23、大庆钻井二公司]庆深气田钻头类型与钻井参数优选研究.doc

第六届全国石油钻井院所长会议论文集庆深气田钻头类型与钻井参数优选研究申学义 孙永华 申 衡（黑龙江大庆石油管理局钻井二公司，大庆石油管理局钻井工程技术研究院）【摘 要】 钻井参数的优选是用最优化理论来分析和处理钻井中的数据和资料，从而获得最佳钻井工艺技术的重要依据，它可使钻井进程保持在最优的经济状态下达到预测指标。本文着重分析了庆深气田的地质概况，以部分已钻井的钻头参数和其它钻井参数之间的关系为基础来建立钻速方程，利用钻速模式求出了下部三个层段的地层可钻性级值，并对其中参数进行回归求解。结合该地区可钻性级值高、地层研磨性强、井底温度高等影响钻速的难点和部分已钻井的钻压、转数、水功率、机械钻速的影响规律进行了探讨，并对该地区深井钻井所遇到的问题提出了一些建议。【关键词】 庆深气田 优选 钻井参数 钻头类型 研究按照中国石油天然气集团公司要求大庆建设“百年油田”和“加快天然气勘探开发步伐，提高深层天然气的转化率，以气补油，油气并重”的指示精神，探索适合庆深气田的钻井完井技术已成为一项重要的课题。由于钻井过程中遇到的难题严重影响了勘探开发的进程，体现出钻井工程的难点和复杂性，其主要表现在：（1）目的层埋藏深，设计井深一般在40005000m，地层复杂，目的层为火成岩。（2）深部地层岩石可钻性级值高、地层硬、研磨性强。深部地层可钻性级值最高达10.38级，硬度高达5000MPa，并且含有大段砾石层。致使机械钻速很低，钻头磨损严重。4000m左右深井全井钻进周期需要150d左右。（3）深部地层岩性不均质，同一岩性结构特别复杂。钻井过程中，常有剥落坍塌的砾石块，致使钻头先期损坏。在营城组流纹岩、角砾岩、凝灰岩地层，钻头平均进尺仅为2460m，造成频繁起下钻。（4）井底温度高。平均地温梯度4.1/100m，40005500m的井深，井底温度160220之间，给钻井施工带来了很多问题。以上这些问题对庆深气田深层天然气钻井的提速和油气层保护都提出了严峻挑战。为此，能否解决钻头类型与钻井参数的优选这个钻井难题也关系到大庆油田勘探部署的完成和勘探开发的总体效益。1 钻速方程的建立与钻头选型1.1 方程的建立根据钻压对机械钻速的影响规律，选择钻压时首先要考虑地层对钻压的敏感性程度来进行优选。钻压对机械钻速的影响由阿姆科模式得知，其关系式为：V = K1Wd （1）图1 钻压敏感性相互关系式中：V机械钻速m/h；K1因次；W钻压，kN；D钻压敏感性指数，无因次。利用庆深气田部分已钻井的资料进行回归计算，所得到的相互关系由图1所示。由图中可以看出，泉头组V = 0.14W 0.86；登娄库组V = 0.83W 0.28；营城组V = 0.91W 0.25。利用回归算法可得出转速敏感性和水力敏感性相互关系，转速敏感性由图2可以看出，泉头组V =0.205N 0.7 ；登娄库组V = 0.19N 0.67；营城组V = 0.203N0.64。水力敏感性由图3可以看出，泉头组V = 0.82Nd0.33 ；登娄库组V =0.83Nd0.28 ；营城组0.91Nd0.25。 图2 转速敏感性相互关系 图3 水力敏感性相互关系1.2 钻速的预测根据通用钻速方程的形式为: （2）式中：V 机械钻速m/h；W 比钻压t/cm2；N 转速rpm；HEI 有效钻头比水功率kW/cm2；MW 钻井液密度g/cm3；Kd 地层可钻性级值，无因次；钻压指数A = 0.53660.1993Kd；转速指数B = 0.92500.0375Kd；地层水力指数C = 0.70110.05682Kd；钻井液密度差系数D = 0.97673Kd7.2703。