东海X区块钻井提速研究与应用.pdf

收稿日期：；修订日期：。作者简介：孙乾坤（），男，工程师，现从事海洋石油天然气钻井工作。：。文章编号：（）东海 区块钻井提速研究与应用孙乾坤（中海油能源发展股份有限公司工程技术上海分公司，上海 ）摘要：东海 区块地层可钻性较差，导致机械钻速低、钻头进尺短、井眼浸泡时间长、钻具遇阻遇卡，钻井效率低下，在对区内历史井地层特性、岩石抗压强度及钻头使用情况等分析的基础上，开展了钻井提速研究。结果表明，钻头优化、使用复合冲击器、井身结构优化的配套系统性提速方案可提高钻井效率、缩短钻井周期、降低复杂情况、加快油气勘探进程。其中，根据复合冲击器的工作原理和寿命优化井眼轨迹，对钻头设计时使用中等抛物线、加强肩部布齿密度，可解决区内钻头磨损严重、单个钻头进尺少需 趟钻完成一个井段作业、深部地层平均机械钻速低于 等一系列难题。该提速方案现场应用，减少了卡钻、井眼垮塌等井下复杂情况，实现了各开次井眼一趟钻工程，缩短钻井周期 ，并在该区块创下了单只钻头进尺和机械钻速等多项新记录，钻井效率明显提高，为东海油气勘探提速增效探索了一条可行的技术路线。关键词：东海 区块；钻井提速；钻头优化设计；复合冲击器中图分类号：文献标识码：（，）：，：；近年来，海洋石油钻探提出了“向深海求发展，向深层要资源”的战略目标，这使得东海海域油气钻 年 月石 油 地 质 与 工 程 第 卷第 期探深度进一步加大。东海 区块深部地层以致密砂岩为主，局部含砾，从花港组下部开始，地层可钻性变差；钻至主要目的层平湖组后，砂岩孔隙度进一步降低，偶见硬质夹层，使得钻头的可钻性进一步削弱。由于深部地层可钻性差，钻头机械钻速偏低、钻头易损坏、单只钻头进尺短，需要频繁起钻更换钻头，使得钻井周期进一步延长 。钻井周期延长又使得井眼浸泡时间增加，引发了一系列井壁稳定问题，导致钻具遇阻和卡钻等情况的出现，严重制约了油气勘探进度，因而钻井提速势在必行 。目前整个行业钻井提速的技术主要有冲击钻井技术、钻头优化技术、脉冲射流提速技术等 。针对 钻头在硬地层中使用效果较差的问题，国内外在 钻头的切削齿、结构设计、水力设计等方面不断改进创新，一定程度上提升了 钻头在硬地层中的表现，但当地层岩性非均质性强以及局部存在特殊岩性时，一款 钻头很难做到同时兼顾。如何实现较高机械钻速的同时又能保证钻头不被过早损坏是一大技术难题。复合冲击器将钻头与提速工具合二为一，作为冲击钻井技术的主要工具，可将水力能量转化为脉冲能量，为钻头提供一个均匀的机械冲击力，既能提高钻头的破岩效果，又能延长钻头的使用寿命 ，特别适合东海深部致密砂岩地层，可作为东海钻井作业提速提效的重要工具，具有广阔的运用前景。项目概况?东海 区块地层软硬交错频繁、断层发育，地质构造十分复杂，致使钻井周期长。其中，花港组中部以上为软 中硬地层，地层岩石抗压强度 ，可钻性好；花港组下部至平湖组上部地层岩石硬度大、研磨性高，该层位岩石抗压强度达 ，局部含硬夹层，抗压强度超过 ，可钻性变差。此外，花港组中下部地层局部含砾，砾径可达 ，最大 ，易造成钻头冲击损坏，导致单只钻头进尺短。平湖组顶部盖层为泥质胶结，局部含灰，钻头“吃入”困难，机械钻速进一步降低；平湖组底部地层抗压强度继续增大，可钻性进一步恶化。?历史资料表明，在 区块，井眼直径为 时，平均每口井需 趟钻钻至中完井深，大多数钻头磨损严重；井眼直径为 时，井眼每口井需 趟钻钻至完钻井深。其中，井眼均从玉泉组开始，井在花港组地层使用钻头较多，磨损严重，故在花港组中部中完；井和 井 井眼均钻穿花港组中完。