（石油与天然气工程专业论文）胜利油区大尺寸井眼提高钻速技术研究.pdf

摘要 随着世界上各主要油田都已进入开发的中后期，向深部要油、 向边缘扩展、向新探区要储量已经是大势所趋。所有这些，使得井 身结构越来越复杂，套管程序越来越繁琐，大尺寸井眼越来越多并 且越钻越深，大尺寸井眼钻井速度问题已经成了制约总体钻井进度 和钻井成本的重要因素。因此，大尺寸井眼优快钻井成了摆在钻井 人面前的一个重要课题。本文首先从理论上分析了影响大尺寸井眼 钻井速度的因素，对各种因素的影响程度分别进行了研究，找出了 大尺寸井眼的钻进规律。并结合大尺寸井眼钻井的现场经验，提出 了优质、快速钻进大尺寸井眼的新工艺、新技术，为大尺寸井眼钻 并工艺的设计提供了指导性的原则，必将促进大尺寸井眼钻井技术 的发展，为油田节能增效作出自己的贡献。 关键词：大尺寸井眼钻井设计原则钻进规律 t e c h n o l o g i c a l r e s e a r c ho n i n c r e a s i n gd r i l l i n g r a t e i nl a r g e - s c a l ew e l li ns h e n g l io i l f i e l d b y z h a n gl i n g e u n o i l & g a sw e l ld r i l i l l i n ge u g i n 稿e c r i n g ，u n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ，c h i n a a d v i s e r ：z h i c h u a ng u a n ( p r o f e s s o r ) a b s t r a c t i ti st h et r e n do ft h et i m e st od r i l ld e e p e rf o r m a t i o n ， e x p a n di n t h em a r g i na n dd r i l li nt h en e w l ye x p l o r e da r e a sw i t ht h ef a c tt h a tt h e m a i no i l f i e l d st h r o u a h o u tt h eg l o b ea r en o wi nt h e i rl a t ep e r i o d a i lt h e r e a s o n sm a k et 1 1 ew e l ls t r u c t u r em o r ea n dm o r ec o m p l e x ，t h ec a s i n g p r o 掣a m f u s s i e ra n dt l l en u m b e ro f l a r g e s c a l ew e l i sa n dt h ed e p t ho f t h o s ew e l l s i n c r e a s i n g p r o b l e m sc o n c e r n i n gt h ed r i m n gs p e e d o f l a r g e s c a l ew e l l sh a v e b e e no n eo f t h ek e yf a c t o r sr e s t r i c t i n gt h eo v e r a l l d r i l l i n gs p e e da n dt h ed r i l l i n gc o s t h o wt oo p t i m i z ea n dm a i n t a i nt h e d r i l l i n gp r o g r a m o f l a r g e s c a l e w e n si sa n i m p o r t a n ts u b j e c t t h e o r e t i c a la n a l y s i sh a sb e e nd o n eo nt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h e l a r g e s c a l ew e l l sd r i l l i n gs p e e d ，t h ei n c i d e n c eo ft h o s ef a c t o r sh a s b e e na n a l y z e da n dt h el a w sc o n c e r n i n gt h el a r g e s c a l ew e l l sd r i l l i n g h a v eb e e nf o u n d n e wt e c h n o l o g i e sa n di n n o v a t i o n sf o rt h ep r e m i u m a n df a s t d r i l l i n g h a v eb e e np u tf o r w a r do nt