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混合钻头在元坝须家河组高研磨性地层的应用

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钻 ・采 工 艺 2013年11月 NOV.2013 8・ DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY 混合钻头在元坝须家河组高研磨性地层的应用 胡大梁 ,严焱诚 ,李群生 ,郭忠志 (1中国石油化工股份有限公司西南油气分公司工程技术研究院2江汉石油钻头股份有限公司) 胡大梁等.混合钻头在元坝须家河组高研磨性地层的应用.钻采工艺,2013,36(6):8一l2 摘要:元坝气田主力气藏埋深超过7 000 m,是中国埋藏最深的海相气田。陆相地层岩性致密、硬度高、非 均质性强,机械钻速低,特31j是须家河组地层,硬度高、研磨性强、可钻性极差,牙轮钻头磨损速度快、进尺短,PDC 钻头难以满足高研磨性的要求,钻头合理选型困难。针对须家河组地层硬度高、砂泥岩交错的地层特点,研制出了 KPM系列牙轮一PDC混合钻头,采用3刀翼和3牙轮设计,兼具牙轮和PDC钻头两者的优点。在元坝须家河组应 用3井次,较好克服了地层硬度高、软硬交错的影响,进尺和机械钻速均获得大幅提高,为元坝钻井提速探索新的 方向。 关键词:元坝;须家河;高研磨性;牙轮一PDC混合钻头 DOI 110.3969/J.ISSN.1006—768X.2013.O6.O3 元坝气田位于四川省广元、南充和巴中市境内, 长兴组主力气藏埋深超过7 000 m,是中国石化继发 现国内最大海相整装气田普光气田之后,在四川盆 地发现的又一个大型海相气田_】J,探明天然气地质 制出了KPM系列牙轮一PDC混合钻头,融合牙轮和 PDC钻头两者的技术优势。 二、混合钻头技术特点 混合钻头是为提高硬地层、硬塑性地层、软硬交 错地层钻井中钻头机械钻速研制的一种新型钻 头_l J。国外混合钻头能够以比普通牙轮钻头快 储量超过1 500×10 m。。但是元坝气田陆相深部 地层硬度高、可钻性差,尤其是须家河组地层,岩性 致密坚硬、研磨性强,是制约元坝钻井提速的瓶 颈 “J,亟待探索新的提速手段。 一2—4倍的速度高效地钻进页岩地层以及其它具有 塑性或可变性问题的地层。 、元坝须家河组钻井现状 针对元坝须家河组地层硬度高、砂泥岩交错的 地层特点,研制出了KPM系列牙轮一PDC混合钻头 (见图1),采用3刀翼+3牙轮设计,兼具牙轮和 PDC钻头两者的优点: (1)混合钻头同时包含牙轮和刀翼,将PDC钻 头和牙轮钻头两者的优势结合起来,牙轮切削齿形 成不连续的齿坑,对岩石产生预破碎,PDC切削齿 通过切削,将牙轮切削齿形成的不连续的齿坑连通, 元坝陆相上沙溪庙组及以浅地层应用气体钻井 技术提速效果显著,而下沙溪庙组及以深地层岩性 致密,尤其是须家河组地层,砂砾岩、泥岩互层 , 地层硬度高、岩石可钻性7级以上,砂砾岩成分以石 英为主,研磨性5~6级强,属高研磨性地层,导致钻 头磨损严重、使用寿命短;而且由于地层不稳定,井 壁易发生掉块、垮塌现象,导致气体钻井无法实施, 采用常规钻井机械钻速低 J,单只钻头平均进尺 仅40 m,机械钻速仅0.6 m/h,是制约元坝钻井提速 的瓶颈井段,如何选择合适的钻头成为须家河组提 从而形成完整的破碎环带,使得混合钻头在硬塑性 地层中具有较高机械钻速。 (2)在不均匀及软硬交错地层,混合钻头上的 牙轮切削齿对岩石产生预破碎,降低了PDC切削齿 的切削载荷,牙轮切削齿限制了PDC切削齿的吃人 速的关键。针对元坝须家河组地层硬度高、砂泥岩 交错、PDC和牙轮钻头均无法有效提速的问题,研 收稿日期:2013—05—16;修回日期:2013—10—20 基金项目:国家科技重大专项课题“低渗气藏复杂地层高效钻井关键技术”(编号:2011ZX05022—005)部分研究成果。 