35mpa高压喷射先导试验成果汇报

中国石化集团胜利石油管理局二一年十二月,胜利油区35Mp高压喷射钻井技术先导试验项目验收汇报材料,汇 报 提 纲,一、项目来源、目的及意义,为尽快形成提高深部钻井效率的高压喷射钻井技术，胜利石油管理局黄河钻井总公司承担了中石化先导试验项目胜利油区35MPa高压喷射钻井技术先导试验。,胜利油田自上世纪80年代形成25MPa高压喷射钻井技术以来，由于多种条件的制约没有再进一步探索更高级别的高压喷射钻井技术。,汇 报 提 纲,二、研究内容及考核指标,（1）水力参数与机械参数的联合作用研究，进一步优化技术参数方案（2）钻头、钻具、地面高压循环系统的高压承载试验，优选钻头方案（3）选择适合35MPa喷射钻井的泥浆体系（4）完成52MPa钻井泵、70MPa高压管汇系统等方面的设备和技术配套（5）研制喷射钻井相适应的高效喷射钻头,（一）研究内容：,二、研究内容及考核指标,（二）技术指标：,1.完成13口井35MPa高压喷射钻井现场试验2.机械钻速同地区相比提高30%左右3.设备维修时间不大于3%,汇 报 提 纲,1、高压喷射钻井破岩机理分析技术,四、取得的主要成果,水力冲蚀岩石是由岩石孔隙中的渗流扩张力引起的岩石颗粒剥蚀一旦冲蚀坑有裂缝产生，水楔作用和气蚀作用将起重要作用坑壁的裂缝产生之后，不再产生支裂缝就会有更多的能量促使裂缝扩展岩石结构应力状态控制了裂缝扩展的方向水力冲蚀岩石在时间上有一个滞后过程，滞后的时间与岩石性质和水力冲蚀能量的大小有关,（1）水力冲蚀岩石破碎机理分析,（2）水力与机械的复合作用机理分析技术,齿前裂纹是受双向压应力产生的剪切裂纹，而齿后裂纹是受拉应力和压应力作用产生的拉伸裂纹。齿后裂纹发育比齿前裂纹要好，裂纹方向也趋于水平，更利于水射流破岩。齿后喷射能够更有效地利用裂纹，减少了钻头的破岩扭矩和耗费的功率。射流从齿后喷射时，有利于将钻齿产生的岩屑及时排走，避免重复破碎，破岩效果更好。破碎深度、宽度和体积都随射流压力的增大而增大，并且存在一个转折点(20MPa左右)。,齿前齿后破岩机理分析,四、取得的主要成果,（2）水力与机械的复合作用机理分析技术,最佳射流与齿间距不尽相同，多数在13 mm之间 。当齿间距介于311mm时，破碎深度、宽度和体积都随射流与齿间距的增大而变小。破碎深度曲线和破碎体积曲线随射流与齿间距的增大逐渐变小。而破碎宽度曲线的形状是开始有个陡降，然后稍微上升平缓近似于水平直线。,齿间距对于联合破岩的影响,四、取得的主要成果,（2）水力与机械的复合作用机理分析技术,（1）鉴于使用牙轮钻头所造成的齿后水平裂纹发育比齿前裂纹更利于水射流破岩，优先选用牙轮钻头配合水力参数优选、钻井装备配套等工作，在胜利油区开展35Mpa高压喷射现场试验；（2）由于高压喷射最佳射流与齿间距在13 mm之间，牙轮钻头实现小间距布齿的难度较大，因此可以考虑使用布齿间距更小，更为密集的PDC钻头开展高压喷射试验。而此类钻头大多用于可钻性级值较高，研磨性较强的深部地层，如川东北地区须家河层段。同时结合PDC钻头需要较大井下转速和扭矩的破岩要求，可选择使用涡轮钻具配合专用密集布齿的PDC钻头实施高压喷射的钻井试验方案。