特定现场分析进一步说明钻头

特定现场分析进一步说明钻头

技术对改进钻井效益的作用

李玉山 郑桂荣 编译

李根生 审校

引 言

最近大规模的分析揭示了在1950～1989年间钻头性能的显著改进，尤其是近十年进步最快。新近的分析资料的结论是1989年和1995年间PDC和牙轮钻头直接降低钻井成本分别达35％和8％，当数据延伸到1996年（见图1）时，结果表明钻头技术的改进继续使成本下降，目前固定齿钻头使成本下降达到36％，牙轮钻头达到9％。图1中所引用的指数是由1989年正常情况下每0.3048米平均计算成本做为100而计算出来的，通过它得到每年下降的百分数。

本文报告了小现模和特定现场分析所得到的结果。这一系列研究结论从以下地区得出：北海的英国部分、加拿大阿尔伯达省Chickadee地区、哥伦比亚的Cusiana Buenes Aires油田、美国怀俄明州Wamsutter地区和俄克拉何马州Rogei Mills县。

分 析 方 法

使用寿命和钻速是两个性能指标，它们最终确定钻头影响钻井成本的程度。使用寿命用每只钻头进尺来衡量，钻速是每小时钻进多少米。从经济的角度来看，使用寿命确定需要换钻头而起下钻的次数，钻速则直接影响给定井段钻进所需钻时。这些因素一起或单独对钻井所需的钻机时间产生直接影响，因而影响钻井成本。

下面小型分析的基本方法包括提供给定时间段的每一目标区的钻头寿命和钻速的性能。在这期间，注意观察影响钻井性能的钻井参数和其它外部因素的变化，这样做是尽可能分离出钻头技术对钻井经济性改进的贡献。和最近大型分析一样，既考虑牙轮钻头，也考察金刚石（固定齿）钻头。

为了量化改进后的钻速和钻头寿命对每米钻井成本影响的程度，分别隔离两种因素进行分析比较，通过扩大如下定义的基本方程可以达到这个目的。

式中：Cd为钻井成本：Cb为钻头成本；Cr为钻机费用；Tc为起下钻时间；Tb为钻进时间；D为进尺。

通过以下两式定义Tt和Tb，包括钻头寿命（BL）和钻速（ROP）变量。

这里平均起下钻速度可假定为每小时304.8米。

这样扩大方程引出如下钻井成本方程：

通过考虑钻井方程的每个变量的偏微分取值，就可以分离钻头寿命和钻速变化时对钻井成本的影响，这就产生了如下的关系式：

给定钻头寿命或钻速的变化，每米钻井成本的相应变化就可以通过使用D、BL、ROP和每小时钻机成本的代表值来确定。

例如，假设钻头寿命和钻速从目前值增加10％，所有的其它因素保持恒定，就可能确定一个或两个参数对钻井成本的影响。使用以上方程和变量的代表值，可求得钻头寿命提高10％只减少每米总钻井成本的0.4％，而钻速增加10％减少总钻井成本8.9％。

假定的钻机费用对响应值有影响，因为钻机费用越高响应值也越大。但是通过合理范围的值进行计算，证实钻速对钻井成本的影响比钻头寿命高一个数量级。因此，合乎情理地推测降低钻井总成本的努力最好是集中在提高钻速的技术上来完成。

其它对响应值影响的因素是井深，由于起下钻时间的增加，井越深钻头寿命的影响越大。可是即使在深井中，钻头寿命的影响与钻速相比相对来说仍然较小。

实例和结果

下面小规模（特定区域）的实例证实了大规模资料分析所得出的改进结论。

1．英国北海

英国北海是高成本和高技术钻井环境，那里新技术容易被接受。在这种环境里，钻井效率对整个钻井费用的影响是主要的。

对1991～1993年和1995～1996年两个时期的性能数据进行考察和比较，用40.64mm～444.5mm、311.2mm和215.9mm井眼尺寸把钻头性能数据进行分类，分别考察牙轮和PDC钻头应用情况。

总的来说，在1995～96年间平均每只钻头的进尺比以前时期增加23％，达到345.03m，同期钻速平均增加24％，达到13.72％m／hr，所有的其它因素相等，钻头寿命的改进降低整个钻井费用约1％，而钻速的增加减少费用约20％，这就实实在在地验证钻速对成本的影响比钻头寿命大得多。

