（石油与天然气工程专业论文）安棚油田钻完井配套技术研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专 业： 硕士生： 指导教师： 安棚油田钻完井配套技术研究 油气井工程 丁旭庄( 签名) 聂翠平( 签名) 刘天勇( 签名) 摘要 安棚油田位于河南省桐柏县境内南襄盆地泌阳凹陷中部的赵凹一安棚鼻状构造带南 部，构造含油面积5 2 k m 2 。1 9 9 0 年开始勘探，并在下第三系核桃园组发现安棚油田，油 藏埋深2 0 0 0 - - 3 5 0 0 m ，累计探明油气储量1 3 6 3 万吨。同时还发现了我国最大的天然碱矿， 探明含碱叠合面积1 0 7 4 k m 2 ，探明固体碱工业储量4 8 4 9 万吨，液体碱储量1 3 6 5 万吨， 含碱井段长1 1 9 0 米，埋深1 3 1 0 - 2 5 0 0 m 。 由于该区块地质构造和油气藏类型复杂、岩石可钻性差以及高含碱地层对钻井液和 水泥浆的严重影响，没有形成适合该区块特点的配套钻井技术等原因，导致在该地区钻 井存在钻井速度慢、井下复杂情况多以及井身质量和固井质量差等技术难题。早期完成 的3 0 0 0 m 以上的1 6 口井，平均井深3 4 2 8 m ，平均机械钻速3 4 8 m h ，平均钻井周期1 2 9 5 6 天，复杂及事故时效1 0 3 3 ，固井质量一次合格率4 3 6 。 针对以上存在的技术难题，需要开展以下五个方面的配套技术研究：地层可钻性 评价与钻头优选；钻井参数和水力参数优选；地层自然造斜规律应用；抗碱钻井 液体系研究；抗碱固井技术研究。 通过在安棚高含碱油田4 7 口井的应用，优选出了一套适合安棚地区特点的钻井参 数和水力参数方案、钻头选型方案、井眼轨迹设计方案、抗碱钻井液体系和抗碱水泥浆 体系与固井配套技术。与项目开展前相比，取得明显效果：( 1 ) 提高机械钻速7 0 9 8 ， 缩短建井周期6 5 2 1 ；( 2 ) 井下复杂及事故时效减少7 8 8 0 ，实现了安棚高含碱油井不 下技术套管裸眼安全钻井的目标；( 3 ) 固井质量合格率由原来的4 3 6 提高到9 7 8 7 。 通过研究和攻关，形成了一套适合安棚高含碱油田的钻井工艺配套技术，将多项钻 井技术成功地运用在同一个区块的钻井施工中，大大提高了钻井速度，缩短了建井周期， 提高了工程质量，使整体开发方案得以体现，为其它区块钻井工艺及技术优化提供了宝 贵的经验。 关键词：安棚油田；高含碱地层；钻完井配套技术；提高钻速；安全钻井；固井 论文类型：应用基础 u s u b j e c t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： s t u d yo nd r i l l i n ga n dc o m p l e t i o ns e t t i n gt e c h n o l o g i e so fa n p e n g o i l f i e l d o i l - g a sw e l le n g i n e e r i n g d i n i n s t r u c t o r ：n i e l i u a b s i k a c i 。 a n p e n go i l f i e l di sl o c a t e di nt h es o u t hp a r to fz h a o w a - a n p e n gn o s es t r u c t u r e ，b i y a n g d e p r e s s i o n , n a n x i a n gb a s i n t h e o i lb e a t i n ga r e ao fs t r u c t u r ei s 5 2k m z p e t r o l e u m e x p l o r a t i o ns t a r t e di n19 9 0 a n do i la n dg a sa r ed i s c o v e r e di nt h et e r t i a r yh e t a o y u a nf o r m a t i o n ， t h er e s e r v o i rd e p t hv a r i e sf r o m2 , 0 0 0t o3 5 0 0 m ，a n dt h et o t a lp r o v e dr e s e r v e si s 13 6 3m i l l i o n t o n s d u r i n gt h ep e t r o l e u me x p l o r a t i o n ，t h el a r g e s tn a t r o no r ed e p o s i th a sb e e nd i s c o v e r e da n d i d e n t i f i e d ，t h ep r o v e do r ea r e ai s10 7 4 k m 2 ，t h ec + d l e v e lc o