h eb a s eo ft h eo n - s i t e e x p e r i e n c ew h i c hp r o v i d e st h eg u i d e1 i n ef o rt h ed e s i g no fl a r g e s c a l e w e u sd r i l l i n gt e c h n o l o g y ，p r o m o t e st h ed e v e l o p m e n to fl a r g e s c a l e w e l l sd r i l l i n gt e c h n o l o g ya n dc o n t r i b u t e st ot h e e n e r g yc o n s e r v a t i o n a n de m c i e n c y r a i s i n go f t h ew h o l e o i l f i e l d k e yw o r d s ：l a r g e s c a l ew e l l ，d r i l l i n g ，d e s i g np r i n c i p l e s ，d r i l l i n g 1 a w s 独创性声明 本人声明所里交的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的地 方外，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作了明 确的说明并表示了谢意。 签名：磁詈屁签名：m f 苫 如中年，月扩 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅： 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文。 学生签名 导师签名： j 一4 年，口月多日 j 。啦年，口月口日 石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 第1 章前言 在钻井行业内，通常所说的大尺寸井眼一般定义为井径大于等 于巾3 1 1 1 m m 以上的井眼为大尺寸井眼，下文如不作特殊说明，大尺 寸井眼即是指这样的井眼。 优质高效地进行作业是石油钻井行业永不休止追求的一个目 标。自有钻井作业的第一天开始，这种追求就从未停止过，无论是 在古代人们用顿钻找水找盐，还是在现代人们用钻机找油找气，无 论生产力水平发生了多大的变化，钻井作业者总是于方百计地在这 方面进行探索。 在胜利陆上油区，对常规尺寸井眼( o2 1 5 9 m m 或2 4 4 5 m m ，下 同) 的钻井作业，由于钻井进尺多、工作量大、机会多，人们已经进 行了大量的探索并且不断取得了突破，技术发展真是一日千里，同 十几年前相比，已经是面目全非。仅1 9 9 7 年以来，胜利黄河钻井总 公司范围内的钻井作业，中2 1 5 9 m 井眼的机械钻速每年都提高l m h 左右，每年因速度加快而获得的效益都上千万元。 而对于大尺寸井眼，由于进尺少、机会少，人们在这方面的探 索要少得多。这种精力投入方面的差异在胜利钻井系统显得非常明 显，大尺寸井眼钻井作业技术进步的速度比普通井眼小许多，钻井 速度慢许多，发展的潜力很大。在探井中使用大尺寸井眼的几率最 高，没有探井就没有开发井、打好探井也能为钻井行业自己找到更 多的工作量，大尺寸井眼的钻井作业十分重要。随着时间的推移， 世界上各主要油田都己进入开发的中后期，向深部要油、向边缘扩 展、向新探区要储量已经是大势所趋。所有这些，使得井身结构越 石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第1 章前言 来越复杂，套管程序越来越繁琐，大尺寸井眼越来越多并且越钻越 深，大尺寸井眼钻井速度问题已经成了制约总体钻井进度和钻井成 本的重要因素。绕不开、躲不过，即有必要、也有可能、并且还很 紧迫，大尺寸井眼优快钻井成了摆在钻井人面前的一个重要课题。 考虑到表层都在整个井眼的最上部，井段短，可钻性较好，生 产组织是影响钻井速度最重要的原因，所以在本文研究中对这种井 眼不做特殊研究。本文以胜利陆上油区的地质条件为出发点，从钻 井工程技术的角度去探寻解决问题的方法，得出的结论、方法在具 有类似地质环境的油田具有普遍的应用价值，在整个钻井彳亍业中具 有普遍适用的意义。 本文研究的目的是弥补钻井行业多年的弱项，完善东部油田大 尺寸井眼的钻井工艺，优选钻井参数，为提高钻井速度、降低钻井 成本提供技术保障。与西部、南方以及胜利油田海上的钻井作业或 胜利油区常规尺寸井眼钻井作业相比，胜利油区陆上大尺寸井眼钻 井施工有它的特殊性，西部、南方油田大尺寸钻井作业和本油区普 通井眼钻井作业的方法不能原封不动地照搬到胜利油区陆上大尺寸 井眼的钻井作业中来【i l 。 中3 儿1 m m 井眼是加快大尺寸井眼钻井速度的主要研究对象。中 6 6 0 4 m m 、( p 4 4 4 5 衄井眼一般用于表层层段，有少量中4 4 4 5 m m 短 段技套，大于2 0 0 0 m 的大尺寸井眼一般都是o3 1 1 1 珊井眼，是影响 大尺寸井眼钻井速度的主要因素。 