PDC钻头复合钻井技术在苏北油区的应用.pdf

２ ０ １ ６年 第４ ５卷 第３期第７ ０页 石 油 矿 场 机 械 犗 犐 犔 犉 犐 犈 犔 犇 犈 犙 犝 犐 犘犕犈 犖 犜 ２ ０ １ ６，４ ５（３） ７ ０  ７ ３ 文章编号 １ ０ ０ １  ３ ４ ８ ２（２ ０ １ ６）０ ３  ０ ０ ７ ０  ０ ４ 犘 犇 犆钻头复合钻井技术在苏北油区的应用 孟 鹏１， 邵冬冬１， ２， 严 沾１， 蒋 涛１， 华祝春１ （１．江苏石油工程有限公司 钻井处， 江苏 扬州２ ２ ５ ２ ６ １； ２．中国石化集团 江苏油田博士后科研工作站， 江苏 扬州２ ２ ５ ０ ０ ９） 摘要 为了提高苏北油区钻井机械钻速， 采用了Ｐ Ｄ Ｃ钻头多种复合钻进的钻具组合方法。其中水 力脉冲接头配合Ｐ Ｄ Ｃ钻头复合钻井是将常规复合钻进的高转速破岩与脉冲接头、 脉冲喷嘴进行组 合， 把机械能与水利能有效结合的清岩模式； 在复合钻井的高效破岩效果下， 加上水力脉冲技术， 可 充分体现多重钻井的提速作用。分析了Ｐ Ｄ Ｃ钻头、 螺杆钻具、 脉冲接头以及脉冲喷嘴不同的结合 方式在苏北油区的应用， 结果表明复合钻井技术不同组合方式比常规复合钻井平均机械钻速提高 ２ ４． ４ ４％～１ ２ ３． ９％， 取得了良好的应用效果。 关键词 Ｐ Ｄ Ｃ钻头； 复合钻井； 螺杆钻具； 脉冲工具 中图分类号Ｔ Ｅ ９ ２ １． １ 文献标识码 Ｂ 犱 狅 犻１ ０． ３ ９ ６ ９／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １  ３ ４ ８ ２． ２ ０ １ ６． ０ ３． ０ １ ６ 犘 犇 犆犇 狉 犻 犾 犾犅 犻 狋犆 狅 犿 狆 狅 狌 狀 犱犇 狉 犻 犾 犾 犻 狀 犵犜 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵 狔 犻 狀狋 犺 犲犗 犻 犾犚 犲 犵 犻 狅 狀狅 犳犖 狅 狉 狋 犺 犲 狉 狀犑 犻 犪 狀 犵 狊 狌 ＭＥ ＮＧＰ ｅ ｎ ｇ １， Ｓ ＨＡＯＤ ｏ ｎ ｇ ｄ ｏ ｎ ｇ １，２， ＹＡＮＺ ｈ ａ ｎ １， Ｊ Ｉ ＡＮＧＴ ａ ｏ １， ＨＵＡＺ ｈ ｕ ｃ ｈ ｕ ｎ １ （１．犇 狉 犻 犾 犾 犻 狀 犵犆 狅 犿 狆 犪 狀 狔，犛 犐 犖犗 犘 犈 犆犗 犻 犾 犳 犻 犲 犾 犱犛 犲 狉 狏 犻 犮 犲犑 犻 犪 狀 犵 狊 狌犆 狅 狉 狆 狅 狉 犪 狋 犻 狅 狀， 犢 犪 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ｎ ｇ ｐ ｅ ｎ ｇ ． ｊ ｓ ｙ ｔ ＠ｓ ｉ ｎ ｏ ｐ ｅ ｃ ． ｃ ｏ ｍ。 