第4章4：防斜打快钻井理论和技术.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,复杂深井防斜打快钻井理论和技术,(,为研究生讲授,),复杂深井钻井技术难题,准葛尔盆地山前构造地质特征,处于山前构造带，构造地应力巨大。,断层切割严重，地应力在纵横向分布复杂。,地层倾角大；地层层理发育、断层多、破碎。,自然造斜效应大。,研究山前高陡构造破碎地层钻井轨迹偏斜规律及井壁岩石破坏机理，寻求防斜打快及安全钻进的有效控制方法，开发一套与这类复杂地层相适应的防斜打快钻井新技术。,塔里木高陡构造防斜打快问题,塔里木盆地山前高陡构造地层倾角大多在,15,-80,，防斜与打快的矛盾十分突出。,需要重点研究的关键技术问题,研究山前高陡构造破碎地层钻井轨迹偏斜规律及井壁岩石破坏机理,寻求防斜打快及安全钻进的有效控制方法,开发出一套与这类复杂地层相适应的深井防斜打快钻井新技术,技术内容简介,动力学防斜打快理论和技术,旋转导向钻井技术,地层可钻性评价与钻头选型技术,水力脉冲空化射流提高深井钻速,新型涡轮复合钻井技术,地层各向异性评估技术,1.,动力学防斜打快理论和技术,v,C,A,B,0,-,b,V,：,钻柱与井壁滑动速率,：,钻柱的公转角速率,：,钻柱的自转角速率,高德利等编著：,复杂地质条件下深井超深井钻井技术,，石油工业出版社，,2004,年,11,月,动力学防斜打快理论的基本假设,基本假设：,钻柱处于,“,涡动,”,状态,地层自然造斜效应仍然起作用,基本组合类型,光钻铤钻具组合在螺旋屈曲状态下工作,带有,“,偏轴,”,或,“,偏心,”,或偏重单元的钻具组合,带有,“,弯曲结构,”,的钻具组合,优点：,解放钻压，防斜打快。,BHA,屈曲特性与井斜控制,螺旋段,螺旋段,a),钻头铰支,b),钻头固支,c),稳定器,螺旋段,垂直钻井时钻头均匀受力与切削,W,有井斜时：,BHA,贴下井壁时轴向力小；,BHA,靠上井壁时轴向力大；,受力不均匀，切削不均匀。,A,B,B,C,BHA,附加动态轴向力的产生机理,上切点：靠轴向力平衡重力分量,下切点：靠井壁平衡重力分量,1.1,光钻铤大钻压防斜打快技术,利用这种防斜技术，在塔西南共钻五口井，取得很好的防斜效果，实钻数据如下表所示：,BHA,与井眼静接触力的影响,BHA,的不稳定性,钻压控制是关键,BHA,螺旋屈曲使接触力显著增大,井下管柱屈曲实验,建立管柱屈曲临界载荷预测模型,进行钻柱屈曲行为的实验研究,光钻铤组合正弦屈曲预测模型,水平井,垂直井,斜直井,r,EIw,2,(,),3,/,1,2,55,.,2,EIw,cr,F,a,O,2,p,3,p,6,p,r,EIw,F,cr,a,sin,2,=,cr,a,光钻铤组合螺旋屈曲预测模型,水平井,斜直井,垂直井,r,EIw,2,2,(,),3,/,1,2,05,.,4,EIw,hel,F,a,O,2,p,3,p,6,p,hel,a,r,EIw,F,hel,a,sin,2,2,=,塔西南实钻经验,使用光钻铤大钻压防斜打快钻进时，井斜应在,2,以内，且需要,40,米以上这样的领眼井段，钻压控制值可由以下经验公式计算：,控制钻压值（钻头公称直径,2,3,）吨,1.2 偏轴钻具组合：,一个偏轴接头、钻头和若干根钻铤与稳定器。,钻头,“,柔性,”,钻铤,或加重钻杆,“,刚性,”,钻铤,普通钻铤,螺旋稳定器,螺旋稳定器,钻头,“,柔性”钻铤,或加重钻杆,“,刚性”钻铤,普通钻铤,偏心控制器,螺旋稳定器,I,II,1.3,“,刚柔,”,组合及偏心,“,刚柔,”,组合研究,根据,“,动力学防斜打快理论,”,设计,偏心,“,刚柔,”,组合,，使钻压增加有利于防斜！,系列,1,：偏心“刚柔”组合；,系列,2,：常规“刚柔”组合。,偏心“刚柔”组合及其防斜特性,偏心控制器安放位置的影响,BHA,：,16,钻头,+9,DC,（,L,1,）,+,偏心控制器,+8,DC,（,L,2,）,+,螺旋稳定器,+9,DC+5-1/2,DP,。