m m e r c i a lr e s e r v eo fs o l i dn a t r o n i s4 8 4 9m i l l i o nt o n s ，l i q u i dn a t r o nr e s e r v ei s1 3 6 5m i l l i o nt o n s ，c o v e r i n gl ，1 9 0 m e t e r s b u r y i n gd e p t hi n t e r v a l ，f r o m13 10 2 5 0 0 m b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo fu n d e r g r o u n dg e o l o g i cs t r u c t u r ea n dt h er e s e r v o i rt y p e ，t h e f r i a b i l i t yo fr o c k ，a sw e l la sh i g hn a t r o nb e a r i n gf o r m a t i o nm a y a f f e c tt h ed r i l l i n gf l u i da n d l i q u i dm u ds e f i o u s l y n o s u i t a b l ed r i l l i n gt e c h n o l o g yf o rt h i sb l o c k ，m a n yt e c h n o l o g y d i f f i c u l t i e se n c o u n t e r e di nl o c a lw e l ld r i l l i n ge x p e r i e n c e s ，s u c ha ss l o wd r i l l i n gs p e e d ，t h e c o m p l e xd o w n h o l ea c c i d e n t s ，p o o rb o r eq u a l i t ya n di n f e r i o rc e m e n tq u a l i t y i nt h ee a r l yp e r i o d o fe x p o i t a t i o n , 16w e l l sw i t ha v e r a g ew e l ld e p t h3 4 2 8 mh a v eb e e nc o m p l e t e d ，t h e s ew e l l s c h a r a c t e rt h ea v e r a g em a c h i n e r yd r i l l i n gs p e e d3 4 8 m h ，a v e r a g ew e l ld r i l l i n gc y c l e12 9 5 6 d a y s ，c o m p l e xa n da c c i d e n tt i m e1 0 3 3 ，o n et i m ew e l lc e m e n t a t i o nq u a l i t yr a t e4 3 6 t os o l v et h ea b o v et e c h n i c a lp r o b l e m s ，as e r i e so fd r i l l i n ge n g i n e e r i n gr e s e a r c h e sh a v e b e e nc a r d e do u ti nr e c e n ty e a r s ，m a i n l yi nf i v en e c e s s a r ya s p e c t s ：( 1 ) a p p r a i s et h es t r a t u m d r i l l a b i l i t ya n do p t i m i z et h ed r i l lb i t s ；( 2 ) o p t i m i z et h ed r i l l i n gp a r a m e t e r sa n dw a t e rp o w e r p a r a m e t e r s ；( 3 ) a p p l i c a t i o n o fs t r a t u mn a t u r a lb u i l da n g l ep r i n c i p l e ；( 4 ) a n t i n a t r o nw e l l d r i l l i n gf l u i ds y s t e mr e s e a r c h ；( 5 ) a n t i n a t r o nw e l lc e m e n t a t i o ne n g i n e e r i n gr e s e a r c ha n d s oo n b a s i so nt h ef o r m e rd r i l l i n gd a t aa n dt h eg e o