井段较长，岩性变化大，地层孔隙压力变化大。大尺寸井眼一 般在探井、定向井、水平井和特殊区域有较大差异的压力层系的井 中采用较多，井深一般在2 0 0 0 m 2 8 0 0 m ，比西部的深井浅。纵向跨 2 石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第1 章前言 度大，从平原组一直进沙河街。岩石可钻性变化大，上部不成岩， 下部压实程度高，可钻性级值在4 o 6 5 之间变化。岩性变化不均 匀，一般没有大段均质地层，地层有很多反复，有砾石层、夹层， 地层孔隙压力当量值l 1 7 9 c m 3 。 井眼尺寸大。中3 1 1 1 m m 井眼的直径、井底面积、井壁面积、单 位长度破碎岩石的体积分别是普通尺寸井眼( 巾2 1 5 9 r m n ) 的1 4 4 、 2 0 8 、1 4 4 、2 0 8 倍；而0 4 4 4 5 m m 井眼的直径、井底面积、井壁 面积、单位长度破碎岩石的体积分别是普通尺寸井眼( 中2 1 5 9 姗) 的2 0 6 、4 2 4 、2 0 6 、4 0 4 倍。 井段长，对钻头、钻井液的要求变化大。岩性变化大，致使一 个井段内需要几种硬度、型号的钻头。增加井眼尺寸，在工程技术 方面会带来不少新困难。主要有：1 ) 井底面积增加，增加的幅度与 井眼直径成平方关系，这会给钻头清洗、冷却、破岩带来新的麻烦； 2 ) 井壁裸露面积增加，单位长度内岩石暴露在钻井液中的面积成线 性增加，导致井壁稳定的难度加大；3 ) 井筒容积增大，增加量以二 次方的关系变化，钻井液总量增加，钻井液处理难度增加，这些因 素都提升了钻井液成本，在工程技术方面致使岩石破碎量增加，钻 井液返速降低，影响携岩和对井壁的冲刷，容易砂卡、缩径。 以上特点给胜利油区陆上大尺寸井眼钻井作业带来了很多困 难，集中表现在以下五个方面： ( 1 ) 机械破岩能量严重不足【2 3 l 。一般钻井方式的参数和机械 破岩能量对比分析如表卜l 所示【2 】。 石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第1 章前言 表卜1 不同尺寸井眼的破岩体积和机械能量对比1 2 单位并 与普通井眼钻头 井底面 破岩 破岩体钻压转速底面积 尺寸 积( c 曲 体积机械破岩能 ( m m )( c 口3 m ) 积比值 ( t )( r a m i n )钻压转 量的比值 速 3 2 8 2 1 5 93 6 5 9 l3 6 5 9 ll1 6 2 07 6 1 2 01 6 0 55 7 2 1 7 3 3 0 3 3 1 1 17 5 9 7 57 5 9 7 520 82 2 2 47 5 23 77 22 6 10 6 1 6 1 3 4 4 4 51 5 5 l0 01 5 5 1 0 042 42 2 2 67 5 1 1 63 84 1 西4 4 4 5 m m 、出3 1 1 i m m 钻头钻l m 井深的破岩量分别是巾 2 1 5 9 m m 钻头破岩量的4 2 3 8 7 、2 0 7 6 3 ，而一般情况下钻头破岩 的总机械能量分别只有中2 1 5 9 m 钻头的6 8 7 5 9 6 1 6 2 5 0 、 6 8 7 5 1 5 0 0 0 ，破岩量增加后破岩的机械能量没有按比例增加， 机械破岩能量明显不足。特别是q b 4 4 4 , 5 m m 钻头采用中3 “1 嘞钻头 相同的转速和钻压时更为明显。 ( 2 ) 水力能量偏低【2 3 1 。表卜2 是一般情况下使用西1 2 7 r m n ( 5 ”) 钻秆在钻井液密度1 2 5 9 c m 3 情况下不同尺寸钻头在井深2 5 0 0 m 条件 下的水力能量对比分析，其中巾2 1 5 9 m m 井眼上部按中 3 3 9 7 m m ( 1 3 。- 3 8 ”) 套管下深3 0 0 m 计算，巾3 l i 1 m m 井眼上部o 3 3 9 7 m m ( 1 3 3 8 ”) 套管按下深3 0 0 m 计算，中4 4 4 5 m m 上部o 5 0 8 o m m ( 2 0 ”) 套管下深按l o o m 计算，从表1 - 2 中可以明显看出大尺 寸井眼水力破岩能量偏低。 4 石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第1 章前言 表1 2 不同尺寸井眼钻井作业中的水力能量分析1 2 排量泵压射流速度比水功率 钻头尺寸 返度m s 1 sm p am s w 中2 1 5 9 m3 21 9 2 71 3 6 0 21 1 1 11 0 1 中3 1 1 ，1 m m4 51 9 4 71 1 3 1 85 2 1o 5 7 中4 4 4 5 m m5 01 9 1 69 4 4 61 9 80 2 9 ( 3 ) 钻头不好选择【2 3j 。4 4 4 5 m m 钻头选择范围小，国内各 厂家生产的中4 4 4 5 m m 钻头的型号和品种较少，未形成系列，不能满 足长井段地层岩性变化的要求，更不能将钻压提到国外名牌产品的 水平。