,钻井液密度,1.4,井眼扩大,0,，钻压,120kN,，,井斜角,2,。,L,2,=9m,L,1,=3m,L,1,L,2,偏心控制器安放位置的影响,BHA,：,12-1/4,头,+9,DC,（,L,1,）,+,偏心控制器,+8,DC,（,9m,）,+,螺旋稳定器,+9,DC+5-1/2,DP,。,钻井液密度,1.4,井眼扩大,0,，钻压,120kN,，,井斜角,2,。,偏心控制器安放位置的影响,BHA,：,12-1/4,头,+9,DC,（,3m,）,+,偏心控制器,+8,DC,（,L,2,）,+,螺旋稳定器,+9,DC+5-1/2,DP,。,钻井液密度,1.4,井眼扩大,0,，钻压,120kN,，,井斜角,2,。,偏心“刚柔”组合的技术关键,偏心“刚柔”组合的技术关键包括如下几点：,偏心控制器：按“动力学防斜理论”控制,BHA,的运动状态。,偏心“刚柔”组合优化设计计算方法：能够对,BHA,结构进行优化组合设计计算。,地层各向异性定量评估及钻压优化控制计算方法：能够定量评估计算实钻地层的自然造斜效应，并根据垂直钻进“稳斜平衡原理”合理确定钻压值。,偏心“刚柔”组合控制下钻头破岩的新机理。,偏心“刚柔”组合防斜打快机理,这种组合保持了“刚柔”钻具组合的所有优点，从而实现了静力学意义上的优化；,由于偏心控制器迫使这种,BHA,不再处于自传状态，从而增加了动力学防斜打快效应；,由于,BHA,具有偏心“刚体位移”，从而使钻头各牙齿对井底产生不均匀压力分布，这可能有利于破碎岩石。,研制出适于8.5,和,16,井眼的偏心控制器,偏心控制器的研制,现场初步试验与应用情况,2004,年，在新疆克拉玛依八区断层井区,27,口井上成功试验与应用了常规“刚柔”组合；在百,21,井区大倾角石碳系地层成功试验了偏心“刚柔”组合，并正在该井区推广应用,50,套井下控制工具。,使用上述钻具组合，在,8-,1,/,2,英寸易斜井段的钻压可以加到,100-150kN,，,有效地提高了钻井速度。另外，使用这种钻具组合也取得了理想的纠斜效果。,偏心“刚柔”钻具组合实钻数据,钻头型号,钻井井段,(m),钻压,（,kN,）,转速,（,r/min,）,进,尺,(m),纯钻,（,h,）,机械钻速,（,m/h,）,216HJT517G,1178-1330,试验,试验,152,59,2.58,216GY517F,1330-1531,80-10,65,201,78,2.58,216GY517F,1531-1717,140,65,186,71,2.62,216GY517F,1717-1972,140,65,255,119,2.14,216GY517F,1972-2311,150,65,339,101,3.36,偏心“刚柔”组合的创新性与适用性,偏心,“,刚柔,”,钻具组合，是一种动力学防斜打快钻具组合，,在国内外属于首创,，为高陡构造等易斜地层防斜打快钻井提供了一种新技术，将在垂直钻井工程中产生巨大的技术经济效益。,偏心,“,刚柔,”,组合防斜打快技术，对,井眼尺寸、实钻地层及钻头类型,均没有特殊限制，因而便于在现场大面积推广使用。,采用这种新技术，需要增加的,“,井下控制工具,”,成本很少，而增加,“,防斜打快,”,的效益很大。,同时，在工程应用案例中发现，采用常规,“,刚柔,”,和偏心,“,刚柔,”,组合，还能明显减少井下钻具事故。,钻压优化控制是防斜打快之关键,钻压,W,b,钻压（,W,b,）,的作用：,是地层各向异性造斜效应的外因,影响底部钻具组合的力学行为,影响钻头破岩效率（机械能量）,钻压优化控制：,就目前的技术水平而言，严重井斜是由地层各向异性引起的。假设：实际钻压为,W,b,，,而由地层各向异性确定的钻压最优值为,W,o,。,如果地层各向异性不确定，则会发生下列不理想：,当,W,b,W,o,时，则井斜超标，影响钻井质量。