l o g i c a ls i t u a t i o n ，t h ef u n d a m e n t a lt h e o r y r e s e a r c h ，r o o me x p e r i m e n ta n d t h ef i e l ds i t et e s ta sw e l lh a v e b e e nc a r d e do u tt o a n a l y s i st h e m a j o re f f e c t i v ef a c t o r s t h er e s e a r c hr e s u l t e di nf i v ei n n o v a t i o n so nt h ed r i l l i n ge n g i n e e r i n g t e c h n o l o g ya n dg o ts o m eb r e a k t h r o u g hd r i l l i n gt e c h n o l o g yi nh i g hn a t r o nb e a r i n g f i e l d f i v em a i na c h i e v e m e n t sa n di n n o v a t i o n sl i s ta sf o l l o w s ： ( 1 ) o p t i m i z e da s e to ft h ed r i l l i n gp a r a m e t e r ss u i t a b l ef o ra n p e n go i lf i e l d ； ( 2 ) o p t i m i z e da s e to ft h ed r i l l i n gb i t sm o d e lf o ra n p e n go i lf i e l d ； 1 1 1 英文摘要 ( 3 ) p r o p o s e ds t r a t u mn a t u r a lb u i l da n g l ep r i n c i p l ef o ra n p e n gs t r u c t u r e ，a p p l i e di t sr u l et o c a r r yo nt h ew e l lh e a dp o s i t i o na n dt h eb o r e h o l ep a t hd e s i g n ； ( 4 ) s t u d i e das e to fa n t i - n a t r ow e l ld r i l l i n gf l u i ds y s t e ms u i t a b l ef o rt h ea n p e n go i lf i e l d c h a r a c t e r i s t i c s ； ( 5 ) c o n d u c t e das e ta n t i l y em u ds y s t e ma n dt h ew e l lc e m e n t a t i o nn e c e s s a r yt e c h n o l o g y t os u i ta n p e n go i lf i e l dc h a r a c t e r i s t i c s t h r o u g h4 7w e l l sa p p l i c a t i o n si na n p e n gn a t r o b e a t i n go i lf i e l d ( 1 ) e n h a n c e st h e m a c h i n e r yd r i l lr a t e7 0 9 8 ，r e d u c e st h ew e l lb u i l d i n gc y c l e6 5 21 ；( 2 ) t h ec o m p l e x i t ya n d t h ea c c i d e n te f f e c t i v e n e s st i m er e d u c e s7 8 8 0 ，r e a l i z e da n p e n gn a t r o - b e a r i n go i lw e l ls a f e l y c o m p l e t i o nw i t h o u tt e c h n i c a lc a s i n g ；( 3 ) t h ew e l lc e m e n t a t i o nq u a l i t yq u a l i f i e dr a t ei m p r o v e d f r o mo r i g i n a l4 3 6 t o9 7 8 7 ；( 4 ) c r e a t ed i r e c te c o n o m i cp r o d u c t i v i t y2 4 1m i l l i o n y u a n t h er e s e a r c hp r o j e c ta c c o m p