[收稿日期]2009 07 12 [作者简介]张伟(1967 ),男,1988年大学毕业,高级工程师,长期从事钻井工程技术管理和研究工作。
新型钟摆钻具组合防斜打快技术
及在风城011井的应用
张 伟,马登宝,杨 洪
(新疆油田分公司勘探公司,新疆克拉玛依834000) 孙展利,钟文建 (长江大学石油工程学院,湖北荆州434023)
[摘要]新疆油田准噶尔盆地西北缘地区二叠系的下乌尔禾组和夏子街组地层倾角大,最高可达60 ,易
井斜,地层可钻性较差。在该地区风城011井的上述2组地层,应用了带水力加压器、直螺杆和P DC 钻
头的新型钟摆钻具组合防斜快钻技术,该技术具有适应地层倾角范围大、防斜效果好、机械钻速和行程
钻速高、钻井周期短、井下钻柱事故风险低、钻井成本低等优点。应用结果表明,与邻井乌351的同层
段采用常规钟摆钻具技术相比,机械钻速提高1 90倍,行程钻速提高2 05倍,进尺工作时间减少
628 85h,缩短钻井周期26 2d,节约直接成本近百万元,井身质量也得到提高,取得了显著的技术经济
效益。
[关键词]钟摆钻具组合;钻井;钻速;防斜;水力加压器;螺杆;PDC 钻头;风城011井
[中图分类号]T E249[文献标识码]A [文章编号]1000 9752(2009)05 0321 03
高陡构造的防斜打快问题是钻井工程的技术难点。新疆油田准噶尔盆地西北缘地区二叠系的下乌尔禾组和夏子街组为砂砾岩与泥岩、砂质泥岩的频繁互层,地层倾角常常在40 以上,最高可达60 ,易井斜,地层可钻性较差。以往采用常规钟摆钻具防斜,井斜接近规定值时就轻压吊打,影响机械钻速和井身质量。也采用了动力学大钻压防斜打快技术,取得了一定的效果,但钻具弯曲较严重,钻头、钻具的寿命受到影响,且该技术只适合牙轮钻头。近两年在该地区的十几口探井采用了水力加压器来解放钻压、防斜打快,取得了良好的效果。风城011井是西北缘地区西部隆起乌夏断裂带上的一口评价井,设计井深4030m,2009年5月完钻。在以往水力加压器使用效果的基础上,该井进一步优化组合成熟技术,在下乌尔禾组和夏子街组,应用了带水力加压器、直螺杆和PDC 钻头的新型钟摆钻具组合防斜打快技术,获得了显著的技术经济效果。
1 防斜打快原理
在适合的地层使用螺杆钻具配合PDC 钻头钻进可显著提高机械钻速,缩短钻井周期,降低钻井成本。国外已将这项成熟技术广泛应用于各种类型的井,包括直井,并且取得了很好的经济效益。国内主要将这种技术应用于定向井、水平井、侧钻井等,还较少用于直井[1]。
直螺杆配合PDC 钻头在直井钻进时如何来防斜和降斜?钟摆钻具既具有较好的防斜能力,也具有一定的降斜能力,是应用得最为广泛的防斜和降斜组合之一,采用钟摆钻具组合是一个实用和可行的选择。
对于带直螺杆和PDC 钻头的钟摆钻具组合来说,其内在的钟摆钻具特性没有改变,但钻头转速和破岩能力得到显著提高,故在单位进尺下,其防斜和降斜能力可达到常规钟摆钻具的2倍以上[2]。而且,PDC 钻头适合于在高转速、低钻压条件下作业,这与钟摆钻具要求低钻压的条件一致。因此,这
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Journal of Oil and Gas Technology (J JPI) Oct 2009 Vol 31 No 5
种 复合 钟摆钻具组合技术是直井防斜打快的一种有效手段[3~5]。
水力加压器最早出现在上世纪90年代的欧美,开始主要用于解决大斜度井段和水平井段的均衡送钻问题,但人们很快就认识到这种加压方式相对钻铤加压的价值,并迅速在各种井的钻井中推广应用[6]。
图1 水力加压器工作原理示意图