了开采难度， 如何快速提高钻进速度成为首要任 务［ １  ２］。Ｐ Ｄ Ｃ钻头配合螺杆钻具复合钻井技术已成 为钻进过程的主流钻井技术， 高效的应用效果得到 了普遍认可。在复合钻进的基础上， 增加脉冲接头 与喷嘴的组合方式， 是另一种高效复合钻井技术。 脉冲射流复合钻井技术是基于Ｐ Ｄ Ｃ钻头在“ 螺 杆钻具＋转盘钻动” 的机械破岩与井底脉冲射流更 好地携带岩屑的水力能量相结合的一种提高机械钻 速的方法。采用多种钻具的不同组合方法在苏北油 区的应用是一种新的尝试， 旨在寻找更好的组合配 置， 提高钻井机械钻速。 １ 犘 犇 犆破岩机理 Ｐ Ｄ Ｃ钻头主要依靠冠部来进行岩石切削， 不同 于牙轮钻头的压入地层， 依靠牙齿纵向压裂力破坏 岩石的抗压强度的破岩机理。Ｐ Ｄ Ｃ钻头主要是以 金刚石颗粒沿着剪切面进行切削， 图１为切屑过程 示意［ ３  ４］。破岩时主要克服岩石的抗剪强度， 而克服 岩石的抗剪强度比克服岩石的抗压强度的破岩方式 要易于进行。 图１ 切屑过程示意 在塑脆性岩石中， 在犠 和犜的同时作用下， 垂 直压力在比岩石硬度小得多的条件下， 切屑刃就可 以沿θ角切入岩石， 使其产生体积破碎。岩石破碎 分为３个过程 首先刃前岩石沿剪切面破碎后， 犜力 减小， 切削刃向前推进， 碰撞刃前岩石； 其次在扭力 犜作用下压碎前方的岩石， 使其产生小剪切破碎， 扭 力犜增大； 最后刀翼或切削齿继续压挤前方的岩石 （ 部分被压成粉状） ， 当扭力犜增大到极限值时， 岩 石沿剪切面破碎， 然后扭力突然变小。碰撞、 压碎及 小剪切、 大剪切这３个过程反复进行， 形成破碎塑脆 性岩石的全过程。 根据Ｐ Ｄ Ｃ钻头的破岩机理可以看出 在犠钻 压较小， 在旋转力为定量的情况下， 钻头旋转的速度 与切削效率成正比关系， 复合钻进中螺杆钻具加上 转盘驱动的复合钻井技术能增加切削岩石的速度， 达到提高钻进速度的目的。 Ｐ Ｄ Ｃ钻头目前还是存在一定的局限性。适合 在软至中硬地层中使用， 对于地层中存在的夹层与 类似玄武岩和辉绿岩等硬度较大的地层不适合使 用， 会加大钻头金刚石颗粒的快速崩落、 损坏。 金刚石颗粒单次切削破岩后， 在切削表面岩石 周围具有残余应力， 形成了岩石破碎带， 岩石产生裂 纹从而受到了损伤。下次切削破岩时岩石的抗剪强 度大幅降低， 增加了钻头的使用寿命。 ２ 犘 犇 犆复合钻井技术 Ｐ Ｄ Ｃ复合钻井技术是以提高钻井机械钻速， 快 速钻进为目的。在苏北区块复合钻进方式已经得到 广泛使用， 而Ｐ Ｄ Ｃ钻头＋螺杆的钻具组合， 配合脉 冲接头与喷嘴的钻井技术正在完善中， 在应用中起 到了良好的提速效果［ ５  ６］。 