,结 论,1,）基于底部钻具组合涡动的“动力学防斜打快理论”，突破了传统的静力学防斜理论的束缚，较好地协调了易斜地层垂直钻井“防斜”与“打快”的矛盾，为开发各种防斜打快工具和技术提供了一个重要的理论基础。,2,）光钻铤大钻压钻进技术和偏心“刚柔”钻具组合技术，均为典型的动力学防斜打快技术，通过合理设计与控制使用，可以有效平衡易斜地层的自然造斜效应，在一定程度上达到防斜打快的理想目标。,3,）国外先进的自动垂钻系统，虽然可以在昂贵的复杂深井和超深井垂直钻井工程中发挥有效作用，但目前的技术水平仍在使用条件上具有一定的局限性，在实际工作中应注意对其进行评估与合理选用。,4,）针对我国复杂深井和超深井钻井工程中面临的严重井斜和低效率等技术难题，国家应积极组织优势力量，从客观（地层各向异性）和主观（垂钻系统）两个方面进行高技术攻关研究，以期尽快获得具有自主知识产权的先进控制工具、科学计算软件及智能钻井系统等。,井下测量与过程可视化：,MWD,、,LWD,、,SWD,、,PWD,及近钻头力学测量等,可视化：几何、地质及力学可视化等,井下智能控制系统：硬件和软件。,旋转导向钻井系统：,Geo-Pilot,系统,Auto Track RCLS,系统,Power Drive SRD,系统,2,旋转导向钻井技术,随钻测量与计算,现代测量工具主要以固态传感器测量地球自然场（重力场、磁力场和旋转场），与其相关的典型独立误差源有,：,原始传感器误差,测量深度误差,磁偏角误差,磁干扰误差,磁化纠正误差,钻具组合下垂,不同轴误差,例如：井眼轨迹不确定性及其可视化,1,）井下导向马达滑动导向控制系统；,2,）井下导向马达旋转导向控制系统；,3,）旋转导向钻井系统。,西江,ERW,导向钻井系统,滑动导向控制,旋转导向控制,Q,（,AKO,导向马达）,可变径稳定器,井下导向工具设计研究,地面遥控可调弯接头,回转轴线,下弯短节轴线回转锥,结构设计,遥控技术,结构强度,旋转导向钻井系统,稳定器,伽 玛,电阻率,钻头,旋转导向工具,工程参数,柔性短节,MWD,旋转导向钻井系统,偏置力,偏置力,a.,推靠式,b.,指向式,技术方案：,推靠式,(,push the bit),指向式,(,point the bit),指向式,推靠式,推靠式和指向式旋转导向工具钻井轨迹的质量对比,从国外发展情况来看，各大石油公司正致力于,指向式旋转导向工具,的研究和开发。,Halliburton,公司已开发出第三代指向式旋转导向钻井系统,GeoPilot，Schlumberger,除拥有推靠式工具,Power Drive SRD,系列外，最近又开发出指向式旋转导向工具,Power Drive,Xceed,系统,，,由此可见，指向式旋转导向工具是未来的发展趋势。,旋转导向机构,（,Geo-Pilot,系统,）,旋转导向机构,（,Power Drive SRD,系统,）,旋转导向机构,（,Auto Track RCLS,系统,）,3.地层可钻性评价与钻头选型技术,软件系统框图,标准井钻头,测井数据处理模块,标准测井数据文件,室内岩心实验,钻头性能评估模块,钻头数据库,效益指数分析,钻头资料录入,效益指数法选型,地层抗钻特性评价与钻头选型,岩石力学参数模块,邻井选型,区块选型,钻头优选模块,效益指数选型,岩石力学参数统计,标准井岩石力学参数,建立标准井,区块井,邻井,岩石力学参数计算,钻头选型方法,标准井：,由研究区块效益指数最大的钻头所对应的地质层位从上到下人为组合而成的一口,假想井,，该井各个层位所对应的钻头效益指数最大。