,高压喷射钻井方案设计指导思想,四、取得的主要成果,2、钻进参数优化设计技术,计算条件：,不同排量的对比分析,四、取得的主要成果,（1）随排量的等量增加，井底当量循环密度变化较小，泵压呈现加速增长的趋势；,不同排量的对比分析,（2）随排量等步长增加，在射流速度增加的同时，钻井液环空当量粘度同步等量下降，因此高压喷射钻井需考虑提高机械钻速、环空上返速度和钻井液携带能力的协调问题。,四、取得的主要成果,喷嘴组合优选,各喷嘴组合对应的井底当量密度较为接近。仅91011的水眼组合的井底当量密度略高，且需要接近28L/s的钻井液排量，这对于地面机泵条件要求较高。使用1010水眼组合所需钻井液排量最小，但是环空返速相对过低，不利于携岩。使用过流面积在120130mm2之间的8910、9910、1111等喷嘴组合对于地面机泵条件的要求适中。,四、取得的主要成果,适合35MPa喷射钻井的泥浆体系必须具有下列特性：具有良好的剪切稀释性、较强的抑制性，并且有利于控制劣质固相含量充分利用机泵组功率，增加钻头水力能量，泥浆流变参数适应钻头水力参数，提高破岩、清岩、携岩的能力，有效地加快钻井速度，降低钻井成本。,3、喷射钻井钻井液体系优选,四、取得的主要成果,重点开发研究了聚磺硅醇基非渗透钻井液体系铝胺高性能水基钻井液体系,（1）聚磺硅醇基非渗透钻井液体系 通过室内性能评价实验和多口深井的现场应用，优选出聚磺硅醇基非渗透钻井液体系。与普通的聚磺钻井液相比，该钻井液体系具有高温稳定、良好的润滑性和剪切稀释特性，高温高压条件下流变性好、高温高压滤失量低，能够经受住各种可溶性盐类及高价离子污染，同时具有处理工艺简单、配置方便、便于维护等特点。该钻井液体系的具体配方如下：3%膨润土+ 0.3%烧碱 + 0.3%KPAM + 2% SPNH + 2% SPC +2% OCL-JA + 2% JA-1+ 1% Desco + 2% Driscal+ 2% SAK-1 + 0.5%SF-1 + 1% FLC3000 + 2% PVP + 10%白油 +2%高温稳定剂。,四、取得的主要成果,（2）铝胺高性能水基钻井液体系。铝胺高性能水基钻井液的主要处理剂是胺基聚醇（有机胺类）AP-1和铝聚合物DLP-1。铝胺高性能水基钻井液提高机械钻速的原因：具有极强的抑制性，对钻速影响最大的微米和亚微米颗粒数量大幅度减少，新钻钻屑颗粒在钻井液中也不会过度分散，钻井液剪切稀释性强，有利于充分发挥钻头水功率。胺基聚醇是一种表面活性剂，使钻具表面亲油，可有效防止钻头和钻具泥包。瞬时滤失量大、高温高压滤失量小，对待钻地层润湿，降低地层的硬度。井壁稳定、井眼清洁效果好、钻井液液流变性易于控制，有效预防井下复杂情况。,四、取得的主要成果,（1）在一定温度下，随着压力的升高，高温钻井液的表观粘度、塑性粘度、稠度系数和水眼粘度总体上均呈上升趋势，动切力的变化规律不明显，而流性指数呈减小趋势。（2）温度对流变参数的影响占主导地位，与温度相比，压力的影响程度要小的多。,（3）温度和压力对流变参数的影响,四、取得的主要成果,4、喷射钻井钻头优化设计,基本思路：改变和控制水射流的内部结构及调节喷嘴出口流量，来提高喷嘴射流的瞬时冲击力和井底脉动特性，提高钻井速度。主要形式：断续射流喷嘴、脉动射流喷嘴,牙轮钻头用脉冲射流喷嘴采用先进的自激振荡原理，根据赫尔姆兹振荡腔物理模型，依靠喷嘴自身具有的自激振荡腔室，将连续射流转变为脉冲射流。