螺杆钻具是一种以钻井液为动力的井下动力工 具， 钻井泵泵出的钻井液流经旁通阀进入马达， 在马 达进出口处形成一定压差推动马达的转子旋转， 并 将转矩和转速通过万向轴和传动轴传递给钻头， 达 到高转速破岩的目的。 复合钻井技术是利用螺杆钻具的高转速、 高转 矩带动钻头高速旋转来提高破岩效率的一项技术。 主要利用钻头高速旋转的动能产生横向力来剪切、 磨蚀地层， 其主要破岩特征在于对地层的磨蚀。 由于Ｐ Ｄ Ｃ钻头切削特性， 形成了损伤岩石， 且 Ｐ Ｄ Ｃ钻头切削的岩屑相对体积较小， 容易形成沉积 以及泥包， 造成钻头的反复切削， 损伤钻头寿命。随 着钻井液密度和井深的增加， 液柱压力对井底破碎 出来的岩屑产生压持作用， 钻头切削出来的岩屑在 压差作用下不易离开井底， 结果是在井底形成垫层。 脉冲工具配合Ｐ Ｄ Ｃ钻头复合钻井， 能加大岩石 的冲蚀， 减小钻头切削的抗剪强度， 利于钻头切割， 有效地减缓钻头磨损［ ７  ８］。脉冲接头和喷嘴形成的 脉冲射流能增加对岩屑的冲击， 形成脉冲涡流打散 岩屑， 带动岩屑容易返出， 减少钻头重复切削。脉冲 工具提高了射流的瞬时打击力、 有效喷射距离和射 流到达井底时的水利能量， 配合Ｐ Ｄ Ｃ复合钻进方式 大幅提高了钻井速度。 ３ 复合钻井技术的应用 复合钻井技术在苏北油区主要应用在软至中硬 地层。 １７ 第４ ５卷 第３期 孟 鹏， 等Ｐ Ｄ Ｃ钻头复合钻井技术在苏北油区的应用  ３． １ 犘 犇 犆＋螺杆的复合钻井方法在安丰２ ８井应用 安丰２ ８井在２１ ４ ６． ５ ５～２４ ５ ５． ０ ０ｍ井段使用 Ｐ Ｄ Ｃ钻头＋螺 杆 （１． ２ ５ ） 进 行 稳 斜 钻 进， 钻 头 为 Ｍ １ ６ ４ Ｇ ２ Ｄ型Ｐ Ｄ Ｃ钻头， 进尺３ ０ ８． ４ ５ｍ， 纯钻时间 ３ ４． ７ ５ｈ， 机械钻速８． ８ ８ｍ／ｈ。 钻 井 参 数 钻 压４ ０～８ ０ ｋ Ｎ， 转 盘 转 速６ ０ ｒ／ｍ ｉ ｎ， 泵压２ １ＭＰ ａ， 排量３ ２Ｌ／ｓ。钻井液密度１． ２ ３ ｇ ／ｃ ｍ ３， 黏度４ ８Ｐ ａｓ， 含砂０． ２％。地层为泥岩和 粉砂岩互层， 岩性为软至中硬。 钻具组合 ２ １ ５． ９ Ｐ Ｄ Ｃ钻头＋ １ ７ ２单弯螺杆 （ １． ２ ５ ）＋ １ ６ ５浮阀＋ ２ １ ４稳定器＋４ １ １４ Ａ １ ０接 头（ 定直）＋ １ ５ ９无磁钻铤＋ １ ５ ９螺旋钻铤＋４ Ａ １ １ ４ １ ０接 头＋ １ ２ ７加 重 钻 杆 （ 斜 台 阶）＋ １ ２ ７ 钻杆。 安丰２ ８井与邻井安丰２ ７井钻时对比如图２所 示。安丰２ ７井在２３ ３ ７． ８ ８～２４ ４ ０． ０ ０ｍ井段， 与 安丰２ ８井岩性、 钻井参数基本相同， 未使用螺杆配 合Ｐ Ｄ Ｃ钻头复合钻井， 机械钻速为１ ０． ０ ７ｍ／ｈ； 安 丰２ ８井在相同井段机械钻速为１ １． ５ ８ｍ／ｈ， 同比机 械钻速提高了１ ５％。 