钻速方程所有的参数除地层可钻性级值Kd外，其余均为实钻参数。因此通过处理实钻参数来求取地层可钻性级值是可行的。如果实钻参数记录比较准确，求出的Kd值也必然接近实际，对通用钻速方程经数学变换得： （3）由式（3）可得，只要知道钻压、转数、泥浆密度、比水功率和与之相对应的钻速，就可以求出可钻性级值。以徐深7井为例，可钻性级值由表1所式。表1钻 速m/h比 钻 压t/cm转 数rpm密 度g/cm3比水功率kW/cm2可钻性级值无因次1.750.036831901.260.0612.5556970.90.036831651.250.0613.3354080.520.036831651.270.0614.0586292.560.046459650.90.3156.5541341.740.046459650.90.3156.961961结合上面的数据，可求出可钻性级值Kd，利用钻压指数、转速指数、地层水力指数、钻井液密度差系数与Kd的函数关系，求出系数后对钻速进行预测。我们可以把平均井深和平均Kd值进行回归处理，即可建立该区的地层可钻性级值梯度公式。通常形式为：Kd = bH + a （4）式中：b 系数，a 常数。应用该梯度公式，可以求出任一井段(或井深)的地层可钻性级值。以徐深12井钻井设计的参数为例，结合钻速模式对钻速进行预测，其结果由表2所示。表2层 位比 钻 压t/cm转 速rpm水 功 率kW/cm2密 度g/cm3可钻性级值无因次预测钻速m/h泉 头 组0.023677240500.041.051.284.510.6登娄库组0.023677240500.031.051.285.61.6营 城 组0.022355240500.081.051.286.80.4注：计算过程中的误差和结果仅供参考。1.3 钻头选型根据地层可钻性选择钻头，就会取得钻速高、进尺多、降成本的效果。为此，建立庆深气田所钻遇的地层级别与钻头类型的对应关系，就可以确定所钻井段的级值与适合于这种级别地层的钻头类型。充分考虑岩石特性与钻头的相互关系，就可以选好在每一个层段所使用的钻头类型。实践证明，深井下部地层属中硬或带有中等研磨性，钻遇这种井段时可选择如下特点的PDC钻头：（1）岩石硬度较高、粒径小的地层：适合多翼的PDC钻头来增加钻头的稳定性和耐磨性。（2）岩石硬度较低、塑性大、粒径相对大的地层：适合少翼的PDC钻头来提高机械钻速。（3）碳酸盐岩地层：要根据岩石硬度与塑性选择PDC钻头类型，由于含泥质成份重的碳酸盐岩塑性大，PDC钻头的机械钻速比牙轮钻头低，不适合打PDC钻头。脆性大的碳酸盐岩使用PDC钻头机械钻速高，但岩石硬度高时，对钻头外围磨损严重，这时要选择 加强肩部或是保径的PDC钻头。实践证明，中深井下部的各层系应该采取相应的措施。（1）PDC钻头和牙轮钻头的排量与直径（216mm）相同，钻头压力降6080kN左右为宜。（2）在扭矩不太大和运转平稳的条件下，高转速为宜。（3）地层硬度较高，钻头工作不平稳，钻头纵向振动和横向摆动力都会加剧钻头磨损，要从钻具结构和转速来调整。（4）钻头使用前期采用小钻压、中期用中钻压、后期用大钻压。（5）钻头使用前期和中期不要随意增大钻压，遇到低钻速时要考虑可能是硬夹层的影响，如果钻压过大会严重损坏钻头，这时用小钻压钻进有利于减小钻头磨损，增加单只钻头进尺，只要机械钻速不低，钻压越小越好。（6）在较硬的脆性地层，如果比压偏小破碎能量不足，可选用钟摆钻具结构，增加钻压范围。2 钻头类型与钻井参数优选效果分析针对庆深气田深井下部井段地层硬、研磨性强、可钻性差，钻井速度非常缓慢等深井钻井技术的难点，在分析影响深井钻井速度的基础上，落实了集团公司专家组提出的深井提速配套技术方案，并进行了现场试验，见到了比较明显的效果。