元坝陆相高压致密强研磨性地层钻井提速技术
乔领良1, 胡大梁2, 肖国益2    
1. 中国石化西南油气分公司新场气田股份有限公司, 四川成都 610041;
2. 中国石化西南油气分公司石油工程技术研究院, 四川德阳 618000
摘要: 针对元坝气田陆相深部自流井组和须家河组地层岩性致密、硬度高、研磨性强,牙轮钻头进尺少、寿命短,以及综合效益低的问题,通过分析地层的可钻性、钻头的破岩原理,结合现场实钻情况优选高效钻头,并根据钻头与钻井工具的合理匹配原则优选合适的动力钻具,进行了"进口孕镶金刚石钻头+高速涡轮"复合钻井技术、"国产孕镶金刚石钻头+高效特殊螺杆"复合钻井技术和牙轮-PDC混合式钻头钻井技术现场试验。以钻头每单位进尺消耗的比能作为选择钻头的依据,并应用盈亏平衡理论对3种钻井技术进行了经济评价。现场试验结果表明:高压致密强研磨性地层首选"国产孕镶金刚石钻头+高效特殊螺杆"钻井技术;砾石含量高的珍珠冲组地层推荐采用"进口孕镶金刚石钻头+高速涡轮"复合钻井技术;砂泥岩互层较多的高压致密地层推荐采用牙轮-PDC混合式钻头钻井技术。经济评价结果表明,元坝气田应用"国产孕镶金刚石钻头+高效特殊螺杆"钻井技术的经济效益最高,其次是牙轮-PDC混合式钻头钻井技术,"进口孕镶金刚石钻头+高速涡轮"复合钻井技术最差。
关键词: 陆相地层    高压致密层    孕镶金刚石钻头    动力钻具    机械钻速    元坝气田    
ROP Improvement Technology for High-Pressure Terrestrial Tight Abrasive Formations in the Yuanba Gas Field
Qiao Lingliang1, Hu Daliang2, Xiao Guoyi2    
1. Sinopec Southwest Petroleum Branch, Chengdu, Sichuan, 610041, China;
2. Petroleum Engineering Technology Research Institute of Sinopec Southwest Petroleum Branch, Deyang, Sichuan, 618000, China
Abstract: Drilling footage and service life of cone bits were short and the comprehensive benefits were low in the Yuanba Gas Field,due to the fact that the Ziliujing and Xujiahe Formations in deep onshore regions are tight, hard and highly abrasive. Based on practical drilling situations, high-efficiency drill bits were selected through the analysis of the formations' drillability and rock breaking principles. Appropriate dynamic drilling tools were selected according to the matching principle of drill bits and drilling tools.Then, field tests were conducted on the following three drill bits and tools combinations, including imported impregnated diamond bits and high-speed turbines, impregnated diamond bits and screws, and cones and PDC. Drill bits were selected on the basis of specific energy for unit footage consumption, and the three combinations were economically evaluated using breakeven analysis. Based on field test results, adoption was recommended for the homemade impregnated diamond bit and high-speed screw drilling for high-pressure and highly abrasive tight formations, and the impregnated diamond bit and high-speed turbo drilling for Zhenzhuchong Formation with high gravel content, and the cone and PDC drilling for high-pressure tight formations with more interbeds of sandstones and mudstones. Studies showed that the application of homemade impregnated diamond drill bit and high-speed screw drilling gave the best economic benefit contributions, followed by cone and PDC drilling followed by the imported impregnated diamond drill bit and high-speed turbo drilling.
Key words: onshore strata    high-pressure tight formation    impregnated diamond drill bit    dynamic drilling tool    rate of penetration    Yuanba Gas Field    