图２ 安丰２ ８井与邻井钻时对比图 ３． ２ 犘 犇 犆＋脉冲接头＋螺杆的复合钻井方法在永 ４ ３  ３井应用 永４ ３  ３井在２０ ０ ０ ～ ２６ １ ０ｍ井段使用了Ｐ Ｄ Ｃ钻 头＋脉冲接头＋螺杆进行定向钻进， 钻头型号为 Ｍ １ ６ ４ ０ Ｇ １ Ｄ Ｔ， 使用１个水利脉冲空化射流接头。进 尺６ １ ０ｍ， 纯钻时间３ ７ ． ０ ３ｈ， 机械钻速１ ６ ． ４ ７ｍ／ｈ。 钻井参数 钻压４ ０～６ ０ｋ Ｎ， 转盘转速６ ５ｒ／ｍ ｉ ｎ， 泵压１ ８Ｍ Ｐ ａ， 排量３ ２Ｌ／ｓ。钻井液密度１ ． １ ９ｇ／ｃ ｍ ３， 黏度５ １Ｐ ａｓ， 含砂０． ２％。地层为泥岩、 不等砾砂 岩和细砂岩互层， 岩性为软至中硬。 钻具组合  ２ １ ６ Ｐ Ｄ Ｃ＋脉冲接头＋ １ ７ ２单弯螺 杆（ １． ２ ５ ）＋防溅接头＋４ １ １４ Ａ １ ０（ 定直） 接头＋  １ ５ ９无磁钻铤＋４ Ａ １ １４ １ ０接头＋ １ ２ ７加重钻杆 ＋４ １ １４ Ａ １ ０接头＋ １ ５ ９随钻震击器＋４ Ａ １ １ ４ １ ０接头＋ １ ２ ７加重钻杆＋ １ ２ ７钻杆。 永４ ３  ３井与邻井永４ ３  ６井钻时对比如图３所 示。永４ ３  ６井在２０ ０ ０～２６ １ ０ｍ井段， 与永４ ３  ３ 井岩性、 钻井参数基本相同， 未使用水利脉冲空化射 流接头配合Ｐ Ｄ Ｃ钻头复合钻井， 机械钻速为１ ２． ６ １ ｍ／ｈ； 永４ ３  ３井在相同井段机械钻速为１ ６． ４ ７ｍ／ｈ， 同比机械钻速提高了３ ０． ６ １％。 图３ 永４ ３  ３井与邻井钻时对比 ３． ３ 犘 犇 犆＋脉冲喷嘴＋螺杆的复合钻进方法在陈 ２  ６ ０井应用 陈２  ６ ０井在１８ １ ０～２ ２ ６ ０ｍ井段使用了Ｐ Ｄ Ｃ ＋脉 冲 喷 嘴＋螺 杆 进 行 定 向 钻 进， 钻 头 型 号 为 Ｍ １ ９ ４ Ｇ ２ Ｄ， 使用２个１ ６ｍｍ和２个１ ３ｍｍ脉冲喷 嘴。进尺４ ５ ０ｍ， 纯钻时间１ ４． ８ ５ｈ， 机械钻速３ ０． ９ ８ ｍ／ｈ。 钻 井 参 数 钻 压２ ０～４ ０ ｋ Ｎ， 转 盘 转 速７ ０ ｒ／ｍ ｉ ｎ， 泵压１ ６ＭＰ ａ， 排量３ ２Ｌ／ｓ。钻井液密度１． １ ６ ｇ ／ｃ ｍ ３， 黏度５ ２Ｐ ａｓ， 含砂０． ２％。地层为泥岩和 细砂岩互层， 夹杂砾石， 岩性为软至中硬。 钻具组合 ２ １ ６ Ｐ Ｄ Ｃ＋ １ ７ ２单弯螺杆（ １． ２ ５ ） ＋ ２ １ ２稳定器＋ １ ５ ９浮阀＋定向直接头＋ １ ５ ９无 磁钻铤＋ １ ５ ９螺旋钻铤＋４ Ａ １ １４ １ ０接头＋ １ ２ ７ 加重钻杆（ 斜台阶）＋ １ ２ ７钻杆。 