考察这两个时期该地区的钻井活动便变得更加需要了。如今，典型的井眼轨迹随着更大斜度和更长的延伸井的出现而变得越复杂了。随着改进后的顶部驱动和更高扭矩、转速的井下马达的应用，钻头趋向于在更高转速和钻压下运行。在英国北海地区，尽管水基泥浆仍占主要地位，但是，常规的油基泥浆正在让位给假塑性泥浆。不像前期（1991～93）那样，在215．9mm水平井段更常用碳化钨镶齿牙轮钻头（TCI）。

总的来说，这些变化为钻头造成了更困难和更急需改进的环境，从而，使提供的性能改进资料更加引入注意。

进一步比较两个时期的情况可以看出，北海地区许多钻头设计的改进已经显著改善了钻头性能，包括：（1）牙齿设计和碳化物品质的改进使TCI钻头具有更有效的切削结构。（2）TCI和钢齿钻头都采用可承受大钻压的新型轴承套。（3）在牙轮钻头上进一步应用金刚石保径，并改进切削结构。（4）改进钢齿钻头的硬化面。（5）在钢齿钻头上整体改进牙齿设计和布置。（6）在PDC钻头上采用更耐久和抗碎的切削刃。（7）改进PDC钻头的水力设计。（8）PDC钻头有更好的动态稳定性。（9）改进PDC钻头设计以允许在更高的牙齿密度下采用较高的转速。

2．加拿大Chickadee地区

Chickadee地区与英国北海地区有鲜明的对比，就在于它是一个低成本钻井环境，不管怎样，过去十年钻井性能的改进还是很引人注目的。典型井是由上部深达大约1850米的白垩纪泥页岩组成，其下是侏罗纪石灰岩和密西西比白云岩和石灰岩。1987年的典型井要用2只349.3mm IADC517碳化钨镶齿钻头和1只222.3mmIADC537碳化钨镶齿钻头。由于应用更耐久的设计及技术，今天的全井段钻进只用2只钢齿钻头。

典型的表层井眼用1只311.2mm IADCll4钢齿钻头，下部井眼用一只200mm

IADCll7钢齿钻头从表层套管下一直钻完井深。平均来说，钻速增加30％，整个钻时从158小时大幅度地降低到121小时，钻头寿命相应地增加200％，平均性能的增加转换成整个钻井费用降低可达25％。

与英国北海不同，他们只在钻井参数上做了较小的调整，主要是转速提高了大约25％，泥浆密度和类型（水和胶体）、钻机能力和其它钻井参数基本一致，这使人得出的结论主要是由于使用钻头的改进。

促使性能改善的特定钻头改进包括更耐久的钢齿硬化、保径材料和设计的改进、保径齿排的结构和轴承套。

3．哥伦比亚Cusiana Buenos Aires油田

高的构造力和高研磨地层使该地区成为世界上最难钻井的环境之一。根据断层的复杂性和地层倾角的影响，每口井的特点都不一样，因此，即使可能的话，也难于描述一口“典型井”。

近些年来，哥伦比亚主要操作者在该地区一直努力改进钻井效率。在钻井实践中的变化主要是钻头技术的改进，以对付现场环境中的不利因素。

钻井性能的所有改进按大平均包含在资料分析中，考察最大可能的取样，可以得出这样的假设，就是与钻井困难相联系的不可控因素（岩石力学方面的变化，如地层倾角、构造应力）将可以抵消，这样能做出有效的结论。从统计上来说，PDC钻头的样本数据比牙轮钻头的多得多，因而，前者的结果显得更重要些。

因为有细致的钻井优化，所以，把1995至1996年做为比较的时期。为了研究起见，集中在444．5mm和311.2m的井段，但是，有些观察是针对全井的。在这些井中，相当多的时间是花在泥浆调整、划眼和循环上，在这些场合中所使用钻头从分析中抽去，只留下那些实钻新井眼的钻头。

数据表明两年中钻井性能显著改进，在444.5mm井段平均PDC钻头进尺增加26％，在311.2mm井段段增加49％，而在444.5mm井眼中PDC钻头平均钻速增加41％，311.2mm井眼中增加30％。