喷嘴结构：上喷嘴、多曲面内腔室和下喷嘴,（1）高压喷射牙轮钻头喷嘴技术,四、取得的主要成果,井底流场的动态压力大于或小于射流的平均冲击压力都有助于清洗岩屑和破碎岩石。,脉冲射流喷嘴产生动压力的瞬时峰值使井底获得更高的能量，瞬时低值能减小井底岩屑的压持效应，在井底岩石表面有效作用范围内实现“平衡钻井”乃至于“负压钻井”，使岩石孔隙压力成为净化井底的主动力。,四、取得的主要成果,研究表明：比普通连续射流喷嘴的瞬时冲击力提高1.7-2.5倍，有效喷距提高1.5-2.0倍，岩石冲蚀体积提高2-4倍，井底瞬时能量提高1.438倍。,（2）高压喷射PDC钻头设计技术,利用动力有限元法对PDC钻头破岩过程进行数值模拟,分析高压PDC钻头的射流入射角、钻齿作用半径、钻齿前倾角、射流与机械齿的配合参数对破岩效果的影响规律。,硬地层中高压射流破岩的最优入射角为40,射流入射角对破岩效果的影响规律,四、取得的主要成果,钻齿的前倾角在-15时,岩石破碎体积最大,单位体积破碎功也最小。最优前倾角受岩石的内摩擦角、抗拉和抗剪强度等影响最大。PDC齿前倾角、岩石内摩擦角,岩石内部所受的压应力和剪应力,三者达到最优破岩组合时破岩效率最高。对应特定岩层必存在一个利于破岩的最优前倾角，钻头PDC片前倾角设计必须视具体区块特点制定。,PDC钻齿的前倾角对破岩效果的影响规律,单位体积破碎功与PDC钻齿前倾角的关系,四、取得的主要成果,高压小喷嘴射流在联合破岩中的作用,喷嘴配合下破岩体积对比,喷嘴配合下钻头受力对比,水力-机械联合破岩有效地均化了钻齿受力,可以避免钻头的冲击破坏。受钻井泵功率的限制,小股射流直接破岩体积不大,但能均化钻齿受力,避免钻头冲击破坏效果显著。,四、取得的主要成果,高压喷嘴与PDC钻头的位置配合,以破岩为目的的高压射流喷嘴应设置在钻头的外锥部分,这有利于充分发挥射流的辅助破岩作用,从而提高机械钻速,延长钻头寿命。,岩石破碎体积对比,破碎单位体积岩石所需的功,四、取得的主要成果,（3）深部地层岩石力学特性分析及钻头选型技术,东营凹陷东部深部地层岩石可钻性测定试验数据汇总表,四、取得的主要成果,牛25区块深部地层钻头选型推荐方案,四、取得的主要成果,5、高压喷射先导试验方案,（1）鉴于使用牙轮钻头所造成的齿后水平裂纹发育比齿前裂纹要好，能够有效减少钻头的破岩扭矩和耗费的功率，有利于将钻齿产生的岩屑及时排走，避免重复破碎 优先选用牙轮钻头配合水力参数优选、钻井装备配套等工作，在胜利油区开展35Mpa高压喷射现场试验；（2）由于高压喷射最佳射流与齿间距在13 mm之间，牙轮钻头实现小间距布齿的难度较大，因此可以考虑使用布齿间距更小，更为密集的PDC钻头开展高压喷射试验。而此类钻头大多用于可钻性级值较高，研磨性较强的深部地层，如川东北地区须家河层段。同时结合PDC钻头需要较大井下转速和扭矩的破岩要求，选择使用涡轮钻具配合专用密集布齿的PDC钻头实施高压喷射的钻井试验方案。