l i s h e da l lo fi t st a s k sa n da c h i e v e db e t t e rt e c h n i c a la n de c o n o m i c i n d i c a t o rt h a ni t sp l a n f o re x a m p l e ，t h ep l a nt a r g e te n h a n c e st h em a c h i n e r yd r i l lr a t e15 ， a c t u a l l ya c h i e v e d7 0 9 8 ，5 5 9 8 h i g h e rt h a np l a n ，t h ep l a nt or e d u c et h ew e l lb u i l dc y c l e 2 0 ，a c t u a l l y6 5 2 1 ，d o w n h o l ec o m p l e x i t ya n dt h e a c c i d e n te f f e c t i v e n e s st i m e - 5 p l a n n e d ，2 19 a c h i e v e d ，w e l lc e m e n t a t i o nq u a l i t yq u a l i f i e dr a t e8 0 p l a n n e d ，9 7 8 7 r e a l i z e d ，t h ee c o n o m i cp r o d u c t i v i t y2 2m i l l i o ny u a np l a n n e d ，2 41m i l l i o ny u a nr e a l i z e d k e yw o r d s ：a n p e n go i l f i e l d ；h i g hn a t r o nb e a r i n gf o r m a t i o n ；d r i l l i n ga n dc o m p l e t i o n s e t t i n gt e c h n o l o g i e s ；e n h a n c et h ed r i l l i n gr a t e ；s a f ed r i l l i n g ；c e m e n t a t i o ne n g i n e e r i n g t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y i v 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：孓! z 堡j 龟 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名：亘丝莛 导师签名： 酸v v n 1 日期：兰竺：! ! 吼毕 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章地质概况和钻井难点 第一章地质概况和钻井难点 1 1 地质概况 河南油田主力勘探开发区域泌阳凹陷是一个中、新生代富含油气的小型断陷盆地， 有效勘探面积约8 0 0 k m 2 。根据凹陷的古构造地貌特征和现今构造格局，可将其划分为南 部陡坡带，中部深凹带和北部斜坡带，下第三系核桃园组为主要勘探开发目的层系( 图 1 1 ) 。安棚高含碱油田位于深凹带安棚鼻状构造，含油面积约5 2 k m 2 ，探明油气地质储 量1 3 6 3 万吨，含碱叠合面积为1 0 7 4 k m 2 ，探明c + d 级固体碱工业储量4 8 4 9 1 l 万吨 ( n a h c 0 3 + n a 2 c 0 3 ) ，液体碱储量1 3 6 5 万吨，是一典型的油、气、碱共生矿藏。 1 1 1 构造特征和油气藏类型h 3 安棚高含碱油田位于泌阳凹陷北西向断裂与北东向张性断裂的交汇处，东西两侧沿 断层方向的作用力对其所夹块体共同挤压，形成安棚鼻状构造。鼻状构造的西翼较东翼 陡峭；其轴部由深至浅向北东方向逐渐迁移。构造长轴走向为西北一东南( n 、- s e ) ， 长轴长度大于4 8 k m ，地层从东南向西北方向逐渐抬升，形成东南油层深，西北油层浅， 从上至下构造幅度增加，两翼地层倾角变陡。油气藏类型复杂，油藏圈闭类型为构造一 岩性油气藏和岩性油气藏，以岩性油气藏为主。 安棚高含碱油田油藏埋藏深度大于2 0 0 0 m ，含油气井段总长15 0 0 m 。其中油层埋深 2 3 0 0 3 2 0 0 m ，含油井段长9 0 0 m ，主要分布于i i 油组，含油高度5 0 1 5 0 m , 气层埋深 3 1 0 0 3 5 0 0 m ，含气井段长4 0 0 m ，主要分布于、油组。 1 1 2 高含碱基本特征 安棚高含碱油田碱层主要分布于下第三系核桃园组，与油气藏同属于一个地层组。 共发现1 7 个碱层，埋深1 3 1 0 - - - 2 5 0 0 米，主力碱层埋深1 5 0 0 - - - 2 5 0 0 米，含碱井段长达 11 9 0 米。