元坝气田位于四川盆地东北部的广元市苍溪县、阆中市及巴中市境内,区块面积3 251.48 km2,探明储量1 834.2×108 m3。该气田主要采用超深水平井、超深大斜度定向井开发,水平井和定向井平均垂深6 600.00~6 900.00 m,完钻井深7 500.00~8 000.00 m。该气田是典型的高压、高含硫和高产气田。该气田第一轮的9口开发井由于受到各种因素的制约,机械钻速低,钻井周期长,尤其是三开314.6 mm井段陆相深部高压致密地层一直是钻井提速的难点[1, 2]。目前国内对于陆相深部高压致密地层的钻井提速问题尚无有效的解决办法,仍处于探索阶段。为了加快元坝气田的开发建设速度,提高产气量,自2013年开始,元坝气田开展了陆相深部高压致密地层的钻井提速技术攻关,针对陆相深部高压致密地层的地质特点,通过优选钻头,匹配与之配套的钻井工具,形成了适用于元坝气田陆相深部高压致密地层的钻井提速技术,并在元坝气田第二轮的9口开发井中进行了应用,全井平均机械钻速由第一轮的1.80 m/h提高至2.30 m/h,钻井周期由第一轮的440 d左右缩短至380 d左右。

1 主要制约钻速的因素分析

元坝气田地质构造复杂,陆相上部的剑门关组至上沙溪庙组地层稳定性较好,采用气体钻井技术提速效果显著,平均钻速达到11.00 m/h以上,基本可以在一个月内完成一开和二开施工[3];三开井段陆相下沙溪庙组、自流井组、须家河组地层,由于稳定性差,且含水,不适宜采用气体钻井技术。其中,自流井组和须家河组地层砾岩、石英含量高,岩石的抗压强度平均达到157 MPa,最高达到350 MPa,属极硬地层;岩石可钻性级值达7级以上,可钻性极差;内摩擦角平均为40.27°,地层研磨性5~6级,研磨性强;自流井组和须家河组地层压力系数高达1.95。由此可看出,自流井组和须家河组地层属于高压、强研磨性、极硬的地层,这是制约钻井提速的主要因素。

现有钻井技术在高压、致密、强研磨性地层中的提速效果很差。据统计,自流井组和须家河组地层厚约990.00 m,仅占总井深的13.2%,但钻井时间长达135 d,占钻井周期的35%,单只钻头进尺仅40.00 m,平均机械钻速仅0.65 m/h。尤其是自流井组底部的珍珠冲组地层厚约120.00 m,砾岩含量高,单只钻头平均进尺仅15.60 m,平均机械钻速0.52 m/h,需要8只常规牙轮钻头才能钻穿,导致起下钻频繁,钻井效率极低。

2 主要钻井提速技术

针对元坝气田陆相深部高压致密地层钻井提速难题,先后进行了“进口孕镶金刚石钻头+高速涡轮”复合钻井技术、“国产孕镶金刚石钻头+高效特殊螺杆”复合钻井技术和牙轮-PDC混合式钻头钻井技术试验。

2.1 “进口孕镶金刚石钻头+高速涡轮”复合钻井技术

“进口孕镶金刚石钻头+高速涡轮”的提速原理是通过涡轮带动孕镶金刚石钻头高速切削破岩。涡轮为全金属组件,具有转速高、抗高温、抗冲蚀、寿命长和单趟进尺长等诸多优点[4, 5],特别是孕镶金刚石钻头更适合在元坝气田自流井组和珍珠冲组含石英、砾石的高研磨性地层中钻进[6, 7, 8, 9, 10]

1) 钻头优选。由于自流井组和须家河组地层硬度高、研磨性强,牙轮钻头磨损速度快、进尺少,需要选用高抗研磨性的钻头配合高转速、长寿命的动力钻具提速。根据完钻井测井曲线解释结果得到岩石力学参数,自流井组—须3段地层首选攻击性强的十二刀翼孕镶金刚石钻头,在钻遇硬夹层时,使用抗研磨性更强的十六刀翼孕镶金刚石钻头,在保证机械钻速的同时,可延长钻头的使用寿命,提高钻头进尺。十六刀翼孕镶金刚石钻头的切屑齿具有再生自锐特点,其切屑齿层叠铺置,顶层磨损后,次层切屑齿又发挥作用,多层铺置的特点,确保钻头切屑齿长时间的自锐能力,提高钻头的破岩能力,延长钻头的使用寿命。