作者简介:胡大梁(1982一),工程师,2004年毕业于西南石油大学机械工程专业,2007年获西南石油大学油气井工程专业硕士学位,主要 从事深井、超深井钻井工程设计和钻井工具方面的研究。地址:(618300)四川省德阳市旌阳区龙泉山北路298号,电话:(0838)2552745,E— mail:PECHDL@126.conl 第36卷V01.36 第6期 No.6 钻 采 工 艺 ・9・ DRILLING&PR0DUCTION TECHNOLOGY 深度,相对于PDC钻头,混合钻头PDC切削齿发生 崩片的几率下降,因而混合钻头的寿命更长。 (3)滚动牙轮上的切削齿通过减少扭转振动可 以改善钻头的动态平衡,而起刮削作用的PDC切削 齿则可钻出平滑的井底,从而可以减小钻头回弹现 根据钻时曲线可以看出(见图2),在混合钻头 之前使用的2只宽齿牙轮钻头,初期钻时约70 min/ m,钻进约l5~20 m,钻时迅速上升,钻时达到110 min/m以上,平均钻时均在90 min/m以上,表明钻 头磨损速度较快。使用KPM1633DRT混合钻头,钻 象。与传统的PDC钻头相比,混合钻头的扭转振动 减小了50%,黏滑现象只在较低转速情况下发生, 而在高转速情况下的钻头回旋也大幅减小,从而使 钻头工作更加平稳,避免钻头发生早期破坏。 图1 KPM1633混合式钻头 三、现场应用及效果分析 自2012年7月以来,针对须家河组地层研磨性 强,钻速低的问题,为探索新的提速手段,累计在2 口井开展了3次混合钻头人井试验,取得了一定的 提速效果。 1.YB1—1H井现场试验 YBI一1H井是部署在四川盆地川东北巴中低 缓构造元坝区块的一口水平开发井,设计井深7 827 in,垂深6 940 13q,主要目的层为长兴组,在须家河组 开展了2次入井试验。 1.1 第1只混合钻头试验情况 自井深4 741.60 i'I1下人 314.1 miD_ KPM1663DRT混合钻头,下钻到底后循环冲洗井 底,以小钻压磨合钻头(钻压10~20 kN、转速50 r/ min),钻进0.35 133,之后开始正常钻进。 HJT537 HJT537GK .量 争 吕 莒 撂 ~ 井深/m 图2 YB1—1H井混合钻头钻时曲线 时基本在50 min/m左右正常波动,进尺达到60 m 以上时,仍能保持较高的钻速,钻时控制在80 min/ in以内,钻至4 808 131后,钻时从76/135 min/m, 分析钻头磨损严重,决定起钻。钻进井段为4 741.60~ 4 810.34 rn,进尺68.74 1TI,纯钻时间74.5 h,平均机 械钻速0.92 m/h。 钻遇地层:须家河组三、二段,岩性主要为灰黑 色泥岩、灰色粉砂岩、灰色石英砂岩、灰黑色页岩,其 中研磨性强的石英砂岩占总进尺的44.93%(见表 1)。 表1 YB1—1H井混合钻头钻遇地层岩性 岩性 粉砂岩 泥岩 页岩 石英砂岩 合计 厚度/m 9 25 4 31 69 百分比 13.04% 36.23% 5.80% 44.93% 100% 钻具组合: 314.1 mm复合钻头+浮阀+ 0228.6 mm钻铤3根+ 310 mm扶正器+0228.6 mm钻铤3根+配合接头+0203.2 mm钻铤l2根 +0177.8 mm钻铤3根十0139.7 ifilm加重钻杆3 根+旁通阀+0139.7 mm加重钻杆21根+0139.7 mm钻杆3l3根+防磨接头+0139.7 mm钻杆15 根+防磨接头+ 139.7 1Tim钻杆。 钻井参数:钻压120—180 kN,转速50~75 r/ min,泵压22 MPa,排量37 L/s。 钻井液性能:密度2.14 g/cm ,黏度51 S。 