同体碱层呈层状展布，产状与围岩地层一致，厚度0 2 - - 4 0 米，核三段碱层较 厚，分布面积大，平面连续性好；核二段厚度较薄，横向变化大，纵向上分布井段长。 天然同体碱矿石多为浅褐色、棕褐色，具涩味，玻璃光泽，粒晶结构，块状构造，化学成 分主要为n a 2 c 0 3 和n a h c 0 3 ，n a 2 c 0 3 + n a h c 0 3 含量平均为9 3 3 8 。液体碱厚度9 4 米， 卤水的化学成份主要是n a 2 c 0 3 和n a h c 0 3 ，含量平均为1 0 1 4 。 1 1 3 地质岩性特征 安棚高含碱油田岩性主要为粗一中一细砂岩和砂砾岩( 表1 2 ) ，胶结物主要成分有 方解石、白云石( 1 3 ) 和少量的泥质( 5 7 ) 。粘土矿物有伊利石( 4 7 6 ) 、绿泥石( 4 5 2 ) 和绿蒙间层( 7 2 ) 。石英含量1 7 ，长石含量3 3 ，岩屑含量5 0 ，岩屑含量较多，岩 石的结构及成分成熟度均较低；砂岩类型有长石岩屑砂岩、岩屑长石砂岩、岩屑砂岩。 西安石油火学硕十学位论文 1 1 4 地层孔隙压力及温度 安棚高含碱油田地层压力p 与地层深度h 关系如下： 压力：p = i 2 2 0 5 0 3 + 0 0 0 9 0 8 9 h ( m p a ) 地层压力梯度为0 9 0 8 9m p a m ，油层压力为2 8 , - - - 3 4m p a 。 温度t 与地层深度h 的关系如下： 温度：t _ 1 4 3 7 7 0 1 3 + 0 0 3 4 3 8 5 h ( ) 温度梯度为3 4 4 8 5 。c 1 0 0m ，油层温度为l l o 1 6 0 。 1 2 钻井工程难点 据统计，开发安棚高含碱油田完成3 0 0 0 米以上井1 6 口，平均并深3 4 2 8 1 4 m 。 综合分析己钻井资料认为，该区块存在“硬、斜、卡、漏、碱”等多项综合性钻井技 术难题，导致钻井工程质量难控制、井下复杂情况多、机械钻速低、钻井周期长等后果。 具体主要技术难点分析如下。 1 2 1 地层硬度高，研磨性强，钻头使用效果差h 钔口0 1 在安棚高含碱油田前期钻井中，对地层岩性以及可钻性等力学参数未进行过系统评 价，没有掌握该区块的地层物理参数，钻井中都是根据现场经验判断进行钻头选型，所 以选择的钻头与地层适应性不好，导致钻头使用效果差，机械钻速低。以前所钻井的平 均单井使用钻头数量多，单只钻头进尺、纯钻时间以及机械钻速都明显偏低。 从2 0 0 1 年对安棚高含碱油田地层抗钻特性评价结果以及地层岩性分布看出，在安棚 区块上部地层岩石主要以砂岩、泥岩为主，硬度不高，地层比较疏松，可钻性级别在2 5 之间，可钻性较好，研磨性较差( 内摩擦角在3 6 0 左右) ，相对而言上部地层的岩性特 征对钻速影响较小。中下部地层则以白云质泥岩、页岩、石英砂岩为主，并含有大量的 碱层，岩石硬度变大，研磨性渐增( 内摩擦角在4 0 - - 4 5 0 之间) ，可钻性变差( 可钻性级 别在6 - - 8 之间) 。对所钻1 6 口井钻井资料分析，进入核二段( 1 7 0 0 米左右) 以后，随 着地层岩性变硬，可钻性差，机械钻速明显降低，3 0 0 0 - - - 3 5 0 0 米井段正常钻进的机械钻 速仅为1 9 4 米4 , 时。 因此，针对安棚高含碱油田地层岩性及可钻性进行抗钻特性评价，优选适合于地层 特点的钻头类型、钻井参数和水力参数，达到提高安棚高含碱油田钻井速度，尤其是提 高下部地层钻井速度的目的，是项目急待解决的难题之一。 1 2 2 轨迹控制难度大，造成井身质量差口2 1 安棚高含碱油田地层倾向一般为1 3 0 - 2 0 0 0 ，上部井段地层倾角在5 8 0 之间，到下部 井段地层倾角最大达到2 5 0 ，而油气层主要埋藏在下部地层2 0 0 0 - - - 3 5 0 0 米) ，这给井眼 轨迹控制带来很大困难。该区块前期采取满眼稳斜钻具组合措施的直井井斜达1 5 - - 2 0 0 ， 第。一章地质概况和钻井难点 井底位移达2 4 0 - 2 6 0 米，无法满足油田勘探开发的要求。 为了控制井斜，不惜牺牲钻井速度而采取轻压吊打或使用动力钻具纠斜、扭方位等 措施。根据该区前期已钻井资料统计，所钻1 6 口井( 其中直井1 2 口，定向井4 口) 均 由于地层自然造斜原因，使井眼轨迹难于得到有效控制，1 2 口直井都不同程度地使用钟 摆钻具吊打钻进或者使用动力钻具进行纠斜施工，不但降低了钻井速度，而且由于井眼 轨迹控制不好、“狗腿度”大导致多起卡钻和钻具事故发生。 根据安棚高含碱油田开发部署要求，钻井靶区半径控制在2 0 米以内，目的层深度在 3 0 0 0 米以上。因而对于这种小靶区半径的井眼轨迹控制难度比较大，特别是在地层倾角 比较大的构造区块，如果不进行地层自然造斜规律研究与应用，势必造成钻进中不断的 纠斜、扭方位，既降低钻井速度，又造成井眼曲率变化大、钻具事故多。 