元坝提速新手段:扭力冲击器

[加入收藏][字号: ] [时间:2012-11-02  来源:石油与装备  关注度:0]
摘要:   川东北元坝地区天然气资源丰富,储层圈闭资源量达6000亿方以上,该区块是中国石化继普光气田之后天然气增储上产的又一重点探区。目前已有10多口井获得工业气流,天然气最高无阻流量达到751104 m3d,揭示了元坝气藏良好的勘探前景。...

  川东北元坝地区天然气资源丰富,储层圈闭资源量达6000亿方以上,该区块是中国石化继普光气田之后天然气增储上产的又一重点探区。目前已有10多口井获得工业气流,天然气最高无阻流量达到751×104 m3/d,揭示了元坝气藏良好的勘探前景。但是元坝探区陆相地层硬度高、非均质性强,在上沙溪庙组以浅地层应用成熟的气体钻井技术,钻井速度较快;上沙溪庙组以深的千佛崖、自流井、须家河地层,由于研磨性强、可钻性极差,虽然采用了不同厂家多种型号的钻头和多种钻井方式,平均机械钻速仍然难以突破 1.0m/h,成为制约元坝提速的瓶颈。

 

  元坝陆相地层

  钻速瓶颈急需破除

 

  元坝陆相地层埋深平均在4800m左右,砂泥岩交错、多为硅质胶结、岩性致密、非均质性强,岩石抗压强度在68.89~148.05MPa之间,岩石内摩擦角为26.65~48.44°,可钻性级值达5~8级,属高硬度、高研磨性地层,导致机械钻速低、钻井效率低、钻井周期长。

 

  陆相上沙溪庙组以浅地层应用气体钻井技术,平均机械钻速达到8.82m/h,而下沙溪庙、千佛崖、自流井、须家河组由于地层不稳定,井壁易发生掉快、垮塌现象,导致气体钻井无法实施;应用常规钻井机械钻速低,平均机械钻速0.95m/h,单只钻头进尺仅57.5m,见表1。地层厚度占全井的20%,但钻井时间占全井钻井周期的39%。由此可见,元坝提速的关键是实现陆相地层机械钻速的提高。

 

  但是由于地层研磨性强、可钻性差,蹩跳钻严重,PDC钻头一直未得到推广应用。为此,引进加拿大阿特拉公司的扭力冲击器配合PDC钻头在陆相地层进行试验。

 

  扭力冲击器配合PDC钻头

  提高钻速与使用寿命

 

  扭力冲击器(TorkBuster)是加拿大联合金刚石公司(United Diamond)和阿特拉公司(Ulterra)合作研发的一种新型工具,主要用于PDC钻头的辅助破岩,作为一项相对较新的技术,自2000年提出构想至今已经应用了2100多次,现场应用效果良好。

 

  发展背景 在井下,PDC 钻头的运动是极其无序的,包括横向、纵向和扭向的振动及这几种振动的组合。井下振动会损坏PDC 切削齿,引起钻头寿命缩短;引起的扭矩波动易干扰定向控制和随钻测井(LWD)信号,导致井身质量的降低。

 

  为了减弱影响正常钻井的井下振动,消除钻头粘滑现象,研发了扭力冲击器。它在钻头上增加一个额外的扭力方向(旋转方向)的均匀稳定的高频冲击力 (750~1500次/min),改变了PDC钻头的运动状态,相当于每分钟750~1500次切削地层,大大提高了PDC钻头的破岩效率,实现了机械钻速和使用寿命的显著提高。

 

  工作优点 配合PDC 钻头使用,以冲击破碎为主,加以旋转剪切岩层,在保证井身质量的同时提高机械钻速;将钻井液的流体能量转换成扭向的、高频的、均匀稳定的机械冲击能量并直接传递给 PDC 钻头,使钻头和井底始终保持连续性;消除钻头粘滑现象,减少反冲扭力,有助于提高钻头的耐久性,延长钻头使用寿命;减弱了钻柱上的扭力振荡,从而降低了下部钻具组合以及钻杆的疲劳程度。

 

  结构特点 结构合理,纯动力机械设计,无电子元器件,无橡胶件;最高耐温210℃ ,扭转冲击频率可达700~1500次/min;不会产生阳极脉冲;可自带稳定器,起到防斜作用,保证井身质量;使用时不影响录井和测井,不会对MWD产生影响;长度0.68~1.2m,可用于不同钻具组合;可与井下动力钻具配套使用。

 

  合理选型

  应用效果更明显

 

  扭力冲击器选择 针对元坝下沙溪庙、千佛崖组地层研磨性强,常规钻井机械钻速低的问题,选择阿特拉扭力冲击器在该地层应用,井眼尺寸为Φ311.2mm,对应选择Φ279mm扭力冲击器,主要参数见表2。

 