2.1 钻头类型从徐深201和升深203井牙轮钻头使用情况来看，在营城组地层牙轮钻头磨损严重，钻头不能正常使用，其表现为钻头牙齿断、壳体磨损严重、钻头外径磨损、掉牙轮严重等问题。造成了钻头用量增加，机械钻速降低、进尺减少，导致频繁起下钻。新钻头入井后还需要划眼，造成恶性循环的同时极大的影响了施工进度。由于在各层系采取了相应的措施后，取得比较理想的效果。徐深8和升深202井使用了瑞德公司的DSX259型PDC钻头，累计进尺达到1048.51m。在钻至相同层位情况下，与牙轮钻头相比，机械钻速提高了53.5%，钻头进尺提高了659.8%。创PDC钻头在泉二段以下地层使用最好水平。在升深202井，仅用76d钻一口3200m的深井，徐深601井，仅用84d钻完一口3700m的探井，创深井钻井周期最好水平。2.2 机械参数不同的地层需要不同的破岩的机械能量，而钻压和转速在钻速总变异中所占权重分别为21.84和41.66%，这两项共占63.5%。从钻速的角度来讲，牙轮钻头转速的高低关系到牙轮齿接触岩石的速度，关系到岩石的冲击作用和齿间交替纵振频率冲击破岩的作用，对钻进效率影响很大。当转速增加时，轮齿对岩石产生的冲击速度也增加，而冲击功也随着增加，可有效地提高钻进效率。如果转速超过了钻头的额定转速，钻头的轴承、密封及锁定装置会加速磨损而提早失效；转速偏低时，则会影响钻进效率的提高。因此，合理选用钻头转速能保护钻头并提高钻进效率。牙轮钻头的牙齿因长期正常破岩磨损而失效，但也存在疲劳和应力过大而折断，它与冲击力和冲击速度过大有关。牙轮钻头直径越大，转速越高时，则冲击速度就越大，产生的冲击力就越大，所以过高转速是影响牙轮钻头轮齿早期磨损及损坏的主要因素。庆深气田为了提高机械钻速以泉头组地层和登娄库组地层分别进行了机械参数强化试验。在泉一段上部地层同时强化钻压和转速，对钻头寿命影响不大，机械钻速提高16.4，效果比较明显，说明泉一段上部地层适合强化机械参数；在泉一段下部地层强化钻压，尽管机械钻速提高14，但对钻头寿命影响较大，钻头寿命降低了34%，效果不明显；在泉一段下部地层强化转速，对钻头寿命影响很大，钻头寿命降低了52%，而且机械钻速没有提高。因此在目前的条件下，泉一段下部地层不适合强化钻压和转速。2.3 水力参数对不同的地层破岩机械能存在一个最低值，提高破岩能力还要相应提高井底水马力，才能获得较高的转速，从而达到提高钻速目的。在满足井下正常钻进排量的条件下，311mm井眼70%的水功率用于循环损耗，只有30作用在钻头上；215.9mm井眼38%的水功率用于循环损耗，有62%功率作用于钻头上。由于钻头水马力能量小，井底岩屑清理不干净将会影响钻井速度，要想及时清除这些岩屑必须配备大功率的钻井泵组。而目前大部分井队只配备两台钻井泵和127mm内加厚钻杆，在5060L/s的钻井液排量下，大部分的水马力能量消耗在钻杆内部，而钻头可利用的水功率急剧下降，很难及时清除井底的岩屑，出现井底垫层，造成了岩屑重复破碎，甚至钻头泥包，导致钻头的机械钻速下降。在庆深油田进行高压喷射试验中，泉头组以下地层高压喷射钻井试验效果并不明显，在徐深401和502井的登三段地层钻速提高了1.2%，没有达到提高钻速的目的。在复合钻井试验中，徐深9和徐深601井的泉二段地层采用了E517G牙轮钻头+螺杆，钻速提高了14.9%。升深202井的泉二、一段和登三段地层采用了DSX259型PDC钻头+螺杆，钻速提高了41%。2.4 钻具配合由于在深井下部井段的平均机械钻速大致较上部井段要低1个数量级，所以深部井段是提高深井和超深井钻井效率、缩短钻井周期的主攻方向。