巾4 4 4 5 胁国产钢齿钻头主要有p l 、p 2 、p 3 等型号，国产镶 齿钻头主要有x h p 2 、x h p 3 等型号，都只适应于上部的松软地层。随 着大尺寸井眼的不断加深，钻遇地层的研磨性越来越高，现有的国 产钻头已经不能适应。进口钻头成本太高，供货周期太长，信息反 馈慢，无法大面积使用，对长井段中3 1 ll m m 井眼，一个井段内需要 不同硬度、型号的钻头，传统意义上的p d c 钻头只适应大段均质的 地层，一种钻头不能适用于整个井段。如果在个井段内选用多个 不同型号的p d c 钻头，由于地层变化快，不可能准确掌握地下情况 变化，起钻前不适应阶段可能对不适应的p d c 钻头造成损害，每只 钻头都可能被用坏，重复使用机会少，钻头成本高，起下钻次数多。 所以过去0 3 1 1 1 m m 井眼一般都不用p d c 钻头，大于中3 1 1 i r m a 的井 眼更不能用。 ( 4 ) 蹩跳钻比普通井眼厉害1 2 3 】。地层不均质、井底垫层、切 削齿吃入不好、扶正器修刮井壁，都会引起蹩跳。大尺寸的井径放 大了扭矩变化，使得蹩跳更为严重。这种现象，往往引起牙轮钻头 石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第1 章前言 减压使用( 降低机械破岩能量) 或提前损坏，或者使p d c 钻头很快地 失效。 ( 5 ) 钻井液维护处理难度大2 。“1 。大尺寸井眼井筒容积大， 井简内钻井液量多，钻井液中岩屑分散多，需要处理的量大，工作 量大。钻井液上返速度低、净化不好、流变性差，岩屑粘附在井壁 上使泥饼越来越厚，井径逐渐变小，加上上部地层松软，井径大， 浸泡面积大，并壁机械稳定性差，钻井液失水后使岩层易膨胀、垮 塌，致使钻井液性能越变越差。差的钻井液会引起钻头清洗不充分 而泥包、钻头冷却不好而提前损坏、井底垫层不能及时消除导致钻 头重复破碎而使机械能量、水力功率不能充分发挥破碎清洗功能等 问题，影响了机械钻速的提高。 本文所要解决的问题，就是在理论分析的基础上，通过实验研 究，寻找影响大尺寸井眼钻井工艺的规律，并探求工艺实施的可行 t 眭。 石油大学( 华东) 硕士研究生论文 第2 章国内外大尺寸井碾钻井技术研究现状 第2 章国内外大尺寸井眼钻井技术研究现状 在长期的施工中，形成了大尺寸井眼钻井作业的一套比较固定 的作法。4 4 4 5 衄井眼，一般选用钢齿钻头，采用钟摆钻具双泵钻 进，排量5 51 s 左右，泵压1 8 m p a 以内，钻压2 2 2 6 t ，转速i 档 车。中3 1 1 1 m 井眼，采用钟摆钻具，双泵钻进，排量4 5i s 左右， 泵压2 0 m p a 以内，钻压2 2 2 4 t ，转速一般用i 档车，也有少量用i i 档车。 一般情况下，中3 1 1 1 n m 井眼的机械钻速是相同井段普通井眼机 械钻速的1 2 1 4 ，1 1 ) 4 4 4 5 m 井眼的机械钻速是相同井段巾 3 1 1 1 l i i l 井眼机械钻速的l 3 1 5 。大尺寸井眼钻井速度普遍很慢， 随井眼直径加大机械速度降低得更快。 对中3 1 1 1 m m 井眼，一般情况下，井深2 2 0 0 m 左右时，需要牙轮 钻头3 4 只，钻井时间1 1 1 6 天。此后每增加2 5 0 m 左右需要增加 1 只牙轮钻头和4 天左右作业时间。井深达到2 8 0 0 m 左右时，需用牙 轮钻头5 6 只，钻井时间1 8 2 4 天。 较慢的机械钻速延长了裸眼的浸泡时间，给井壁稳定带来了许 多难题。不清洁的井眼往往造成更多复杂事故，延长作业时间。较 长的作业时间会造成更多的地面、地下污染和加大资金投入。 造成较慢机械钻速的主要原因是因为大尺寸井眼钻头的破岩体 积大，如中4 4 4 5 m m 钻头的破岩体积是中2 1 5 9 m m 钻头破岩体积的 4 2 4 倍，中3 1 1 1 m 钻头的破岩体积是中2 1 5 9 m m 钻头破岩体积的 2 0 8 倍。从目前国内钻井实际情况来看，施加在钻头上的钻压比较 小，中4 4 4 5 m m 与中3 1 1 1 m m 钻头上的钻压一般均在2 0 0 k n 左右，转 石油大学( 华东) 硕士研究生论文第2 章国内外大尺寸井l 艮笪井技术研；! ! 里鲨 速一般为6 0 8 0 r m i n 。显然钻头在井底的机械破岩能量( 单位面积 上的钻压转速) 严重不足。其钻头齿很难吃入岩石，破岩方式主要 以研磨为主，而不是体积破碎，导致钻头破岩效率很低，从而影响 了机械钻速的提高。而国外深井钻井中施加在中4 4 4 5 咖钻头上的钻 压一般为4 0 0 5 0 0 ，中3 1l ，l m 钻头上的钻压一般为2 5 0 3 0 0 k n ， 同时钻头转速高，般在2 5 0 4 0 0 r m i n 。显然，钻头的机械破岩能 量很大，从而机械钻速较高。而且，目前国内大尺寸钻头市场需求 量小，钻头生产厂家缺少，导致钻头类型少、结构单一，钻头的选 择余地非常小，使钻头与地层总的适应程度非常低。