井眼 井仅在花港组下段就造成 只钻头磨损，在平湖组则使用了 只钻头，整体使用钻头数量最多；井和 井 井眼在平湖组地层钻进，只钻头即完成了进尺任务，但机械钻速较低。对钻头使用情况整体分析可知，井使用钻头数量最多，整井钻井效率最低；井使用钻头数量最少，整井钻井效率最高。?结合地层抗压强度数据及邻井钻头的整体表现来看，提速主要面临以下几个问题：）玉泉组及以上地层属于松软地层，地层岩石抗压强度普遍小于 ，整体可钻性好，为提高钻井作业效率，钻头需具有较强攻击性，且要保证一趟钻钻至设计井深。）龙井组、花港组地层抗压强度高，地层岩石抗压强度普遍大于 ，尤其是花港组地层抗压强度明显变大，且含砾，可钻性变差，易造成钻头冲击损坏，常规钻头纯钻时间超过 磨损严重，机械钻速持续低于 。攻击性强的钻头不能适应该地层，攻击性弱的钻头机械钻速偏低，影响作业时效，钻头对上下地层有效兼顾难度大。）平湖组地层硬夹层较多，地层岩石抗压强度普遍大于 ，局部硬夹层岩石抗压强度超过 ，泥岩致密，部分井段为灰质胶结，可钻性差，常规钻头“吃入”困难，纯钻时间超过 ，机械钻速持续低于 ，钻进效率大大降低。技术对策研究针对项目实际情况，制定的提速技术思路为：根据区域地层岩性特点对 钻头进行针对性设计改进，配合复合冲击器提速工具，根据复合冲击器的使用寿命优化井身结构。?常规钻具在可钻性差的地层中钻进时，上部钻具的转速相对稳定，不断积蓄扭矩，而下部钻具在 钻头“吃入”地层时转速降低，破碎岩石时转速突增，扭矩瞬间释放，从而出现“黏滑”现象。复合冲击器通过内部能量转换装置将钻井液的水力能量转孙乾坤东海 区块钻井提速研究与应用化为脉冲冲击能量，而后通过能量分配装置将部分流体能量转换成一定频率、周向扭转、冲击型的机械能 ，工具的内部结构为纯金属机械结构，无电子元器件和橡胶密封件，通过换向机构将泥浆水力能量转化为高频、稳定的周向冲击和轴向冲击能量，可以提供 的冲击频率，总能量可达到 。此外，给钻头施加高频稳定的周向和轴向冲击力，扭矩波动幅度较小。该工具除具备传统扭冲工具扭力冲击的特点和优势外，还开创性集成了轴向冲击功能，减轻近钻头位置的托压和黏滑，让钻头受到的应力更均匀更平稳，配合专用 钻头独有的锥形冲击齿在高硬度地层形成预破碎作用，提高了穿透硬夹层的能力，延长了 钻头的使用寿命，从而增加单只钻头的工作进尺。复合冲击器在设计时，为了使轴向脉冲和扭转反冲两个模块有效工作，使用测井方法，结合邻井测井数据和钻井参数，获取地层岩性数据，以判断地层岩石的软硬强度，比较地层岩性与钻井的动态变化，并结合有效信息，实时判断和启动复合冲击钻具的轴向脉冲模块或扭转反冲模块。钻进中硬、高研磨地层时，通过增大泵注排量、提高钻压等作业指令启动复合冲击钻具的轴向脉冲模块。当钻入软到中硬且相对均匀的地层时，启动复合冲击钻具的扭转反冲模块，以实现 钻头的高效扭转切削功能 。?一般情况下，在地层质地较软且研磨性较低的地层中，常采用具有较长的锥形剖面钻头，这有利于提高钻头的机械钻速并极大的改善钻头的稳定性。钻头的外锥越长，可布齿量越多，钻头在“吃入”地层时，内外齿磨损会更加均匀，有利于提高钻头的使用寿命。在硬质地层或者研磨性较强的地层中，常采用具有较平缓剖面的钻头，有利于提高钻头的稳定性，从而提高钻速。此外，切削齿的加速磨损和冲击碎裂是影响 钻头在强研磨性硬地层中钻进效果的主要因素。采用高密度布齿，可以提高 钻头的耐磨性，但较大的接触面积会影响钻进速度，所以高密度布齿的钻头应考虑其单个齿的地层“吃入”效果，为提高钻进速度，高密度布齿的钻头要严格考虑切削齿后倾角的设计。