深部井段的地层由于埋藏深、地层压实作用大，导致岩石本身强度增大，不易破碎；钻头破碎地层的能力是随着沿程损耗增大而降低，所以深部井段机械钻速下降是必然的趋势。因此，不可克服的客观矛盾，只能从优选配合方式来提高钻井速度。从复合钻井试验中可以看出，PDC钻头具有高钻速和寿命长的优点，但PDC钻头的使用有其技术要求，需要进行适应性和对应性的优选。因此，通过改进M1951SGU型和M1665SSM型PDC钻头的切削齿负前角等结构参数后，经现场应用取得了较好效果。M1951SGU型PDC钻头，平均进尺达到了1980.24m，机械钻速达到了14.20m/h。在钻至相同层位情况下，比同类型钻头的机械钻速提高了17.9%，钻头进尺提高了18.3%。其中，徐深401井和升深202井，使用1只PDC钻头完成了全部的二开进尺；徐深401井在钻井液密度比较高的条件下，用一只PDC钻头钻达井深2590m，并可继续使用，在单只钻头进尺和钻井深度上创该地区最好水平。改进后的M1665SSM型PDC钻头，平均进尺达到了366.17m，机械钻速达到了6.65m/h。钻至相同层位情况下，与同类型钻头的机械钻速提高了60.3%，钻头进尺提高了59.2%。其中，徐深7井采用M1951SGU + M1665SSM两只PDC钻头累计进尺2316m，平均机械钻速高达22.38m/h，比结构参数未改进前的机械钻速提高了86.5%，创大庆深井311mmPDC钻头机械钻速最好水平。2.5 井下动力钻具的应用评价井底钻头破岩效率的综合指标，通常以破碎单位体积岩石所需消耗的能量(包括机械能和水力能)为基准。对旋转钻井来说，井底钻头的破岩机械能量主要以钻头上所加钻压(单位井底面积钻压)和钻头转速二项指标的乘积来衡量。由于受使用的钻具尺寸和质量的限制，进一步提高钻头上施加钻压的潜力并不大。为提高井底钻头的破岩机械能量，可以采取行之有效的措施就是提高钻头工作效率。其途径有两种：（1）采用顶部驱动装置或增加转盘转速；（2）采用井下动力钻具和低速旋转钻柱的复合钻井技术来增加钻头转速，但这种方法受钻具强度和钻机能力限制，钻头工作转速提高幅度有限。对上部大尺寸（311mm）井眼来说，大尺寸钻头切削或破碎地层所需机械能量大，提高钻头转速有可能增加钻柱的载荷和增加事故频率。对深部地层来说，由于井内钻柱长，井口钻柱所受载荷最大，提高井底钻头工作转速无疑会大大增加上部钻柱载荷。在庆深气田使用井下动力钻具应用效果，从整体上来看并不理想，其主要原因是该地区井下温度过高，导致定子内合成橡胶损坏。因此，建议在庆深气田试用以下动力钻具和钻头类型：（1）引进适应高转速的天然和人造金刚石混合孕镶的自锐式（欧洲已成功地应用到深井段、高密度钻井液条件下的致密泥页岩和泥质砂岩地层中）金刚石钻头配合抗高温、低转速、大功率的涡轮钻具。（2）选用高转速的镶齿滑动轴承牙轮钻头或镶齿滚动轴承牙轮钻头，配合中转速、低压降、大扭矩的减速器涡轮钻具。3 结论（1）在庆深气田的下部井段打井，应建立起具有科学性、可行性、可操作性的区块钻井模式。从区域地层岩性分析入手，根据岩性特点找出适合采用牙轮钻头和PDC钻头类型和井段是提高深井机械钻速的有效途径。（2）在不同地层、井段，采用不同的钻压，保持水功率、转速等参数不变的情况下，比水功率值可采用实测法来合理优选。如果机械钻速与钻压呈直线关系，说明该比水功率已满足或超过清洁井底所需的比水功率，才会有利于提高钻井速度。（3）为达到加快钻井速度的目的，提高水力清岩作用。在泥浆泵的使用上，原ZJ45钻机配的都是两台3NB1300泥浆泵，不能无级调速，排量选择范围小，已不能完全满足深井施工要求。ZJ50D、Z