国内大尺寸牙 轮钻头只适宜钻软地层，随着大尺寸井段的加深，地层逐渐变硬、 可钻性变差，现有的钻头已不能满足钻深部大尺寸井眼的要求，造 成钻速的进一步下降。 另外，钻进大尺寸井眼时产生的岩屑量要远多于常规井眼，要 及时清除这些岩屑，必须配备大功率的钻井泵组，同时使用大尺寸 的钻杆，以减少沿程压耗，提高钻头压降。而目前大部分井队只配 备两台钻井泵及中1 2 7 m 内加厚钻杆，在5 0 6 0 l s 的钻井液排量下， 大部分的水力能量消耗在钻杆内部，钻头可利用的水功率急剧下降， 很难及时清除井底的岩屑，造成了岩屑重复破碎，导致钻头的机械 钻速下降。 作为一个最普遍的例子，在井深2 5 0 0 m ，泥浆密度1 2 5 9 c m s 的 情况下，水力能量分配如下表2 - l ( 2 j ： 石油大学( 华东) 硕士研究生论文 第2 章国内外大尺寸井眼钻井技术研究现状 表2 - 1 水力能量分配【2 水功 排循环钻头钻头水钻头比比水 钻头尺泵压 返速率利 量 压耗压降功率水功率功率 寸( m m )( u p a )( n g h ) 用率 ( v s )( m p a )( m p a )( k w )( k w c m j )比值 ( ) 0 2 1 592 52 0531 47 10 43 6 71 017 35 中3 1 114 22 01 2179 o6 6 3 3 00 4 404 43 95 中4 4 455 02 01 65 3503 51 7 8 0 1 10 1 11 75 从表2 - 1 可以看出，同普通的中2 1 5 9 r a m 井眼相比，中3 1 1 1 砌、 o 4 4 4 5 m m 井眼的水力破岩能力偏小，上返速度偏低。 在机械参数方面，国内在中3 1 1 1 r m - n 、中4 4 4 5 m m 井眼钻进中的 钻压一般都为2 2 2 6 t ，转速一般都为i 档车，同普通的中2 1 5 9 m m 井眼最低的机械参数1 2 1 6 t 、7 5 r p m 相比，单位面积井底的机械能 量( 钻压转速) 仅有7 2 和3 5 9 6 。 高陡斜构造是大尺寸井眼施工中经常碰见的一个问题，一般都 采取传统的吊打纠斜方法，中3 1 1 1 m 、0 4 4 4 5 r n m 井眼钻进中单位 面积井底的机械能量( 钻压转速) 降低到了普通尺寸井眼的8 8 4 和4 4 1 9 6 。个别地方采取m d + 动力钻具的办法，机械参数有所加强， 但施工成本高，风险大。 国产大直径钻头一般只适用软地层，型号少，可选性差。进口 钻头价格昂贵，周期长。 一般国产井底动力钻具多为普通井眼设计，不适应大尺寸地层 钻压大、扭矩大、排量大、钻头工作时间长的特点。 石油大学( 华东) 硕士研究生论文 第2 章国内外丈尺寸井眼钻井技术研究现状 所有这些，使得国内大直径井眼机械钻速普遍偏低，在中硬地 层中，中3 儿1 姗井眼机械钻速是中2 1 5 9 舢井眼机械钻速1 3 1 4 ， 中4 4 4 5 唧井眼机械钻速是中2 1 5 9 m m 井眼机械钻速的1 6 i i o ，如 果碰上高陡斜构造，速度还要低5 0 以上。速度慢、周期长的同时， 复杂事故频繁发生，质量( 主要是井身质量) 难以保证。 井壁不稳定也是造成机械钻速下降的一个重要原因，导致井壁 不稳定的因素包括化学和力学两个方面。就深井钻井来讲，主要表 现在1 3 1 ： ( i ) 由于钻井液密度小于地层坍塌压力当量密度，造成井壁失 稳： ( 2 ) 由于易塌地层在钻井液中浸泡时间长，引起地层水化膨胀、 坍塌及缩径等，造成卡钻事故； ( 3 ) 因井身结构设计不合理，多套压力层系在同一裸眼井段出 现； ( 4 ) 钻井液的密度较难选择和控制，增加了坍塌或井漏的可能 性： ( 5 ) 这些都增加了旌工难度，降低了钻井速度。 总的看来，同普通并眼相比，胜利油区陆上大尺寸井眼钻井工 艺技术较为落后，过去在这方面做的工作较少，机械钻速慢，钻井 周期长，复杂事故多，成本高，急待发展。 国内其它油田在大尺寸井眼的钻井作业中进行过一些小范围的 探索4 。呲5 2 7 1 ，在西部油田的钻井中，已取褥了初步成效。如： 九五期间，吐哈油田购置了1 3 0 0 型、1 6 0 0 型大功率中速泵以及 先进钻机，基本满足了钻井工艺的需要。针对低钻速，各油田对水 1 0 石油大学( 华东) 硕士研究生论文 第2 章国内外大尺寸井眼钻井技术研究现状 力参数及机械参数实施优选：中4 4 4 ，5 m m 井眼处于上部井段，地层松 软，可钻性好，因此，坚持双泵适当排量、高泵压钻进，从而有效 地提高了钻速。d p 3 1 1 1 r a m 井眼，采取增大钻头压降，缩小喷嘴，单 泵钻进，降低排量( 3 5 4 0 l s ) 的措施，可增大钻头水功率。如玉门 油田青西地区的二口井井深2 5 0 0 m ，排量4 0 l s 时的钻速比排量 4 5 l s 的钻速提高4 8 。为此，玉门油田青西地区2 0 0 0 m 以深的井， 均采用单泵排量3 5 4 0 l s 钻进。4 口井的现场应用表明，井下正常， 起下钻畅通无阻，比双泵排量4 5 l s 以上钻速提高4 2 ，纯钻时间提 高2 8 。