在钻进硬地层时，后倾角对破岩效率影响较小，且钻头受冲击力大导致钻头寿命较短，此时钻头寿命为首要考虑因素。对于较软地层，后倾角对破岩效率影响较大，此时破岩效率为首要考虑因素。在东海 区块，针对花港组第 小层以上软 中硬地层，常采用破岩效果更佳的 刀翼钻头配合提速工具使用，可极大提高钻井效率；花港组底部直至目的层，通常使用研磨性更强的 刀翼钻头配合提速工具使用，可提高钻头的使用寿命，有利于一趟钻完成钻井作业。由于复合冲击器高效工作时对钻头具有保护作用，因此设计钻头时可适当增强其攻击性，冠部设计成中等抛物线，同时拉长抛物线剖面外翼长度，可以布置更多的切削齿，提高耐磨性，增加外肩齿寿命，来应对外肩线速度高、线位移长的问题。?参考相邻区块井位历史资料（包括钻井设计、地质资料、钻井参数）是新井钻井设计的重要环节，根据地层特点、可钻性及复合冲击器的工作特性和前期使用经验，优化井眼轨迹是实现一趟钻工程的关键所在。在满足三压力（孔隙压力、坍塌压力、破裂压力）设计原则的情况下，尽可能在龙井组及以下地层使用复合冲击器提速，同时每一尺寸井眼结合前期使用经验评估开泵 复合冲击器能取得的进尺长度，然后恰当设计井眼轨迹。反之，设计过长则需要多趟钻完成钻进任务，浪费起下钻时间；设计过短则浪费工具高效工作寿命，需要更多的井眼开次才能钻至完钻井深，浪费成本。井钻井设计时，结合历史邻井机械钻速表现以及复合冲击器的寿命优化井眼轨迹。根据历史地质资料，平湖组上段地层，复合冲击器对地层的“吃入”效果较好，按照机械钻速 ，复合冲击器的开泵寿命 设计，预估复合冲击器开泵 的纯钻时间为 ，钻头使用寿命长，井深可适当延伸。井眼轨迹设计时，平湖组以上地层进行增斜或者稳斜钻进，此时井斜角较大，井眼轨迹较长，大斜度钻进可以更快地接近目的层，提高钻井效率，该段设计井眼直径为 ，进尺为 。平湖组以下地层，岩石孔隙度、渗透率突降，地层可钻性变差，为减少钻井周期，井眼轨迹采用小井斜、短长度、小井眼的设计方式，降低井斜角，减少水平位移，降低在复杂井段的钻进深度，进一步提高作业时效，该段设计井眼直径为 ，进尺为 。现场应用与效果分析?井 井 眼 所 用 钻 具 组 合 为：钻头 复合冲击器 石 油 地 质 与 工 程 年第 期 。钻井参数为：钻压 ，转速 ，排量 。总开泵时间 ，纯钻时间 ，一趟钻完成了该井段的作业任务。井眼所用钻具组合为：钻头 复合冲击器 。钻井参数为：钻压 ，转速 ，排量 。总开泵时间 ，纯钻时间 ，一趟钻完成了该井段的作业任务。两个井段均一趟钻完成了相应井段的作业任务，与邻井相比至少节约一趟钻。?井最大程度地发挥了复合冲击器的寿命和功效。通过优化井身结构，最终实现了各开次井眼一趟钻的高效钻井作业任务，创造了该区块单只钻头进尺和机械钻速新记录。井眼总进尺 ，平均机械钻速 ，钻头磨损评价 （图 ）；井眼总进尺 ，平均机械钻速 ，钻头磨损评价 （图 ）。钻头轻微磨损，大幅节约了钻井时间。图 钻头入井（）和出井（）照片图 钻头入井（）和出井（）照片实际作业周期相比工程设计，节省钻井周期 ，提质增效效果明显。与区块历史邻井相比，井段提速 ，井段提速 。钻头数据统计对比如表 、表 所示。表 井钻头数据统计井眼尺寸 入井深度 出井深度 进尺 钻压 转速 平均机械钻速（）磨损评级 表 井与历史邻井对比井眼尺寸 井机械钻速（）单只钻头进尺 历史邻井均值机械钻速（）单只钻头进尺 结论）复合冲击器在中硬 硬地层有较明显钻井提速效果，对 钻头有较强保护作用，能大幅延长 钻头寿命，提高机械钻速 以上；对钻头进行优选，可以提升钻头的破岩效果，获得较高的机械钻速。）