  配合钻头的合理选型 下沙溪庙组及以深地层岩性砂、泥岩互层,软硬变化大,钻头使用不稳定;砂岩多为硅质胶结,岩性致密、硬度大、研磨性强、可钻性级值平均约在 6 级以上,最高8级,岩层可钻性极差;地层对钻头磨损严重,钻头失效快,单只钻头进尺较少。针对地层特点,选择阿特拉公司的UD513 PDC钻头,该钻头是专门为配合扭力冲击器使用而设计,选用抗研磨性强的UTechXTTM PDC 复合片,它用改进的金刚石合成方法制造,通过混合金刚石颗粒大小既能优化抗研磨性,又能优化抗冲击性。

 

  目的是通过扭力冲击器改变钻头工作方式,将切削地层的扭力最大化并直接作用在钻头上,从而提高机械钻速,减少有危害的钻头振动,降低夹层对PDC的影响,使钻头可以在井底平稳运作,从而延长钻头寿命。钻井参数设计,见表3。

 

  扭力冲击器及配合钻头使用技术要点 一是入井前准备工作:准备两个完好的钻杆滤清器;调整钻井液性能,维护井壁稳定性,充分循环清洁钻井液,降低含砂量和固相含量;确保泥浆泵运转正常,工具工作排量为50~56L/s。二是工具测试及下钻:工具在钻台面进行短测试,排量从20L/s开始至最高排量;下钻过程避免在套管中大排量开泵循环,尽可能减少套管中开泵时间;若遇阻尽量避免大井段划眼;下至距离井底10~20m开泵,避免钻头直接接触井底或井底沉砂,防止堵塞水眼,到底之后检查泵压、排量,看是否正常,禁止低排量情况下接触井底。

 

  三是钻进:造型钻压20~40KN,转速60rpm,造型进尺20cm;正常钻进钻压一般不超过160KN,转速55~65rpm,在泥岩中或机械钻速较快地层为可调整至最高90rpm; 根据钻时快慢,及时观察、判断工具和钻头情况;观察返出岩屑,是否有大量掉块、铁屑、石英等特殊岩屑,注意观察钻井参数;每个单根需及时清理钻杆滤子。四是起钻:起到套管鞋和封井器位置,注意提升速度,平稳操作;卸掉工具和钻头时同样避免直接接触钻台面。

 

  YB272井应用情况 YB272井是部署在川东北巴中低缓构造的一口水平开发评价井,设计井深7597m,设计完钻层位是长兴组。为提高三开陆相地层机械钻速,采用阿特拉扭力冲击器配合UD513 PDC钻头钻进,同时采用液体欠平衡钻井工艺,现场共实施3趟钻进,详见表4。

 

  钻具组合:Φ314.1mmUD513PDC钻头+Φ279mm扭力冲击器+浮阀+Φ241.3mm钻铤2根+Φ305mm扶正器+Φ241.3mm钻铤4根+Φ203.2mm钻铤6根+Φ177.8mm钻铤×3根+Φ139.7mm斜坡钻杆。

 

  钻井参数:钻压120~140KN;转速70rpm;排量51~56L/s;立压18~19MPa。

 

  从图4中可以看出,第1趟钻机械钻速显著高于后2趟,主要是由于在上沙溪庙组钻进,地层可钻性较好;第2趟钻由于钻头磨损较为严重,钻时逐渐变慢,更换钻头后,在第3趟钻,钻时显著加快。另外由于地层软硬交错(砂岩和泥岩互层),钻时变化大,最快钻时为3min/m,最慢钻时达到84min/m,尤其是进入下沙溪庙组地层以后,平均2~3m就发生岩性变化,导致钻时波动更加显著,对PDC钻头的使用和机械钻速影响很大。

 

  现场共使用2只PDC钻头、3套阿特拉扭力冲击器。实钻井段为3123.57~3630.08m,总进尺506.51m,纯钻时间225.83小时,平均机械钻速2.24m/h, 较相邻井段应用的牙轮钻头进尺增加2倍以上,机械钻速提高1.4倍,表明应用扭力冲击器配合UD PDC钻头,能够较好的克服地层硬度高、软硬交错的影响。

 

  综合应用指标分析 自2010年在元坝10井成功应用扭力冲击器提速以后,在元坝地区累计应用已达到9井次,详见表5。平均单只钻头进尺达到151.54m,平均机械钻速 2.21m/h,同比2009年牙轮钻头进尺增加163.55%,机械钻速提高127.63%,实现了陆相坚硬难钻地层机械钻速的重大突破,见表5。

 

  扭力冲击器配合PDC钻头较好的解决了元坝陆相地层常规钻井机械钻速低的难题,在提高机械钻速的同时,延长了钻头的使用寿命。

 

  在地面设备允许的条件下,应尽量提高排量,避免低转速且排量不足的情况下发生钻头泥包。建议继续推广应用扭力冲击器配合PDC钻头钻井技术,并在下部自流井和须家河组开展试验,延长工具应用井段,同时加大国产化研究力度,以降低成本。



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