,地层可钻性综合值求取方法,钻头性能评估模块,钻头资料的录入,现场使用钻头数据的录入,牙轮钻头：,井号，钻头型号，钻头价格,(元)，,IADC,编码，生产厂家，钻头直径,(,in)，,地层代码，钻压,(,kN,)，,转速,(,rpm)，,排量,(,l/s)，,泵压,(,MPa,)，,钻速,(,m/h)，,进尺,(,m)，,外径磨损，轴承磨损，牙齿磨损；,PDC,钻头：,井号，钻头型号，钻头价格,(元)，,IADC,编码，生产厂家，钻头直径,(,in)，,地层代码，钻压,(,kN,)，,转速,(,rpm)，,排量,(,l/s)，,泵压,(,MPa,)，,钻速,(,m/h)，,进尺,(,m)，,钻头磨损；,生产厂家钻头数据的录入,牙轮钻头：,IADC,编码，适用地层，钻头型号，比钻压（,kN,/mm），,转速（,rpm）；,PDC,钻头：,IADC,编码，适用地层，钻头型号，钻压（,kN,），,转速（,rpm），,排量（,l/s）；,钻头性能评估模块,标准井钻头,根据效益指数法，建立标准井各层位的使用钻头，即为该区块各口井中相应层位效益指数最大的钻头，使用效果最好的钻头。,形成标准井钻头数据文件,(*.,STB)：,地质层位，钻头型号，效益指数，所在井号；,标准井：,由研究区块效益指数最大的钻头所对应的地质层位从上到下人为组合而成的一口假想井，该井各个层位所对应的钻头效益指数最大。,钻头效益指数，,钻头机械钻速，,钻头总进尺，,钻头费用，,测井数据处理模块,测井数据处理,处理数字化测井得到的测井数据，并构造程序所需的标准测井数据文件（*,.,LOG）。,文件格式为：,井深,(米),，自然伽玛,(,API)，,声波时差，密度。数据之间用空格分开。,岩石力学参数模块,岩石力学参数计算,利用测井资料对地层岩石力学特性参数（包括：抗剪强度，无围压抗压强度，内摩擦角，硬度，塑性系数，泥质含量，牙轮钻头岩石可钻性，,PDC,钻头岩石可钻性）进行计算；,岩石力学参数统计,读入地质层位数据：井号，地质层位,(,代码,),起始井深,(,米,),底界井深,(,米,),；,对地层各种岩石力学特性参数进行统计，统计内容为：,最大值、最小值、平均值、差值最大值、峰值个数；,保存岩石力学参数统计数据,(*.RST),。,岩石力学参数模块,建立标准井,读入标准井钻头数据文件；,读入该区块各井的岩石力学参数统计文件,(*.,RST)；,建立标准井，保存标准井的岩石力学参数。,(*.,STR),标准井：,由研究区块效益指数最大的钻头所对应的地质层位从上到下人为组合而成的一口假想井，该井各个层位所对应的钻头效益指数最大。,3.4,钻头选型模块,区块选型,读入标准井岩石力学参数文件；,读入该区块各井的岩石力学参数统计文件,(*.,RST)，,建立区块井。区块井为,一口假想井，其各层位的岩石力学参数是该区块各口井相应层位的岩石力学参数的平均值；,对假想的区块井进行钻头选型。,区块井为一口假想井，其各层位的岩石力学参数是该区块各口井相应层位的岩石力学参数的平均值。,钻头选型模块,邻井选型,读入标准井岩石力学参数文件；,读入邻井岩石力学参数统计文件,(*.,RST)；,对邻井进行钻头选型。,效益指数法选型,读入钻头数据文件；,根据效益指数大小，按层位给出该区块所有井钻头使用效果较好的三种型号钻头。,钻头选型总流程,收集研究区块所有井钻头使用记录及测井资料；,输入该区块所有井钻头使用记录并以文件形式保存；,处理各口井测井资料，计算、统计岩石力学参数并保存结果；,根据钻头使用记录建立标准井钻头，并保存结果；,根据标准井钻头结果和各口井岩石力学参数统计值建立标准井岩 石力学参数剖面，并保存结果；,根据标准井岩石力学参数剖面和区块岩石力学参数统计值进行区块钻头选型，并保存结果；,根据标准井岩石力学参数剖面和单井岩石力学参数统计值进行邻井钻头选型，并保存结果；,根据钻头使用记录用效益指数法进行钻头选型，并保存结果。