2) 组合工具的匹配性分析。须三段以深地层的硬度比上部地层更高,研磨性比上部地层更强,特别是珍珠冲组石英砾岩地层,钻头选型时应首先考虑钻头的抗研磨性和切屑齿防崩断,以较长的使用寿命提高钻头进尺。高速涡轮能量利用率高,转速是普通螺杆的7倍,工作平稳,可减少因井下振动引起的钻头碎齿、胎体断裂、掉齿等问题,延长钻头使用寿命。涡轮没有橡胶件,可在井下工作400 h以上。138/150级高速涡轮的工作转速800~1 300 r/min,输出扭矩和功率更大,与孕镶金刚石钻头的匹配性更强。

3) 现场应用及经济性分析。实钻统计结果显示,孕镶金刚石钻头在钻进砾岩等高研磨性地层时,平均进尺达到228.36 m,平均机械钻速1.39 m/h,机械钻速比牙轮钻头提高1倍以上。但该技术也存在一定局限性,主要是由于涡轮为多级涡轮,排量、泵压要高,其中泵压一般要达到28 MPa以上,目前与ZJ70型钻机配套的钻井泵很难在该条件下长时间工作;而且由于自流井组和须家河组地层存在高压气层,钻井液密度一般在2.0 kg/L以上,影响涡轮的工作效率,导致钻速下降。统计数据表明,钻井液密度高于2.0 kg/L时,涡轮钻井钻速一般在1.5 m/h以下(见图1),制约了涡轮钻井的提速效果,而且进口涡轮的技术服务费用高、经济性差,限制了该技术的进一步推广。

图 1 涡轮钻井钻速与钻井液密度的关系 Fig.1 The relationship between drilling fluid density and ROP of turbo drilling
2.2 “国产孕镶金刚石钻头+高效特殊螺杆”复合钻井技术

1) 动力钻具的优选。针对元坝气田陆相高压强研磨性地层使用“进口孕镶金刚石钻头+高速涡轮”钻具经济性差,而国内螺杆钻具日渐成熟,经济优势明显的现状,进行了国产孕镶金刚石钻头配合高效特殊螺杆钻井提速试验[11]。高转速长寿命螺杆具有为钻头提供恒定转速和钻压的功能,可使钻头连续接触井底切削岩石,且能保持足够的扭矩。经过分析评价,选择3~5头螺杆,其最高转速可达200 r/min以上,输出扭矩大于4 000 N·m,基本能满足元坝气田高压中硬中研磨性地层钻进的需要。

2) 钻头优选。随着国产孕镶金刚石钻头技术的进步,提高了钻头的抗研磨性。根据地层岩性、可钻性剖面,结合国产孕镶金刚石钻头在元坝气田的使用效果,优选了NR826M型和DIA256S型孕镶金刚石钻头。这2种型号的孕镶金刚石钻头采用“天然金刚石+孕镶金刚石”颗粒,抗研磨性更强,尤其适用于含砾岩、石英的地层,其流道较深,有利于提高钻头清洗效果。推荐技术参数为转速300~500 r/min、钻压60~80 kN。

3) 现场应用及经济性分析。国产孕镶金刚石钻头配合高效特殊螺杆在元坝气田的陆相地层应用4井次,总进尺达到6 669.21 m,平均机械钻速为1.97 m/h。与牙轮钻头相比,机械钻速提高2倍以上,而且钻时变化均匀,未出现钻速明显降低的现象,钻头出井新度80%,起下钻减少10趟,钻井效益大幅提高。经技术经济评价,该配套技术的经济性比较好,适合元坝气田自流井组、须家河组高压致密的中硬、中研磨性地层的提速需求。