1 2 3 高含碱对钻井液造成污染，井下复杂情况不断 由于安棚高含碱油田的核二、核三段，在井深1 3 1 0 - 2 5 0 0 米含有丰富的天然碱矿藏， 其主要成分n a 2 c 0 3 、n a h c 0 3 均为无机盐，易溶于水和钻井液中，它们的溶解容易使钻 井液性能变坏，粘切高，失水大，流变性差，极易产生“糖葫芦”井眼，井径扩大率高达 1 3 6 ，严重时造成井塌、卡钻等井下复杂情况，电测遇阻也频繁发生，完井周期延长， 不但给钻井施工带来严重影响，而且难于保证全井工程质量。 1 2 4 高含碱对水泥浆造成污染，水泥胶结质量差 安棚高含碱油田天然碱层的存在，尤其是随着含碱区块油和碱资源开发程度的提高， 给含碱井的固井施工也带来一系列技术难题。一是由于碱的溶出，导致水泥浆性能变差， 水泥石的强度降低；水泥环与碱层之间形成间隙，胶结质量变差；所形成的“糖葫芦”井 眼易造成顶替效率差而影响固井质量。二是由于下部地层还存在裂隙，裸眼封固段长， 地层破裂压力低，易发生固井漏失。前期1 6 口含碱油井同井质量合格率仅4 3 6 。 为达到安棚高含碱油田优质、高效整体开发的要求，加快油田产能建设步伐，提高 整体开发效果，必须开展优快钻井技术、抗碱钻井液技术、抗碱固井技术的综合配套研 究，形成一整套适合该油田特点的钻井综合配套技术。 两安石油大学硕十学位论文 第二章优快钻井技术研究 2 1 地层可钻性评价与钻头优选 2 1 1 钻头使用现状及存在的问题 由于对安棚高含碱油田地层可钻性缺乏系统研究，钻头的选择和使用主要是参照邻 井钻井资料或凭经验进行，安棚高含碱油田钻头选择存在如下问题： 钻头选型不适合地层特性，机械钻速低； 所选钻头没有考虑地层研磨性强的影响，新钻头入井时出现的扩、划眼时间多， 既缩短了钻头寿命，也延长了钻井周期； 由于钻头使用寿命短，钻头更换频繁，使得起下钻时效增加，延长了钻井周期； 由于钻头选型不合理，导致钻井参数的选择受到限制，使钻头破岩机械能量不足， 影响了机械钻速的提高： 钻头选型零乱，基本上是一口井一个样，钻头数量消耗多，单只钻头进尺低。 因此，为有效地实施安棚高含碱油田的优快钻井，有必要研究安棚区块地层岩性、 可钻性等岩石力学参数，优选出适合该区块地层特点的优质、高效钻头，为提高安棚高 含碱油田钻井速度创造条件。 2 1 2 安棚高含碱油田地层岩石可钻性评价及钻头选型晗钔口们眩7 1 在地层的诸多特性中，岩石抗压强度、抗剪强度、岩石研磨性、岩石可钻性等对钻 井有着及其重要影响。长期以来，人们利用岩心实测岩石的这些特性，但是由于费用、 技术等原因，不可能对整个地层剖面取芯，所得资料难以反映一个层位的完整岩石性质。 因此，利用测井资料来评估地层的抗钻特性以满足钻井工程需要具有重要的实际意义。 国外从1 9 8 0 年代后期开始，在利用录井和测井资料评价岩石可钻性和钻头选型方面进行 了大量研究工作，取得了一定成效。国内由于资金、设备和技术力量的限制，综合录井 仪等先进技术设备没有充分得以运用，在这方面的研究起步较晚。但随着技术的发展和 理论研究的不断成熟，综合利用地质、钻井、录井及测井等资料对实钻地层岩石力学特 性和抗钻特性参数进行全面评估，为提高钻井效率、降低钻井成本提供科学依据，是完 全可行的。 2 1 2 1 评价原理与方法川 a 、地层力学参数测井解释模型 地层岩石力学特性参数是实现科学钻井的基础数据之一，它反映了岩石在各种外力 作用下，从变形到破碎过程中所表现出来的物理力学性质，如岩石硬度、塑性系数、抗 压强度、抗剪强度、研磨性、可钻性级值等。因此，它对钻井工程中的钻头选型、参数 4 第二章优快钻井技术研究 优化及技术决策等都具有重要意义。 利用岩石声学测试方法测定岩石力学参数，不需要取芯，是一种经济有效的方法。 弹性介质中的纵、横波计算 当外力对弹性介质的某一部分产生初始扰动时，由于介质的弹性，这种扰动将由一 个质点传播到另一个质点，如此连续进行下去，即形成弹性波。 无限弹性介质中弹性波的传播速度为： v j p = v s = 式中： v p 一纵波速度，m s ；以一横波速度，m s ；e d 一动态弹性模量，m p a 心一动态泊松比；p 一介质密度，g c m 。 岩石的动态弹性模量和动态泊松比 易= 等赞 胪揣 岩石静态弹性模量及静态泊松比 e s = e l + e 2 e d s = u l + u 2 d e t = 1 9 8 4 + 1 8 1 0 2 t g ( p , 一p f ) ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) e 2 = o 0 6 6 1 8 4 + 0 1 6 0 9 3 t g ( p ：一p f ) u i = 0 2 4 5 4 3 0 1 5 5 4 8 3 1 9 ( p s 一只) u 2 = 0 0 5 0 2 4 8 + 0 3 6 4 7 8 l l g ( p s p ，) 式中：只一上覆地层压力，m p a ；只一测井时井内液柱压力，m p a ；其余 符号意义同前。 b 、地层力学特性参数计算 地层岩石硬度及可钻性 耻口，者净鼢 亿6 ， 式中：k i 一岩石硬度及可钻性( i = l ，2 ，3 ) ：卜岩石泊松比； v 。