混合钻头出井,两个牙轮的轴承失效,较为旷 动,三个牙轮的牙齿齿顶磨平,刀翼的肩部切削齿磨 损2 mm,保径完好,分析磨损原因为在须家河组二 段4 768~4 779 in、4 781~4 795 1TI、4 797~4 811 In 井段累计钻遇厚度达31 1TI的石英砂岩,研磨性较 强,导致钻头磨损。 1.2 第2只混合钻头试验情况 自井深5 031.36 in下入0314.1 film KPM1663DRT 混合钻头,磨合进尺0.4 m。钻至井深5 068.93 m, 扭矩波动范围由正常钻进的9 500~10 000 N・m 增大至7 000—16 000 N・nl,钻时90/130 min/ in,为了保证井内安全,决定起钻。钻进井段为 5 031.36~5 068.93 111,进尺37.57 nl,纯钻时间 钻 ・采 工 艺 2013年I1月 NOV.2013 10・ DRILLING&PR0DUCTION TECHNOLOGY 65.5 h,平均机械钻速0.57 m/h。 性强,单只钻头进尺不足40 111,部分钻头进尺甚至 钻遇地层:须家河一段,岩性为灰黑色泥岩、灰 色细粒岩屑砂岩、灰色粉砂岩。 钻具组合: 314.1 mm复合钻头+浮阀+ 0228.6 mm钻铤3根+ 310 1Tim扶正器+0228.6 不到15 1TI即严重磨损,钻时增加至150 min/m以 上,需频繁起下钻更换钻头。因此在须三段地层开 展KPM1663DRT混合钻头入井试验(见图3)。 18 19 2。 iflm钻铤3根+配合接头+0203.2 mm钻铤12根 +配合接头+0177.8 mm钻铤3根+配合接头+ 0139.7 mm加重钻杆3根+旁通阀+0139.7 mm 加重钻杆2l根+0139.7 mm钻杆×3 567.60 1TI+ 防磨接头+0139.7 mm钻杆15根×142.9 ITI+防磨 I 接头m+0139.7 mm钻杆+顶驱保护接头+下旋 塞。 钻井参数:钻压120—170 kN,转速45~60 r/ arin,泵压21—22.5 MPa,排量37 L/s。 井 m 图3 YB205—1井混合钻头钻时曲线 钻头入井井深4 348.3 1TI,钻遇地层岩性以灰色 钻井液性能:密度2.14 g/em ,黏度49 S。 起钻发现3个牙轮的复合齿轻度磨损,碎齿2 颗,轴承均完好,有一只转动时略松;3个刀翼肩部 泥岩为主,地层显示为硬塑性,泥岩钻时为80~120 min/m,粉砂质泥岩钻时为60—70 min/m,碳质泥岩 钻时为30~50 min/m,钻时一直保持正常波动,鉴 于钻头人井时间较长,为保证井下安全,决定起钻查 切削齿均磨损1.5~2 mm,其余完好。分析磨损原 因主要是须家河组一段多为灰黑色泥岩、灰色细粒 岩屑砂岩、灰色粉砂岩,研磨性较强,岩性交错频繁, 导致主切削齿和牙齿磨损。 2.YB205—1井现场试验 看,至钻头出井时,钻时仍保持在70 min/m左右,无 显著变慢现象。钻进井段4 348.30~4 471.30 111, 进尺123 nl,平均机械钻速0.76 m/h。相比相邻井 段使用的牙轮钻头,进尺增加2.2倍以上,机械钻速 提高26.67%,使用1只钻头完成3~8只牙轮钻头 YB205—1井是部署在四川盆地川东北巴中低 缓构造元坝区块的一口大斜度开发井,设计井深 7 079 m,垂深6 628 ITI,主要目的层为长兴组。该井 的进尺,大大减少了起下钻次数,降低井内风险,提 高了钻井效率,见表2。 在须四、三段地层使用宽齿牙轮钻头,由于地层研磨 表2元坝205—1井钻头使用对比 钻头序号 钻头型号 起始井深 /m 18 19 20 2l 出井井深 /m 4297.06 4310 4348.3 4471.3 进尺 /m 14.06 12.94 38.3 123 纯钻时间 /h 24.83 27 56 162.33 平均钻速 /(in・h ) 0.57 0.48 0.68 0.76 HJT537GK HJ r537GK HJT537GK KPM1663DRT 4283 4297.06 4310 4348.3 钻遇地层:须家河三段,岩性为深灰色泥岩、粉 砂质泥岩、灰黑色碳质页岩夹煤线、细粒岩屑砂岩。 