,设计思想,四、取得的主要成果,高压喷射钻井装备配套技术,四、取得的主要成果,高压喷射钻井装备配套技术,四、取得的主要成果,型号 SL450H最大静负荷 4500kN最高转速300r/min最高工作压力52MPa中心管内径75mm鹅颈管入口与垂线的夹角 15鹅颈管接头与水龙带联接4 1003由壬(XXS)额定转速 2800r/min功 率 14.7kW额定气压 0.60.8MPa空气消耗量（自由空气） 17m3/min进气管线 Rc1 1/2“额定旋扣转速 90r/min最大旋扣转矩 3000N.m水龙头外形尺寸 319010961110mm水龙头重量(不包括空气管线) 3250kg,水龙头主要参数：,高压管汇参数公称通径： 102mm最大公称压力： 70MPa强度试验压力： 105MPa适用温度： 29-121适用介质：清水、泥浆、原油、压裂液联接方式： 由壬阀门驱动方式： 手动,高压管汇主要参数,水力参数优选,过流面积达到130 mm2以上的9910、91011、1212喷嘴组合在排量达到23L/s 以上即可实现地面泵压30MPa。而9910、1111的喷嘴组合虽然在较小排量下也能够达到地面泵压要求，但是环空返速相对较低，所以不予考虑。推荐91011、1212(1010mm)喷嘴组合和相应排量作为试验参数。,30Mpa地面泵压的水力参数优选,四、取得的主要成果,水力参数优选,为了达到35Mpa地面泵压的试验要求，使用8910水眼组合，以排量23L/s为例计算相关水力参数列表如下：,四、取得的主要成果,6、现场试验情况,牛25-斜68,在同一垂深，使用相同的钻具结构和相近的钻井参数情况下，将泵压由14.0MPa提高至29MPa，钻时由31.28min/m提高至18.30min/m，同比提高41.5%，高压喷射钻井在胜利油田深部地层的提速效果非常明显。,四、取得的主要成果,试验井段：3367.03380.0m 钻进泵压：2931MPa,元坝124,四、取得的主要成果,试验井段：3684.114887.2m 钻进泵压：3033MPa,元坝124,在须一段底部，由于石英含量较高的灰色粉砂岩居多，使用涡轮带孕镶金刚石钻头比普通牙轮钻头相比钻井钻速虽然有明显提高，单只钻头寿命更长，进尺更多，部分解决了单只牙轮钻头使用寿命短，进尺少，机械钻速低的问题，但是机械钻速并没有大幅度的提升，暴露出涡轮专用钻头与地层配伍性方面的问题。,四、取得的主要成果,1、形成了高压喷射钻井射流与机械破岩机理分析技术； 2、形成了以水力参数优化设计和钻头优化设计为主线的高压喷射钻井方案设计技术；3、推荐出聚磺硅醇基非渗透钻井液和铝胺高性能水基钻井液体系及配方；4、形成了35MPa高压喷射钻井装备配套技术5、形成了东营凹陷中央隆起带深部地层岩石力学特性分析及钻头选型技术；6、形成了高压喷射钻头优化设计技术，开发了满足现场应用的PDC钻头。,四、取得的主要成果,创新点：1、高压喷射钻井方案设计及应用技术；2、高压喷射钻头设计及开发技术。,汇 报 提 纲,五、社会经济效益,技术成果对胜利油田车西、渤南、利津、盐家、民丰地区的深部地层钻井机械钻速低、破岩效率低、综合开发效益低的问题在很大程度上得以解决。上述地区3500m深井平均钻井周期可由目前的86天降低至75天，按照设计单井节约钻井周期10天，年钻井30口，钻机日费10万元/天计算，每年将节约钻井成本3000万元。,五、社会经济效益,元坝124井830.81m试验井段平均机械钻速提高40%以上，按照40%的钻井时效计算，将节约钻机使用时间43天,按照钻机日费15万元计算，节约钻机日费646万元。能够节约的其他钻井液、油料等费用也将在400万元以上。单井节约钻井成本必将在1000万元以上。该技术可