h _ 一岩石泥质含量；e - 一岩石弹性模量，m p a ；a i _ 方程系数； b i _ 泥质含量影响系数； a , i 、1 3 i 、丫卜分别是反映岩石抗张、抗剪、抗压的指数。 地层泥质含量 西安石油大学硕士学位论文 = 瓦g r 忑- g r m i n ( 2 7 ) 式中：吃一地层泥质含量；g r 一自然伽玛值；锹麟一自然伽玛最大值；傩i l i i n 一自然伽玛最小值 地层体积密度 如没有密度测井数据，可用下式计算： p 2 成一等 亿8 ， 式中：p 一岩石体积密度，g c m 3 ；n 一岩石骨架密度，g c m 3 ；其余符号意 义同前。 地层无围压抗压强度( u c s ) u c s = o 5 e ，【0 0 0 4 5 0 一) + o o o s v 曲】 ( 2 9 ) 式中：u c s 一地层无围压抗压强度，瑚f ； 其余符号意义同前。 地层无围压抗剪切强度( s s ) s s = 1 5 x1 0 - 4 卜2 彬( 等4 矿6 ( 1 + 们8 u 等) 2 ( 2 m ) 式中：s s 一地层无围压抗剪强度，俨f ；肋一泊松比5 其余符号意义同前。 地层岩石内摩擦角o a f ) l 4 f = 2 2 4 1 4 1 0 9 i o ( m + l + m 2 ) 一2 3 0 2 ( 2 11 ) m = 5 5 6 6 8 + 2 2 8 1 2 册 式中：a f 一地层岩石内摩擦角，度；其余符号意义同前。 c 、地层可钻性分级聚类分析 地层岩石力学特性，如硬度，塑性，可钻性，研磨性等是相互关联的，而岩石破碎 受他们的综合影响，如何把它们有机地结合起来是综合利用地层岩石力学特性实现钻头 优选的关键。本研究利用聚类分析方法，将岩石可钻性、硬度、塑性、抗剪强度所归属 的岩石级别聚类为一个综合岩石级值，实现了定量描述地层岩石特性的差异，为钻头选 型提供了可靠依据。 利用加权关联度进行灰色关联聚类，以灰色关联分析为基础，通过判断比较数列和 参考数列的接近程度，来进行地层可钻性聚类分析。如果两者的几何形状越接近，关联 度就越大。 d 、钻头性能评估方法 钻井实践表明，钻头的使用效果如何，对口井的钻井速度等效益指标影响很大。 而钻头的使用效果又首先取决于钻头选用是否合理。就目前技术而言，钻头选型合理与 否主要看钻头与地层是否相互匹配，因为不同的地层其岩性不同，破碎机理也不完全相 6 第二章优快钻井技术研究 i 司。 我们采用效益指数法作为评价钻头与地层是否匹配的综合指标，并以此作为钻头选 型的依据之一。 这种方法与钻头每米成本评价方法总体是一致的，是根据钻头进尺、机械钻速、钻 头成本三个因素的综合指标来评价钻头使用效果，但该方法突出体现了钻头带来的近期 经济效益和潜在的远期经济效益，是一种合理的钻头评价方法。 钻头效益指数模型为： 一 f v e b = 口了 ( 2 1 2 ) l 6 式中： 毛一钻头效益指数，( m 2 h ) 元： 口 一方程系数； ， 一钻头总进尺，m ； 矿 一钻头机械钻速，m l h ； c 。一钻头费用，元只 应用该模型，可以建立某一地区钻头的优选系列，为该地区新井钻头优选提供指导。 用该方法评估钻头时，效益指数越大说明该只钻头表现越好。因此，应优先选用效益指 数高的钻头。 2 1 2 2 岩石可钻性分级研究 a 、程序设计基本思路 、钻头数据库：编辑和处理现场使用过的钻头数据库，为钻头选型提供基础数据； 、测井数据处理：处理数字化测井得到的测井数据，并构造测井基础数据库。直 接从有相同文件格式的测井数据盘中读取数据，并处理之； 、分析选型：计算地层岩石力学特性参数、分段选型、打印计算结果曲线等； 、参数输出：用表格形式输出中间计算结果及选型结果； 、生成报表：根据同一区块各口井岩石可钻性数据和钻头选型数据生成该区块岩 石可钻性级值及钻头选型报告； 、帮助：本系统的主帮助文件； b 、可钻性评价结果 由现场收集到的测井资料，用上述软件分别对每口井数据进行处理，建立了多口井 的岩石力学特性剖面。 2 1 2 3 钻头选型及现场应用 a 、钻头选型 结合多口井地层特性综合分析，安棚高含碱油田钻头类型优选结果如表2 1 。从表中 西安石油大学硕上学位论文 可以看出，该区块中下部地层可钻性比较差( 5 8 之间) ，研磨性比较强( 能反映地层研 磨性的内摩擦角一般在4 0 0 以上) ；而优选出的h j t g 和h a t g 型钻头所具有的巴掌强化 功能使其具有强抗研磨性，背锥齿和外排齿之间增加的修边齿使其具有特别保径功能， 适应了安棚高含碱油田地层高研磨性的特点，同时h j t g 钻头采用的金属密封使其轴承 承载能力和抗咬合能力得到提高，适应了中上部使用高转速的需要。 b 、现场应用 安棚高含碱油田钻头类型优选方案运用于现场，通过现场施工证明，优选出的h j t g 、 h a t g 型钻头适应了安棚高含碱油田地层特点，提高了钻井速度，降低了钻井成本，平均 单井钻头消耗由项日研究前的1 8 8 只下降到9 只，下降了5 2 1 3 ( 图2 1 示) ，从表2 2 看出，钻头优选后平均每米钻进成本也明显下降。 