钻具组合:0314.1 mffl混合钻头+0229 mm钻 铤3根+0203.2 mm钻铤12根+随钻震击器+旁 通阀+0177.8 mm钻铤9根+0139.7 1Tim加重钻 杆18根+0139.7 film钻杆450根。 的切削齿磨损轻微。3个刀翼上的复合片除3 刀翼 肩部崩片1颗,保径段崩片2颗,其余复合片完好;6 个水孔出口壁面无冲蚀,保径较好,现场判断可继续 使用。 3.综合应用效果评价 在YB1—1H井和YB205—1井累计开展3井 钻井参数:钻压200—240 kN,转速40~50 r/ min,泵压20~21 MPa,排量37 L/s。 钻井液性能:密度2.1 g/em ,黏度58 S。 次的混合钻头现场试验,使用3只7昆合钻头,总进尺 229.31 m,平均机械钻速0.76 m/h;与2010年底前 完钻井相应层段0.62 m/h的平均钻速相比,钻速提 高22.26%(见表3)。 钻头出井磨损分析:3个轴承完好,3个牙轮上 第36卷第6期 钻 采 工 艺 Vo1.36 No.6 DRILLING&PR0DUCTION TECHNOLOGY 表3混合钻头钻井现场试验统计 井号 钻头型号 地层 钻进井段 进尺 纯钻时问 平均钻速 /m /m /h /(m・h ) KPM1663DRT 须三、须二 4 741.60~4 810.34 68.74 74.5 O.92 元坝1—1H井 KPM1663DRT 须一 5 031.36~5 068.93 37.57 65.5 0.57 元坝205—1H井 KPM1663DRT 须三 4 843.3O~4 471.30 123 162.4 0.76 合 计 229.31 302,4 O.76 表4须家河使用钻头比能评价表 钻头型号 钻头 钻头尺寸 平均钻压 平均转速 平均进尺 平均钻速 平均比能 比能/进尺 类型 /mm /kN /(r・rain ) /m /(m・h ) /(MJ・in ) /(MJ.・m ) HJTl537GK 牙轮 311.2 260 55 51.67 0.69 193.16 3.74 HF537K 牙轮 3l1.2 240 60 27.48 0.65 207.16 7.54 SVT547GK 牙轮 3l1.2 260 60 35.34 1.00 145.87 4.13 HF547HX 牙轮 311.2 280 55 7.08 0.37 389.2 54.97 HJTS547GK 牙轮 311.2 280 60 35.33 0.72 214.77 6.08 HJT547GK 牙轮 3l1.2 230 60 21.29 0.6 215.34 10.11 HJTS547GL 牙轮 311.2 300 60 8.58 0.44 382.54 44.59 HJ617G 牙轮 31】.2 250 65 37.76 0.47 322.19 8.53 HJ637G 牙轮 3l1.2 280 60 46.11 0.54 290.92 6.31 GFi35B 牙轮 3l1.2 270 50 58.5 O.66 239.6 4.10 GF30BODVCPS 牙轮 3l1.2 270 55 58 0.43 322.93 5.57 MI365 PDC 241.3 100 70 68.6 0.49 l72.28 2.51 KPMl633DRT 混合 314.1 200 60 76.44 0.76 146.28 1.91 为进一步评价混合钻头的应用效果,针对性的 对于深井而言,由于起下钻时间较长,因此钻头 统计YB9、10、122、123、204、221、29—2H等20余口 选型不仅要考虑钻速,而且要兼顾进尺,以减少起下 完钻深井的钻头使用情况,使用的钻头型号主要有 钻次数。