2.3 牙轮-PDC混合式钻头钻井技术

1) 混合式破岩钻头的破岩原理。混合式钻头是为提高硬地层、硬塑性地层和软硬交错地层的机械钻速而研制的一种新型钻头[6],国外混合式钻头能够以比普通牙轮钻头快2~4倍的速度高效钻进页岩地层和其他具有塑性或多变性的地层。

针对元坝气田须家河组极硬和砂泥岩夹层地层的特点,研制了KPM系列牙轮-PDC混合式钻头,其采用“三刀翼+三牙轮”设计,兼具牙轮和PDC钻头两者的优点,牙轮牙齿挤压地层形成不连续的齿坑,对岩石产生预破碎,PDC切屑齿通过切削,将牙轮齿形成的不连续的齿坑削平连通,从而形成完整的破碎环带,这样周而复始的破岩,使混合式钻头在硬塑性地层中具有较高的机械钻速;牙轮齿坑限制了PDC切削齿的吃入深度,使切削齿发生崩齿的概率降低,既能提高综合破岩效率,又能延长钻头的使用寿命。

2) 混合式破岩钻头的模拟评价分析。已完钻深井的钻头使用情况统计结果表明,所使用的钻头型号主要有HJT537GK、SVT547GK、HF547HX和M1365等,采用钻头比能法进行钻头应用效果评价。钻头比能是指钻头从井底地层破碎单位体积岩石所需要做的功,其计算式为:

式中:Eavg为钻头比能,MJ/m3W为钻压,kN;N为转速,r/min;D为钻头直径,mm;R为钻速,m/h。

对于深井而言,由于起下钻时间较长,因此钻头选型时需要同时考虑钻速和进尺,以减少起下钻次数。为此,综合考虑比能和进尺,以钻头单位进尺消耗的比能作为钻头的评判选择依据,对须家河组地层使用钻头的比能进行评价,结果见图2

图 2 不同型号钻头的比能 Fig.2 Specificenergy of different drill bits

图2可以看出,KPM1633DRT型混合式钻头的平均比能为146.28 MJ/m3,仅次于SVT547GK型牙轮钻头,远低于其他类型的钻头,基本能够适应须家河组极硬和砂泥岩互层的使用需求。

3) 现场应用及经济性分析。在YB1-1H井和YB205-1井累计进行了3井次的混合式钻头钻井试验(见表1),共用了3只混合式钻头,平均单只钻头进尺76.43 m,平均机械钻速0.76 m/h,与邻井相应层段平均钻速(0.65 m/h)相比,提高了16.92%,技术指标达到预期,具有一定的经济性。

表 1 混合式钻头现场试验结果 Table 1 Field test results of hybrid bits
井号 钻头型号 地层 钻进井段/m 纯钻时间/h 平均钻速/(m·h -1)
YB1-1H KPM1663DRT 须三、须二 4 741.60~4 810.34 74.5 0.92
KPM1663DRT 须一 5 031.36~5 068.93 65.5 0.57
YB205-1H KPM1663DRT 须三 4 843.30~4 471.30 162.4 0.76
3 应用效果及评价

1) 评价方法选择。应用盈亏平衡理论,建立“进口孕镶金刚石钻头+高速涡轮”、“国产孕镶金刚石钻头+高效特殊螺杆”和牙轮-PDC混合式钻头3种钻井提速技术的经济效益计算公式,根据钻机作业日费和录井、钻井液等的费用及钻井技术服务费,计算在陆相深部地层采用常规钻井和3种提速钻井技术的直接钻井成本,并进行对比分析。钻井经济效益公式为:

其中

式中:x为钻井经济效益,元;yrd为钻机日费,元;yld为录井服务日费,元;yfd为钻井液技术服务日费,元;ybd为钻头费用,元;ysd为钻井技术服务费,元;t为相对常规钻井所节约的时间,d;L为进尺,m;v为常规钻井平均钻速,m/h;η为纯钻时效,%;t1为钻井提速技术应用时间,d。