使用复合冲击器、优化井身结构、针对性改进 钻头，是钻遇致密地层、硬质夹层提效提速的重要举措，对钻井提速具有极大的借鉴意义；其中，对井身结构进行优化是实现一趟钻工程的关键所在。参考文献 高航献，瞿佳，曾鹏珲 元坝地区钻井提速探索与实践 石油钻探技术，（）：周燕，安庆宝，蔡文军，等 型扭转冲击钻井提速工具 石油机械，（）：李克智，闫吉曾 红河油田水平井钻井提速难点与技术对策 石油钻探技术，（）：查春青，柳贡慧，李军，等 复合冲击破岩钻井新技术提速机理研究 石油钻探技术，（）：祝效华，刘伟吉 旋冲钻井技术的破岩及提速机理 石油学报，（）：陈波，马志忠，和鹏飞，等 扭力冲击器在海洋 钻井提速中的应用 石油工业技术监督，（）：张海山 东海深井高温高压低孔渗储层钻井技术研究与应用 海洋石油，（）：（下转第 页）孙乾坤东海 区块钻井提速研究与应用 结论与建议）以“段内多簇 小簇间距 限流射孔 暂堵转向 全石英砂组合 一体化滑溜水”为核心的水平井“体积压裂 ”技术有力地推动了大庆油田致密油的产能建设，成为致密油储层改造的关键技术；同时运用过程中也实现了一缝穿多层及压泥找砂的穿层功能，使该技术具有更强的适用性。）强化基础研究，深化地质认识。从源头发力，开展针对性地震预测技术攻关，精准识别地质“甜点”，将其与工程“甜点”相结合，合理分段，一段一策，实现地质 工程一体化，可提高“体积压裂 ”技术的科学性，实现大平台丛式井多层系立体式开发，推进致密油开发迈向新高度。）做好物模和数模，加强支撑剂铺置规律研究。现场微地震裂缝监测表明，人工裂缝的长度远小于设计裂缝长度，通过压裂井周围取心和长期观测压裂前后的压力变化，认为支撑剂在井筒 范围内，如何让支撑剂走的更远、裂缝更长，实现控近扩远是当前急需解决的问题。）研发新装备、新材料，实现提质增效。水平井体积压裂动辄千方砂、万方液，是高成本工程，当前油价在比较高的价位，压裂的收益较为可观，但应具有危机意识，利用当前的良好环境，加大新装备（如电驱压裂撬、柔性压裂管汇）、新材料（如新型压裂液）研发力度，力争以较少的投入换来较高的回报，实现利益最大化。参考文献 王广昀，王凤兰，赵波，等 大庆油田公司勘探开发形势与发展战略 中国石油勘探，（）：吴奇，胥云，王腾飞，等 增产改造理念的重大变革 体积改造技术概论 天然气工业，（）：崔宝文，蒙启安，白雪峰，等 松辽盆地北部石油勘探进展与建议 大庆石油地质与开发，（）：雷群，杨立峰，段瑶瑶，等 非常规油气“缝控储量”改造优化设计技术 石油勘探与开发，（）：滕卫卫，李想 底水火山岩油藏水平井优化设计 特种油气藏，（）：吴奇，胥云，王晓泉，等 非常规油气藏体积改造技术 内涵、优化设计与实现 石油勘探与开发，（）：胥云，雷群，陈铭，等 体积改造技术理论研究进展与发展方向 石油勘探与开发，（）：雷群，胥云，才博，等 页岩油气水平井压裂技术进展与展望 石油勘探与开发，（）：李婷婷，许文俊，王雷，等 水平井分段多簇压裂暂堵球运移封堵规律 断块油气田，（）：郑新权，何春明，杨能宇，等 非常规油气藏体积压裂 工艺及发展建议 石油科技论坛，（）：樊平天，刘月田，冯辉，等 致密油新一代驱油型滑溜水压裂液体系的研制与应用 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