陈２  ６ ０井与邻井陈２  ６ ２井钻时对比如图４所 示。在１８ １ ０～２２ ６ ０ｍ井段， 与陈２  ６ ０井岩性、 钻 井参数基本相同， 未使用脉冲喷嘴配合Ｐ Ｄ Ｃ钻头复 合钻井， 机械钻速为２ ４． ３ ５ｍ／ｈ。陈２  ６ ０井在相同 井段机械钻速为３ ０． ３ ０ｍ／ｈ， 同比机械钻速提高了 ２ ４． ４ ４％。 图４ 陈２  ６ ０井与邻井钻时对比 ２７ 石 油 矿 场 机 械 ２ ０ １ ６年３月  ３． ４ 犘 犇 犆＋脉冲喷嘴＋脉冲接头＋螺杆复合钻井 方法在永４ ３  ９井应用 永４ ３  ９井在３ ７ ４～２７ ６５ ｍ井段使用了Ｐ Ｄ Ｃ＋ 脉冲喷嘴＋脉冲接头＋螺杆进行定向钻进， 钻头为 Ｍ １ ６ ５ Ｇ １ Ｄ Ｔ型， 进尺２３ ９ １ｍ， 纯钻时间１ ２ ７ｈ， 机械 钻速１ ８． ８ ３ｍ／ｈ。 钻 井 参 数 钻 压４ ０～６ ０ ｋ Ｎ， 转 盘 转 速６ ０ ｒ／ｍ ｉ ｎ， 泵 压１ ７ ＭＰ ａ， 排 量３ ２ Ｌ／ｓ。钻 井 液 密 度 １． １ ６～１． ２ ３ｇ ／ｃ ｍ ３， 黏度４ ８～６ １Ｐ ａ ｓ， 含砂０． ２％。 地层为泥岩和砂岩互层， 岩性为软至中硬。 钻具组合  ２ １ ６ Ｐ Ｄ Ｃ＋脉冲接头＋ １ ７ ２单弯螺 杆（ １． ２ ５ ）＋ １ ６ ５浮阀＋ ２ １ ２稳定器＋定向接头＋  １ ５ ９无磁钻铤＋ １ ５ ９螺旋钻铤＋４ Ａ １ １４ １ ０接头 ＋ １ ２ ７加重钻杆＋４ １ １４ Ａ １ ０接头＋ １ ７ ２随钻震 击器＋４ Ａ １ １４ １ ０接头＋ １ ２ ７加重钻杆＋ １ ２ ７钻 杆（ 斜台阶） 。 永４ ３  ９井与永４ ３  ６井机械钻速对比如表１所 示。永４ ３  ９井在３ ７ ４～１７ ７ ０ｍ、 １７ ７ ０～２７ ６ ５ｍｍ 井段， 与永４ ３  ６井在岩性、 钻井参数基本相同， 在相 同井段机械钻速分别提高１ ２． ９ ４％、 ９ ２． ５ ８％， 整体 提高１ ２ ３． ９％。 表１ 永４ ３  ９井与永４ ３  ６井机械钻速对比 类型井号钻头型号井段／ｍ进尺／ｍ纯钻时间／ｈ机械钻速／ （ｍｈ－１）钻速提高／％ 应用井永４ ３  ９ Ｍ １ ６ ４ Ｇ １ Ｄ Ｔ３ ７ ４～１７ ７ ０１３ ９ ６６ ２． ０２ ２． ５ ２＋１ ２． ９ ４ Ｍ １ ６ ５ Ｇ １ Ｄ Ｔ１７ ７ ０～２７ ６ ５９ ９ ５６ ５． ０１ ５． ３ １＋９ ２． ５ ８ 对比井永４ ３  ６ Ｍ １ ６ ４ Ｇ １ Ｄ Ｔ３ ５ ３． ６ ５～１５ ３ ６１１ ８ ２． ３ ５８ ３． ５１ ９． ９ ４ １５ ３ ６～２６ ０ ２１０ ６ ６１ ８ ４７． ９ ５ 在３个区块４口井（ 安丰２ ８井、 永４ ３  ３井、 陈 ２  ６ ０井和永４ ３  ９井） 的应用效果表明Ｐ Ｄ Ｃ＋螺杆 复合钻进方式比常规钻进机械钻速提高１ ５％；Ｐ Ｄ Ｃ ＋脉冲接头＋螺杆复合钻进方式比常规复合钻井方 式机械钻速提高３ ０． ６ １％；Ｐ Ｄ Ｃ＋脉冲喷嘴＋螺杆 复合钻进方式比常规复合钻井方式机械钻速提高 ２ ４． ４ ４％；Ｐ Ｄ Ｃ＋脉冲喷嘴＋脉冲接头＋螺杆复合钻 进方 式 比 常 规 复 合 钻 井 方 式 机 械 钻 速 提 高 １ ２ ３． ９％。 ４ 结论 １） “Ｐ Ｄ Ｃ＋螺杆钻具” 钻具组合配合转盘驱动 的复合钻井技术能增加切削岩石的速度， 从而提高 了机械钻速。 ２） 脉冲工具较好地利用了射流的瞬时打击 力、 有效喷射距离和射流到达井底时的水利能量， 配 合Ｐ Ｄ Ｃ复合钻进方式提高了钻井速度。 ３） 针对苏北区块地层不同情况， 可调整复合 钻井中钻具的组合方式， 优化配置。 ４） ４口井应用证明脉冲工具复合钻井相比常 规 复 合 钻 井 的 平 均 机 械 钻 速 提 高 了２ ４． ４ ４％～ １ ２ ３． ９％， 达到较好的提速效果， 具有推广应用价值。 参考文献 ［１］ 杨德勇．螺杆钻具加Ｐ Ｄ Ｃ钻头钻井技术［Ｊ］．工业设 计， ２ ０ １ １（５） ２ １ ２． ［２］ 袁赞兵． Ｐ Ｄ Ｃ＋螺杆钻具复合钻井方法在塔河油田的 应用［Ｊ］．科技信息， ２ ０ １ ２（２ ７） ５ ０ ０  ５ ０ １． ［３］ 伍开松， 廖飞龙．岩石切削损伤后Ｐ Ｄ Ｃ齿破岩规律探 讨［Ｊ］．石油机械， ２ ０ １ ４，４ ２（５） ２ ９  ３ ３． ［４］ 邓敏凯， 吴开松， 胡伟． Ｐ Ｄ Ｃ钻头切削齿破岩仿真与试 验分析［Ｊ］．石油机械， ２ ０ １ ４，４ ２（１） １ ０  １ ３． ［５］ 于伟， 汪海兰， 刘学国， 等．动力钻具配合高效钻头技术 在中原油田 钻井 的 应 用［Ｊ］．内蒙 古 石油 化工，２ ０ １ ２ （３） １ ０ １  １ ０ ５． ［６］ 汪海阁， 刘杰， 朱明亮．井下动力钻具配合高效钻头提 高钻井效率的实验研究［Ｊ］．钻采工艺，１ ９ ９ ９，２ ２（２） １  ３． ［７］ 饶开波， 刘彬， 王义雄， 等．水力脉冲空化射流钻井技术 现场试验［Ｊ］．钻采工艺， ２ ０ １ ２，３ ５（５） １ ２ １  １ ２ ２． ［８］ 王学杰， 李根生， 康延军， 等．利用水力脉冲空化射流复 合钻井 技 术 提 高 钻 速 ［Ｊ］．石 油 学 报，２ ０ ０ ９，３ ０（１） １ １ ７  １ ２ ０． ３７ 第４ ５卷 第３期 孟 鹏， 等Ｐ Ｄ Ｃ钻头复合钻井技术在苏北油区的应用 