趟钻连续工作时间较长 ，为防止钻头缩径 而起钻 。该趟钻 P D C钻头 扭转冲击工具一次入 井 时 间 累计 6 4 9 h ，进 尺 4 5 7 ． 5 m，纯 钻 时 问 4 5 5 ． 2 5 h ，机械钻速 1 ． 0 m ／ h ，行程钻速 0 ． 7 m ／ h ， 纯钻时效 7 0 ％ 。 采取的钻具组合为 3 1 1 ． 2 m m P K 6 2 4 5 M J D 2 5 4 ． 0 mm扭转冲击工具 2 2 9 ． 0 m m双向减震器 2 2 8 ． 6 m m钻铤 2根 7 3 16 3 0 2 0 3 ． 2 fi l m钻 铤 6根 6 3 1 4 1 0 1 7 7 ． 8 m m钻铤 3根 1 2 7 ． 0 m m加重钻杆 1 5根 1 2 7 ． 0 mm钻杆 ；钻井参数 为 钻压 6 0～ 8 0 k N，泵压 1 3～1 5 M P a ，转速 7 O～ 9 5 r ／ m i n ，排量 3 7～3 9 L ／ s ，钻 井液 密度 1 ． 1 9 1 ． 2 4 g ／ o re ，黏 度 5 5～ 9 0 S 。 4 ． 1 钻头寿命大大延长 P D C钻头 扭转 冲击工具 复合 钻井期 间，先 后分别钻进 了安 山岩 3 5 13 1 、凝 灰质角砾岩 1 2 m、 凝灰岩 6 4 m、凝灰质泥岩 1 2 6 m以及玄武岩 2 2 1 I T I 等 6种岩性火成 岩。尽管火成岩硬度高 、岩性 复 杂 ，钻进期 间掉块严重 ，但从 P K 6 2 4 5 M J D钻头 出 井后的照片 见图 3 可 以看出，出井后该只钻头 没有缩颈现象 ，新度 8 0 ％ ，除 7颗保 径齿崩损严 重之外 ，其他部分保持完好 。由此说明，扭转冲击 工具 的使用大大改善 了 P D C钻头 的工作环境 ，并 延长了 P D C钻头的使用寿命。 4 ． 2 钻 井周期有效缩短 经与哈山3井上部 2 0 1 1～ 2 8 8 8 m井段火成岩 钻进情况对 比，P D C钻头 扭转 冲击工具 复合 钻 井 技 术 采 用 较 小 钻 压 和 转 速 ，行 程 钻 速 提 高