水力加压器装在钻头或螺杆上部,是一个利用钻井液的
液压力来产生钻压的专用工具。它是一个典型的液缸 柱塞
装置(见图1),缸筒与上面的钻铤连接,有钻井液流道的
柱塞与钻头或螺杆连接。设开泵前柱塞在缸体内,开泵后,
钻井液在水力加压器、螺杆和钻头上的局部阻力 压力降作
用于水力加压器柱塞端面、螺杆和钻头内端面,产生轴向推
力,形成钻压,推动柱塞、螺杆和钻头下行,达到加钻压的
目的。其钻压大小与上述几部分压力降及其有效作用面积成
正比,柱塞与缸体可通过花键配合,以传递扭矩。
水力加压器的使用表明钻井加压方式有了根本的改变。
合理和有效地应用水力加压器可带来多方面益处。其一,通
过液缸 柱塞结构,开泵循环加压时,将其下螺杆和钻头与
上面的钻柱分离,在其柱塞的行程内,可提供一个恒定、可
控的钻压;其二,变钻铤机械刚性加压为水力柔性加压,能
起到减震器的作用,吸收钻头的冲击振动,有效减小钻头、螺杆、钻柱等的振动、冲击和疲劳,延长其寿命,改善其工作条件,减少井下钻具事故,提高钻头的机械钻速和行程钻速;其三,水力加压的反力就是钻柱内的钻井液压力,它均匀作用于钻柱内,不像钻铤机械加压的反力集中作用在下部钻铤上,故可显著减少下部钻具弯曲,相应减小钻头倾斜的增斜力,这也就增大了钟摆钻具的防斜力和降斜力,使组合水力加压器后的 复合 钟摆钻具防斜和降斜的能力再次得到提升,变得更强;其四,因为不需要钻铤来加钻压,故可大大减少钻铤用量,减轻大钩负荷和起、下钻时间,减少机械和钻井液水力能耗。
水力加压器与直螺杆和PDC 钻头组合,还可以避免螺杆钻具使用过程中由于钻压和扭矩波动过大导致的失速,可以充分利用螺杆钻具的压力降来加钻压,钻井水力能量得到充分利用;PDC 钻头对钻压波动敏感,与水力加压器配合可有效防止因过大振动掉齿而短命,保证PDC 钻头的作用能充分发挥。可以说,带水力加压器、直螺杆和PDC 钻头的 复合 钟摆钻具是直井复合钻防斜打快技术的一种最佳钻具组合。2 现场应用效果
在1138~2836m 的下乌尔禾组和夏子街组地层,风城011井采用的钻具组合为 311 2mmPDC 钻头+ 244 5m m 螺杆+ 244 5mm 水力加压器+ 228 6钻挺2根+ 310m m 扶正器+ 228 6mm 钻挺1根+ 139 7mm 加重钻杆5根+ 139 7mm 钻杆,仅用3根钻铤;钻压60~80kN 、转盘转速65~90r/m in 、泵压12~15MPa 、排量50~55L/s;采用钾钙基聚磺钻井液体系,钻井液的密度1 16~1 18g/cm 3
、漏斗粘度45~60s;共使用 311 2mm 的PDC 钻头2个;总进尺1698m,共用时360 0h (15d);纯钻时间225 0h,平均机械钻速7 55m/h;除去处理复杂时间50 0h,辅助时间8 1h,则从第1只钻头入井开始,到第2只钻头起出为止的进尺工作时间为301 9h,行程钻速5 62m/h 。
在1134~2849m 的下乌尔禾组和夏子街组地层,邻井乌351在1134~2057m 的 311 2mm 井段采用双稳定器钟摆防斜钻具组合: 311 2mm 钻头+ 228 6mm 钻铤2根+ 310mm 稳定器+ 228 6mm 钻铤1根+ 310mm 稳定器+ 228 6mm 钻铤2根+ 203 2m m 钻铤9根+ 177 8mm 钻铤9根+ 177 8mm 随钻震击器+ 177 8m m 钻铤3根+ 127mm 钻杆;在2057~2849m 的 215 9mm 井段采用单稳定器钟摆防斜钻具组合: 215 9m m 钻头+ 158 8mm 钻铤2根 322 石油天然气学报(江汉石油学院学报)2009年10月