中4 4 4 5 m m 钻头主要靠强化机械参数来提高钻速。井深1 0 0 0 m 以下，以适当钻压、高转速来提高速度；1 0 0 0 2 0 0 0 m 井段以高钻压、 适当转速来提高机械钻速。o 3 l1 1 m m 钻头的机械参数较保守，为了 控制井身质量，钻压一般在1 5 0 2 5 0 k n ，转速6 0 7 0 r m i n 。在相 同水力参数条件下，钻压可提高到2 8 0 k n ，转速8 5 r m i n ，机械钻速 可提高2 6 7 5 。另外，钻具组合的合理选用对提高钻速也有很大帮 助。中4 4 4 5 啪井眼，选用“中2 7 9 4 n h n 钻铤+ 0 2 2 8 6 m m 钻铤+ 中 2 0 3 2 狮钻铤+ 中1 7 7 8 m m 钻铤”塔式防斜钻具组合，在3 4 钻铤上加1 个中4 4 4 5 m m 稳定器；中3 1 1 i m m 井眼，选用“中2 2 8 6 m m 钻铤+ 中 2 0 3 2 m m 钻铤+ o1 7 7 8 衄钻铤”塔式钻具组合加“2 - 1 - 2 ”稳定器。 应用p d c 钻头+ 减速器涡轮钻具组合配合使用，能够极大地提高机械 钻速。如丘东1 0 井使用涡轮减速器+ p d c 钻头，比邻井同井段( 应用 牙轮钻头) 机械钻速提高2 3 倍。 根据全国第二次油气资源评价，在深部地层有丰富的油气层资 源尚未探明，故今后深井、超深井的钻井工作量会有较大幅度的增 加。西部地区塔里木、准葛尔、吐哈和柴达木等四个盆地的石油资 矗油大学( 毕东) 硕士研究生论文第2 章圄内外大尺寸井鼹钻井技术研塞! 垦鉴 源量占全国石油总资源的3 8 ，但其资源的7 3 埋藏在深层。中部地 区陕甘宁、四川两大盆地是天然气资源的集中地区，天然气资源量 的5 2 在深层，玉门的酒东、酒西盆地的石油资源也埋藏在4 0 0 0 m 以 深。以上资源分布情况表明，深层油气勘探是陆上石油工业持续发 展的重要领域，因此打好打快深井、深探井、超深井特别是新区新 层的第一口深探井是钻井工作者面临的艰巨任务。由于大井眼段占 深井的8 0 9 6 8 5 ，因此，大尺寸井眼快速钻井技术的成熟，将加快 中、西部油气资源勘探开发的步伐，对吐哈油田的发展具有不可估 量的作用，应用前景广阔，将为西部资源的开发做出积极的贡献。 国外在这方面也进行过一些有益的探索，主要采取的办法是加 大机械破岩能量【5 】o0 4 4 4 5 1 1 i i 钻头钻压能加到4 0 0 5 0 0 k n 左右， 中3 1 1 1 眦井眼钻压能加到2 5 0 3 0 0 k n 左右，采用复合转开钻，另 外还使用了大尺寸钻杆、大尺寸钻铤、高转速螺杆钻具。 目前国外比较流行的做法是长井段大尺寸井眼清水钻进与间断 携沙，采用此项技术后钻井速度远高于泥浆钻进，而且保持了井眼 畅通，上部地层不录井，此项技术的难点主要体现在： ( 1 ) 返速低； ( 2 ) 岩屑多( 钻速快，破碎体积大) ； ( 3 ) 垮塌可能性大( 浸泡面积大，保持稳定需要的密度增加，保 持稳定的时间缩短) ； ( 4 ) 缩径更为严重( 粘土水化严重，冲刷能力降低) 。 此项技术的要点： ( 1 ) 事先准备套水龙带与钻杆相连的接头； ( 2 ) 环空岩屑浓度增高时用一段携砂液带沙： 1 2 石油大学( 华东) 硕士研究生论文第2 章国内外太尺寸井限钻井技术研究现状 ( 3 ) 井下复杂或设备出问题时泵入泥浆； ( 4 ) 钻完每根单根后提起来划眼； ( 5 ) 接单根前使岩屑集中段适当远离钻头和扶正器； ( 6 ) 大循环在钻井液出口加丙烯酰胺； ( 7 ) 大循环无法有效清除有害固相或井塌比较严重时改小循环。 其余的方法则与国内差不多。 石油大学( 华东) 硕士研究生论文 第3 章优快钻井理论分析 第3 章优快钻井理论分析 针对大尺寸井眼的特点及技术难点，在制定大尺寸井眼钻井方 案之前先进行了有关大尺寸井眼钻井的理论探讨，以确定技术方案 的可行性。 3 1 大尺寸井眼直井防斜理论研究 3 ，1 1 井斜的原因 造成井眼偏斜的原因较多，但归纳起来不外乎两大原因【6 1 7 “。9 】： 一是地下的原因，即地质方面的因素。高陡斜构造地层井眼就容易 井斜。沉积地层由于存在层状结构、地层倾角、断层、软硬交错等， 且不同方向的物性和强度又有差异，使钻头在井底面产生非均等切 削而不平衡钻进，导致近钻头处钻具发生弯曲，从而使钻压偏离原 井眼轴线，这样在近钻头处相当于形成一个弯角 l b j , 的“等效导向钻 具”结构，如果下部“等效导向钻具”不发生公转运动，那么这“等效导 向钻具”就会定向钻进而使井眼产生偏斜；一般来说垂直层面方向岩 石强度低，所以，在地层倾角较大的地区钻进时，更易倾斜。由于 这种地层各向异性而使井眼发生的偏斜，在此用虚拟地层力f ，去表 征这种作用，这种力事实上是不存在的( 除非地层发生蠕变或负压钻 进) ，只是为了定性描述的方便。 另一个原因是地面的原因，即地面所配的下部钻具组合和所施 加的钻井参数对井眼偏斜有影响。