2) 效果评价分析。利用式(2),按照元坝气田已完钻井在须家河组地层中常规钻井单只牙轮钻头进尺40.00 m、平均机械钻速0.65 m/h、纯钻利用率40%的平均指标,并根据3种提速钻井技术的服务费用、工具费用等进行经济定量评价,最终测算出所要达到的最低经济效益要求,结果见图3

图 3 3种钻井技术的经济性定量评价结果 Fig.3 Quantitative economic evaluation of three different drilling techniques

图3可知:“进口孕镶金刚石钻头+高速涡轮”需要达到的最低经济效益对钻速和进尺的要求最高,要求最低钻速达到1.0 m/h,最小进尺达到250.00 m才具有经济效益,随着钻速提高,对经济进尺的要求下降,经济效益随之提高,但高速涡轮要求排量高,泵压要达到28 MPa以上,钻井泵很难在该条件下长时间工作;而且由于自流井组和须家河组地层存在高压气层,钻井液密度一般在2.0 kg/L以上,影响涡轮的工作效率,制约了涡轮钻井的提速效果,且由于其技术服务费用高,40%的井提速而未提效。“国产孕镶金刚石钻头+高效特殊螺杆”钻具达到最低经济效益所需最低钻速和最小进尺分别为0.78 m/h和80.00 m,而且高效螺杆对排量、泵压的要求没有涡轮高,钻井泵基本可以满足长时间工作的要求,所以螺杆的工作效率较高,使用风险小,且技术服务费比涡轮低,具有明显的提速提效效果。牙轮-PDC混合式钻头需要达到的最低经济效益对钻速和进尺的要求最低,分别为0.75 m/h和50.00 m,对排量没有特殊要求,机泵条件容易满足,使用风险最小,成本低,但提速效果相对较低。

3) 适用地层的提速技术推荐。经过技术经济评价之后,推荐3种钻井提速技术的适应条件为:对于元坝气田自流井组、须家河组的高压致密研磨性性地层,优先推荐“国产孕镶金刚石钻头+高效特殊螺杆”钻井技术;对于石英、砾石含量高的珍珠冲组等强研磨性井段,在钻机和钻井泵条件较好的条件下推荐用“进口孕镶金刚石钻头+高速涡轮”钻井技术;对于地层中极硬和砂泥岩互层较多、硬塑性地层,推荐采用牙轮-PDC混合式钻头钻井技术。

4 结论及建议

1) 采用孕镶金刚石钻头配合高速涡轮或高效特殊螺杆钻井能有效解决元坝气田陆相深部致密地层钻井的提速问题。

2) “进口孕镶金刚石钻头+高速涡轮”钻井技术适用于元坝气田珍珠冲组砾石含量高的强研磨性地层,提速效果较好,但技术服务费用高。因此,建议加快该类工具国产化的进度,提高其可靠性、延长使用寿命,降低使用成本。

3) “国产孕镶金刚石钻头+高效特殊螺杆”钻井技术适用于元坝气田自流井组、须家河组的高压致密强研磨性地层,提速效果较好,技术经济性较好。建议加大推广应用力度,推动国产化破岩工具的技术提升。

4) 混合式钻头兼具牙轮钻头和PDC钻头的优势,适用于自流井组、须家河组地层中极硬和砂泥岩互层较多的高压致密地层,提速效果一般,但该混合钻头还处于初步应用阶段,有进一步改进和完善的空间。

5) 当钻井液密度达到2.2 kg/L以上时,井下动力钻具的应用受到限制,需要进一步深入研究适用于高压、强研磨性、极硬地层的井下动力钻具。

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乔领良, 胡大梁, 肖国益
Qiao Lingliang, Hu Daliang, Xiao Guoyi
元坝陆相高压致密强研磨性地层钻井提速技术
ROP Improvement Technology for High-Pressure Terrestrial Tight Abrasive Formations in the Yuanba Gas Field
石油钻探技术, 2015, 43(05): 44-48
Petroleum Drilling Techniques, 2015, 43(05): 44-48.
http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.201505008

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收稿日期: 2015-01-09
改回日期: 2015-08-24

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