牙轮钻头性能改进更为明显，但是，这只是依据较小量的取样，后期大多数情况下归因于选择性应用场合。

加大性能改进力度使平均每口井所需钻头的平均数量显著下降。1995年完成一口井所需钻头平均48.3只；做为比较，1996年每口井只用21.5只。再则，一定要注意到这只是包括了钻新井的钻头，整个所用的钻头还要少得多。 对于目的层井段，改进性能可转换成在444．5mm井段费用节省大约38％，在311．2mm井段节省29％。

前面所提及的钻井效率改善的主要因素归因于良好的钻井实验，钻头的改进有重要作用。例如，在1995～96年间，操作者改变了井下钻具组合和减弱钻头振动，并且，改变钻井方法减少以前经常发生的花费昂贵的阻卡事故，使用油基钻井液变得更为常见，而水基钻井液只用在井眼轨迹一定且复杂性和地层倾角都合适的场合。

尽管成本降低的原因部分是修正钻井实践的结果，但是，钻头设计改进的目的是把钻头技术与各自的应用场合良好地结合起来，这样的方法贡献更大。该地区定做钻头的主要设计特别是为444.5mm井段的设计着重防空转的PDC钻头。设计的标准有两条：一是钻头应有足以钻穿其下四分之一井段的硬研磨砂岩的耐久性；二是拥有能足以清洁井段上部一半软、粘的泥石层的水力参数。

应用的其它重要钻头技术包括：（1）使用更耐久的PDC切削材料；（2）改进PDC水力设计；（3）有更好的动态稳定性的PDC钻头设计；（4）改进PDC钻头设计允许在较高切削齿密度下的较高钻速；（5）在牙轮钻头上增加使用金刚石保径和改进切削结构；（6）改进牙轮的牙齿设计和布局。

应坦然地承认并非所有的性能改进都来源于钻头的变化，但是，结论进一步肯定，通过与操作者密切合作把新近的钻头技术与钻井应用更好地结合起来，就会对钻井性能改善产生重大贡献。

4．美国怀俄明州Wamsutter地区

考察1992～1996年间的数据，证明了钻井效率的改进主要归功于钻头的设计和选择。

根据特定的区域，典型井钻至井深2743.2m～3017.5m，虽然该区域的地层可钻性大致相同，但是，在该地区北部井深更深些，这些井的岩石主要是硬而带砂岩夹层的砂岩和页岩，其抗压强度超过172.375MPa。

整个四年期间钻井实践活动一直保持恒定，正常情况时在表层套管以下井段至总井深采用低速、高扭矩正容积马达，做为提高钻速和延长钻杆寿命的手段。再则，典型井用水基泥浆来钻，随着井深的加深，泥浆密度只是稍有加大。

1992年的代表井用7只牙轮和1只PDC钻头，平均需要229个钻时，而1996年典型井平均只用2～3只牙轮和1只PDC钻头，平均钻时下降到150小时，钻时下降表现为平均钻速增加4％，相应的钻头寿命增加200％，所有的其它因素恒定，效率改进可转换成整个钻井成本降低平均在40％左右。牙轮钻头的钻速提高和寿命延长直接归因于钢齿硬化和切削结构的改进。

关于该地区PDC钻头的特别变化包括更耐久的切削材料和提高钻速的高密度的切削齿布局。当下入正容积泥浆马达带PDC钻头时，水力设计的变化可以使操作者优化可用的水力能量。

5．美国俄克拉何马州Roger Mills具

这是一个成熟的具有很长钻井历史的地区，过去的年月里钻井几乎没有什么变化，在1990和1996年钻井性能的改善相对较小。

分析1990年所钻典型井的数据，并与1996年相同区域内所钻的典型井相比较。那个时期在传统套管程度上变化相对较小，在311．2mm井段以下井径在222.3mm到200．0mm，完井用120.7mm井眼。1990年，典型的裸眼井用152．4mm井眼完井。总体上来说，那个时期钻井环境一直保持相对稳定，所需钻头数从11个下降到10个，平均钻速从6.28m／hr增加到6．74m/hr，稍高于7％，性能改善转