对于给定的下部钻具组合，钻井 参数中钻压和转速是主要因素，在铅垂段钻进中，下部钻具组合在 1 4 石油大学( 华东) 硕士研究生论文 第3 章优快钻井理论分析 一定的钻压下会发生弯曲变形，钻柱的弯曲使钻压作用方向偏离了 钻头处原井眼轴线，钻头处钻压产生一个横向偏斜力瓦，从而导致 井眼偏斜。 3 1 2 直井中仅仅自转的下部弯曲的钻具会增加井斜1 6 一】 在定向井中降斜段钻进时，通常都是用钟摆钻具降斜，这时由 于具有一定的井斜，钻头上存在的侧向切削力f 中，除如上所述的 地层造斜力b 和横向偏斜力e 外，还受到一个钻具的回复力，即钟 摆力f 。的作用。 f = + 瓦+ c( 3 1 ) 为了在设计降斜率范围内高效降斜，必须使降斜的侧向切削力 增大，且指向下井壁方向，由式( 3 1 ) 可知，由于地层力f ，的方向与 大小的不确定性，是不能人为控制的，属于被动力，所以要增大降 斜力，只有增大钟摆力吒和横向偏斜力e ，且使其作用方向一致。 而通常在直井、定向井的纠斜、降斜实践中，只是采用小钻压或“轻 压吊打”的方法去利用钟摆力，而没有去充分利用横向偏斜力只。因 为这里存在一个传统的思想误区。传统的观点认为横向偏斜力e 是 造斜力，增大钻压，会使横向偏斜力e 增加，将抵消钟摆力e 的作 用，而达不到纠斜、降斜的目的；这种思维惯性没想到横向偏斜力只 在一定条件下可以改变作用方向而与钟摆力一致，使横向偏斜力丘 变成了降斜力，实现这种改变的前提条件就是调整钻压的大小，实 践表明，这完全是可行的。 石油大学( 华东) 硕士研究生论文 第3 章优快钻井理论分析 对于直井中的防斜作业，通过以上井斜原因分析可知，由于存 在“等效导向钻具”，如果下部钻具只有自转，自转将使井眼偏斜。 下部钻具弯曲后，如果只自转不公转，可以把钻具弯曲部分看成一 个弯接头，钻具弯曲带动钻头偏斜，相当于摆了一个工具面进行定 向钻进，井眼将改变原来的变化趋势，直井中容易井斜。对此种情 况进行力学分析如下： ( 1 ) 外围条件和方程 由于井眼不会很直，将直井眼夸张表示如图3 - 1 所示”】，井底 钻具组合由钻头、钻铤、稳定器、加重钴杆和钻杆组成。为了便于 对弯曲井眼中的井底钻具组合进行力学分析计算，又不致于产生较 大的误差，在此特作以下基本假设： 图3 1 井底钻具组合示意图 a 井底钻具组合的上顶端与下井壁相切，切点为s ，轴向和扭 转两个自由度受到约束： b 钻头、钻铤、稳定器和钻杆与井壁之间是点接触，钻压p 作 用在钻头上： c 井壁与井眼轴线平行，井眼横截面为圆形，井壁是刚性的； 1 6 石油大学( 华东) 硕士研究生论文 第3 章优快钻井理论分析 d 钻柱上顶端由于扭矩产生的扭转变形不予考虑； e 钻柱简化为空间弹性梁，各个部件具有不同的截面特性和材 料性质。 为了便于描述钻柱相对于井眼轴线的变形，采用三个坐标系： 整体坐标系o x y z ，曲线坐标系07 n 和局部坐标系i x y z 。 图3 一l ( a ) 疑体曲线坐标系图3 - 2 ( b ) 局部坐标系 把钻柱离散后，根据最小位能原理，建立钻柱力学分析的基本 方程： 严b 胬紫i 正陵警黔川a 月l蚓五吲= 慨一。+ 酲一，y ”一1 “ ( 3 2 ) 式中，k ，l 是节点坐标系中的整体刚度矩阵，它是节点位移列 阵p 的函数；i 每f 是钻柱节点的位移值； 是钴柱节点与井壁之间 的间隙； p ) 是曲线坐标系中的整体载荷列阵。 式( 3 2 ) 确定了一个几何与边界接触相互耦合的二重非线性问 题。其中，对于钻柱与并壁之间的接触问题，采用“施加”与“放 松”约束的方法进行求解。 ( 2 ) 梁单元的切线刚度矩阵“2 1 1 7 石油大学( 华东) 硕士研究生论文第3 章优快钻井理论分析 为了便于研究，假设梁单元位移模式为 c 厂) = 3 计。书肼 ( 3 - 3 ) 式中，u ，v ，w 分别为单元节点的位移，口为轴向转角，帆， v ，。，虬分别为对应的形函数矩阵，p y 为单元位移列阵。空 间梁单元的应变可以表示如下【l o 】： 毋= d u 磊 d 2 v y 霜 d 一考露 d 0 7 五 十( 舞j2 2l f l d 型。l i 瓦7l ( 3 - 4 ) 式中， e ：，2 ，s ? ，e 0 7 表示线性应变项； 毋，砖，曲r 表示 非线性应变项。 由式( 3 4 ) 可以看出，弯曲应变非线性项砖、毋与轴向应变非 线性项0 相比是高次项，影响很小，一般忽略不计。所以，对井底 1 8 r，、l 三一，勺一一护新辔絮 ，l 3 3 o ，llll，、，l【 1 2 t，l，j 、-i-j 寺砖毒睹 ，j，、，【 + 、ot，l， 崤霹曙 r，、【 石油大学( 华东) 硕士研究生论文 第3 章优快钻井理论分析 钻具组合受力进行非线性分析时， 弯曲非线性影响。 把式( 3 - 3 ) 代入式( 3 - 4 ) ， d 6 ： 仅考虑轴向的非线性影响，忽略 然后对 ) 进行全微分可得i l l a 2 ： f 【。占。k + 【。6 。1 。 坩+ 0 。 d 移r ( 3 - 5 ) l ： j 用应变的增量形式写出位移和应变的关系为 d 艿= 百：d 艿 一( 嚣o + 嚣i ， ) d ( a ) ( 3 6 ) 由式( 3 - 5 ) 和式( 3 6 ) 可得，线性应变矩阵 陋。】