2 1 3 小结 ( 1 ) 利用安棚高含碱油田测井资料对岩石抗钻特性进行评价，在取得整个井身剖面内 全部岩石力学参数的基础上，进行灰色关联聚类分析并得到岩石的综合级值，为该区块 钻头选型提供了可靠依据。 ( 2 ) 采用效益指数法和地层可钻性相结合的方法选择钻头，使选择更全面。 ( 3 ) 研究结果表明，安棚高含碱油田岩石内摩擦角基本在3 6 。以上，证明了该区块地 层研磨性强的特点，与现场钻井实际相吻合。 ( 4 ) 通过现场施工证明，优选出的h j t g 、h a t g 型钻头适应了安棚高含碱油田地层 特点，平均单井钻头消耗由研究成果应用前的1 8 8 只下降到9 只，不但减少了钻头使用 数量，而且提高了钻井速度，降低了钻井成本。 表2 1 安棚高含碱油田钻头类型优选方案 可钻 内摩 硬度岩石可 可钻性 地层 井段 岩石性 擦角 均值 钻性聚推荐 可钻性均 聚类分 钻头型号层位 ( 米) 均值 类分级 级均值 ( 牙轮) 值 ( 度)( m p a ) ( 牙轮) h l 9 3 8 l o l o2 3 2 6 2 8 4 o o3 4 2 65 4 5 8 3 3 5 4h j t 5 1 7 gh j t 5 1 7 h j t 5 1 7h j t 5 1 7 g h 2 1 0 1 0 - - - - 1 8 1 41 9 4 8 6 74 9 l 3 8 7 8 8 8 6 1 92 6 4 h r t 5 1 7 g h 3 i1 8 1 4 - - - , 1 9 7 92 5 2 7 7 85 7 43 9 4 71 0 4 6 7 23 65h j t 5 1 7 gh j t 5 1 7 l - l j t 5 3 7h j t 5 3 7 g h 3 1 il9 7 9 2 2 6 02 4 2 8 1 25 6 04 0 5 71 1 9 8 2 03 64 h a t 5 3 7 g 8 第二章优快钻井技术研究 h ，r 5 3 7h ，r 5 3 7 g 2 2 6 0 2 5 6 0 4 l8 51 3 0 57 9 h a l s 3 7 0 h 3 i v 2 5 6 0 2 8 0 03o o 9 4 2 h a l 5 3 7 g h a t 5 3 7 g 岍5 4 7 2 8 3 0 i o3 3 5 83 7 3 6 h ，r 5 3 7h t 5 3 7 g h “r 5 3 7 gh 兀j 3 7 g 3 1 2 0 3 3 0 0 h 衄5 3 7 0 5 66 i m 5 3 7 大仓i w 5 3 7 ( 3h 椰3 7 房 3 4 7 0 3 6 0 l55 6 h 盯s 3 7 g 衰22x h p 型和h j t g 型钻头钻进成本分析 价格钻进井段纯钻时恒机械钻速钻进成本 井号钻头型号 ( 万元)( m m ) 1 1 1 ( m h )( 元米) b 2 3 9x h p 3 05 51 2 8 4 1 5 5 l4 06 765 81 9 4 上4 安2 0 1 0 h j t 5 1 7 g2 1 61 1 3 1 1 9 0 85 6 ”1 37 8 9 5 m l b 2 5 4 x h p 305 53 0 5 2 0 1 础5 55 l2 0 85 9 4 8 9 安2 0 1 1 h i t 5 4 728 02 9 5 3 ，0 2 6 l8 68 335 44 0 9 工8 0 一1 0 0 01 7 一2 0 0 02 5 0 02 7 0 03 0 0 d3 5 0 0 * & ( m ) 图21 研究成果应用前后各井段钻头用量比较 两安石油大学硕上学位论文 2 2 钻井参数和水力参数的优化 2 2 1 现状及存在问题分析 在钻井参数选择方面，对不同井深转速和钻压对钻速的影响不清楚，钻井参数的选 择主要建立在经验基础上，选择的钻井参数使钻头破岩机械能量不足，影响钻速。如表 2 4 所示，全井基本以低转速为主，所加钻压值也偏小。 在水力参数优选方面，水力参数一直处于被忽略的地位，表2 5 可以看出，施工中 的水力参数普遍偏低，没有充分发挥钻井水力参数辅助破岩、净化井眼和减小井底压持 效应的作用，水力参数偏低主要表现在没有根据现场实际情况进行水力参数优化设计， 喷嘴尺寸和排量的选择凭经验，过于保守。 2 2 2 钻井参数的优选3 3 有关文献表明，当一口井井位确定以后，钻压、转速是影响机械钻速的最主要因素， 它们在钻速总变异中所占的权重约为6 3 5 ，可见，如何确定合理的钻井参数是提高钻 井速度的关键。 为了确定钻压和转速在不同井深对机械钻速的影响，进而确定合理的钻井参数，分 别开展了释放钻压及钻压和转速优选的试验研究。 2 2 2 1 释放钻压法试验哺1 根据通用钻速方程： 1 ，p 。：k rf ，w m j 玎4c pch ( 1 + c2h ) ( 2 13 ) 式中：v 。一机械钻速，b 钻压，门限钻压， 1 1 转速，l 转速指数； o 、c h 、c 2 、a 为无因次量。 可以看出，要确定钻压和转速对机械钻速的影响，必须先得确定出转