,文件扩展名说明,文件名,扩展名,文件名,扩展名,牙轮钻头现场使用数据,BFR,Bit Field Roller,生产厂家牙轮钻头数据,RBF,PDC,钻头现场使用数据,BFP,Bit Field PDC,生产厂家,PDC,钻头数据,PBF,测井数据,log,地质层位,FMD,Formation D,标准井岩石力学参数统计值，,区块井岩石力学参数统计值,前者含有钻头型号，后者无,STR,Static Rock,标准井钻头,STB,Standard Bit,岩石力学参数,(,计算的每米八大参数,),txt,岩石力学参数统计值,RST,Rock Static,岩石可钻性数据文件,ROB,Rock Bit,钻头选型结果文件,BRS,Bit Result,水力脉冲空化射流钻井提高钻速机理研究,新型井下水力脉冲空化射流短节研制,水力与机械参数配合优选研究,脉冲空化射流提高深井钻速配套工艺技术研究,4.,水力脉冲空化射流提高深井钻速技术,5.,新型涡轮复合钻井技术,影响深井和超深井机械钻速的最根本原因,:,井底钻头破岩机械能量不足,，,无论是大直径井眼、小直径井眼，还是高陡构造易斜井段和深部难钻地层，都是这样,。,井底钻头的破岩机械能量,=,单位井底面积钻压,钻头转速,钻压提高，受到井斜限制；,提高转速，尚有一定的空间。,提高钻头工作转速的途径：,第一：可采用顶部驱动装置或增加转盘转速；,(,受钻具强度、钻机能力和井深限制，提高幅度有限,),第二：可采用井下动力钻具,(,涡轮钻具和螺杆钻具,),复合钻进技术,(,在深井钻井中被普遍采用,),来增加钻头转速。,积木式组合涡轮钻具结构示意图,减速涡轮钻具结构示意图,涡轮钻具定转子,行星减速机构,新型涡轮钻具减速器,积木式减速器涡轮钻具，由积木式涡轮节,1,、中间轴承节,2,和减速器,3,三部分组成。,其中，积木式涡轮节中含有多级中转速低压降涡轮定转子和多级高转速高扭矩涡轮定转子,(,根据需要可以增减具有不同特性的涡轮定转子级数,),，减速器的减速机构为行星齿轮减速。该减速涡轮钻具的减速比为,3.86:1,。,1,2,3,新型积木式涡轮钻具,优点：,1.,涡轮钻具转速高,(100,2000rpm),，适合于高速牙轮钻头、高效,PDC,钻头和高速金刚石钻头。,2.,涡轮钻具定转子使用寿命长，可达,800,1000h,。,3.,耐高温和高压，适用于高温,(250),高压井。,6.,地层各向异性评估技术,正交各向异性地层分类,地层,A:,I,r1,I,r2,1 (,D,dip,D,str,D,n,),地层,B:,I,r1,=I,r2,1 (,D,dip,=,D,str,1 (,D,dip,=,D,str,D,n,),（,前人提出）,地层,D:,I,r1,I,r2,1 (,D,dip,D,str,D,n,),地层,E:,I,r2,I,r1,1 (,D,str,D,dip,D,n,),地层,F:,I,r1,1I,r2,(,D,dip,D,n,D,str,),地层,G:,I,r1,I,r2,=1 (,D,dip,I,r1,1 (,D,str,D,dip,D,n,),地层,I:,I,r2,1I,r1,(,D,str,D,n,I,r2,=1 (,D,dip,D,str,=,D,n,),地层,K:,I,r1,=1I,r2,(,D,dip,=,D,n,D,str,),地层,L:,I,r1,=1I,r2,(,D,dip,=,D,n,V,h,最不稳定,V,H,h,最不稳定,H,h,V,最不稳定,地应力状态,钻井液密度过低：井壁坍塌而扩径；,钻井液密度过高：井眼破裂而漏失。,井壁不稳定性的力学机理,孔隙压力最小稳定泥浆密度最小水平地应力破裂压力,安全密度窗口,稳定性窗口,井壁不稳定性评估计算系统,11,个成果图：,地应力剖面,压力剖面,泊松比剖面,弹性模量剖面,内摩擦角剖面,粘聚力及抗拉强度剖面,泥浆安全密度,风险系数,含水量,水化应力,在,国内占据主导地位！,水化作用改变了保持泥页岩井壁稳定所需的井内静液柱压力，在没有水化时坍塌压力为,1.53,，在水化初期，坍塌压力反而降低，在,50,小时左右最小，为,1.48,，而随着水化时间增加，坍塌压力急剧增大，经过大约三十天的时间，坍塌压力增至,1.80,，随后坍塌压力渐趋稳定,无水化时的坍塌压力,有水化时坍塌压力随时间的变化,若使用,1.65,的泥浆密度钻进，则坍塌周期为,57,天,利用力学与化学耦合作用理论定量预测泥页岩井壁坍塌周期，,属重要创新！,欢迎批评指正！,