由于比能法未考虑钻头进尺因素,评价不 HJT537GK HF537K SVT547GK HF547HX . 够全面。因此,为综合考虑比能和进尺,以钻头钻进 HJT547GK、HJ617G、HJ637G、M1365等,在此应用钻 每米进尺消耗的比能作为钻头的评判选择依据,以 头比能法进行钻头应用效果评价。钻头比能是指钻 真正反映钻头的进尺和使用效果。 头从井底地层破碎单位体积岩石所需要做的功,钻 比能/进尺=SE/L (3) 头比能越低,说明钻头的破岩效率越高,钻头使用效 式中:5E一比能,MJ/m ;L一进尺,In。 果越好。计算公式如下: 应用上述公式对须家河组地层使用钻头的比能 SE:—4 W480NTI, 进行评价,统计计算使用钻头的比能,见表4。 +———=.—霄D|D R 计算结果表明,KPMI633DRT混合钻头平均比 式中:sE一比能,MJ/m ; 一钻压,kN;D一钻头直 能为146.28 MJ/m ,仅次于SVT547GK牙轮钻头, 径,mm;』『v一转速,r/min; 一钻头扭矩,kN・m;尺一 但由于混合钻头平均进尺是SVT547GK钻头的2倍 钻速,m/h。 以上,因此消耗在每米进尺的比能仅1.91 MJ/m , 为便于计算,将式(1)适当简化为: 远低于其它类型的钻头。由此可见,在统计的钻头 SE= (2) 中,混合钻头应用效果最好,基本能够适应须家河组 高研磨性地层的使用要求。 钻 ・采 工 艺 2013年11月 NOV.20l3 12・ DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY 四、认识及建议 (1)牙轮+PDC混合钻头采用混合切削方式, 牙轮钻头通过冲击对地层进行预破碎,然后PDC刀 翼进行切削,有效的对PDC复合片进行保护,有利 于延长PDC刀翼的使用寿命。 [4]李广,郭辛阳,李娟.提高钻速新技术研究进展[J].钻 采工艺,2012,33(6):31—35. [5]朱澄清,杨迎新,廖忠会,等.川西须家河深层岩石力学 性质及可钻性研究[J].钻采工艺,2010,33(5):29— 31,38. [6]徐良,孙友宏,高科,等.针对须家河组岩性特征选择仿 生金刚石钻头参数[J].石油钻探技术,2008,36(5):43 —(2)混合钻头兼具牙轮和PDC钻头的优势,基 本能够适应须家河组高研磨性地层的使用要求,但 由于尚处于先导试验阶段,对于软硬交错频繁的地 层,钻头使用性能不够稳定。应进一步加强该钻头 46. [7]李光泉,刘匡晓,郭瑞昌,等.元坝272H井超深水平井 钻井技术[J].钻采工艺,2012,35(6):116—119. [8]瞿佳,李真祥.元坝地区复杂深井新型井身结构与应用 [J].钻采工艺,2012,35(5):40—45. [9]杨昌学.元坝陆相欠平衡集成钻井技术[J].钻采工艺, 2012,35(3):31—35. 在须家河组地层的试验并持续改进,为元坝陆相须 家河组提速提效探索新方向。 参考文献 [10]张瑜.混合式钻头技术新进展[J].石油与装备,2011, 37(4):122. [1]胡大梁,严焱诚,刘匡晓,等.超深水平井元坝103H井 钻井技术[J].石油钻采工艺,2012,34(6):14—17. [2]张金成,张东清,张新军.元坝地区超深井钻井提速难 点与技术对策[J].石油钻探技术,2011,39(6):7—10. [1 1]王希勇.高研磨性地层异形加长齿PDC钻头研发及应 用[J].钻采工艺,2012,35(1):60—63. [12]陈洪涛,黄继庆,滕惠婷,等.防涡PDC钻头的研究与 应用[J].钻采工艺,2010,33(2):76—78. (编辑:黄晓川) [3]张克勤.元坝地区钻井难题分析与技术对策探讨[J]. 石油钻探技术,2010,38(3):27—31. 

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