_ 帆一y n v z n 。毗y ；轴向非线性应变矩阵 蠼】= ，占- 。【。占4 】。0o f 。 根据上述分析，分两种情况计算式( 3 - 2 ) 中的切线刚度矩阵。 a 线性分析 医，】= 医。】十医。】( 3 - 7 ) b 非线性分析 k 芎 = k 。 + k t 十 k ： ( 3 8 ) 其中 r k 。 = l b 。 7r d u ? 。 如( 3 - 9 ) 0 为线弹性刚度矩阵； 。 = ( m 罗 ， - i 一 。 了 n 。 ) d 静( 3 - 1 0 ) j 口 为线弹性小变形时的几何刚度矩阵； 埘 虬侧诫峨 石油大学( 华东) 硕士研究生论文第3 章优快钻井理论分析 斑 = f ( 正 。 d 哦 既 ? d 擎幻+ 溉 7 d 3 c b 。 ) 如 ( 3 一) 为轴向非线性大位移矩阵； k ： = e a i ( n ，3 ， + n 。 7 。 ) ( u 伊 十+ e n v 8 ” ：w 轳州z 1 2 ) 为轴向非线性几何刚度矩阵。其中，n 为单元轴向力。 ( 3 ) 钻具弯曲引起的节点初始位移 钻具弯曲使钻柱偏离了井眼轴线，可以将此偏离的影响作为节 点初始位移来考虑。如图3 - 3 所示，经过推导，可以利用以下方程 来确定弯曲钻具节点初始位移 i i1 2 1 ： 图3 - 3 弯曲钻具节点初始位移计算简图 石油大学( 华东) 硕士研究生论文第3 章优快钻井理论分析 “；一a r c s i l l ( o 3 ) 4 ：2 丫一d 】 y r 溉i 1 “t 8 i n p l l 拄一( 五一s ) s l n “2 s l n 芦 。x s i n a i c 。s p z2 il d ( z s ) s 】n 8 2 c o s i 吼产p m ( 8 n 娜。s 8 ) l - - l i t c t a n ( t a n a 算o s p j 屯= ：黧油( z “a n a 讯z s 影i n 。， ( o x s ) ( x s ) ( o x s ) ( 盖 s ) 式中，6 为钻柱与井眼之间的间隙；i r 为弯曲钻具弯曲角度； b 为钻柱弯曲钻具工具面角度；y 和z 为节点所对应的位移自由度； 0 ，和0 ，。为节点所对应的转角自由度。 ( 4 ) 收敛性判断法则及求解步骤 对于钻柱非线性问题的求解，采用下述方程所示的总体收敛性 判断法则： f 属蕊一再丙i 压蕊昏 其中，n 表示底部钻具组合的节点总数；( r 1 ) 和r 表示连续的 两次迭代；e 表示容许的最大迭代误差。 式( 3 - 1 4 ) 表示，如果在连续的两次迭代中，未知数范数的差小 于容许误差e ，那么迭代求解过程即告收敛。显然，从数值分析的 2 l 石油大学( 华东) 硕士研究生论文 第3 章优快钻井理论分析 角度来看，利用定义范数的方法来检查收敛性是合理的。求解步骤 为1 1o 】： a ) 首先，对钻柱的线性平衡方程( k o + k c ) ( 6 ) - f 进 行求解。 b ) 判断是否有需要进行“施加”与“放松”约束处理的节点。 如果有，那么进行处理，然后返回步骤1 ；否则，进行下一步计算。 c ) 以线性解作为f6 ) 的初始解 6 ) 。 d ) 确定井底钻具组合的切线刚度矩阵 k t 。 e ) 求解井底钻具组合的非线性平衡方程 k t ( f6 ) 。) ( 6 。= f ) 。 f ) 判断是否有需要进行“施加”与“放松”约束处理的节点。 如果有，那么进行处理，然后返回步骤5 ；否则，进行下一步计算。 g ) 检查几何非线性方程是否已经收敛，如果没有收敛，则返回 步骤4 进行迭代求解；如果已经收敛，那么进行下一步计算。 h ) 输出井底钻具组合各个节点的位移、接触点的反力和钻头侧 向力。 ( 5 ) 结果分析 从以上计算结果可以看出： 如图3 4 ( a ) 所示，当钻具弯曲角度一定时，方位力随工具面角 的变化关系是近似的正弦关系。工具面角为0 。或1 8 0 。时，方位力 为零，说明钻具弯曲仅使钻具组合增斜或降斜，而没有方位变化； 当工具面角为9 0 。时，钻具组合的降方位能力最强；当工具面角为 2 7 0 。时，钻具组合的增方位能力最强。 石油大学( 华东) 硕士研究生论文第3 章优快钻井理论分析 如图3 4 ( b ) 所示，当钻具角度一定时，井斜力与工具面角之间 是一种近似的余弦关系；当工具面角为9 0 。或2 7 0 。时，弯曲的钻 具使钻具组合的井斜力为零，说明没有增斜或降斜作用，只有方位 变化；当工具面角为0 。时，钻具组合的增斜能力最强；当工具面角 为1 8 0 。时，钻具组合的降斜能力最强。 如图3 4 ( c ) 所示，当工具面角0 。 y 1 8 0 。时，方位力随着 钻具弯曲角度的增加而减小，表明钻具组合的降方位能力增强：当 工具面角1 8 0 。 v 3 6 0 。时，方位力随着钻具弯曲角度的增加而 增大，表明钻具组合的增方位能力增强。 如图3 4 ( d ) 所示，当工具面角0 。 y 9 0 。或2 7 0 。 y 3 6 0 。时，井斜力随着钻具弯曲角度的增加而增大，表明钻具组合的 增斜能力增强。 鼍