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        龍鳳山氣田中基性火山巖鉆井提速提效技術(shù)

        2020-12-21 03:58:22黃乘升

        摘? ?要: 針對(duì)龍鳳山氣田下部火石嶺組中基性火山巖儲(chǔ)層鉆井機(jī)械鉆速慢、鉆井周期長(zhǎng)的難題,開展鉆井提速提效技術(shù)研究。對(duì)金剛石復(fù)合片(PDC)鉆頭復(fù)合片側(cè)傾角、鉆頭出露高度、鉆壓設(shè)定及測(cè)定方法等進(jìn)行調(diào)整,形成優(yōu)化的巖石可鉆性級(jí)值評(píng)價(jià)方案;結(jié)合工區(qū)工程地質(zhì)條件、巖石破碎機(jī)理和破巖鉆頭應(yīng)用特點(diǎn),對(duì)原有鉆井技術(shù)的適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)價(jià),形成適用于火山巖儲(chǔ)層的、鉆頭和螺桿性能適合各個(gè)井段的鉆井提速提效技術(shù)。在以滑動(dòng)鉆進(jìn)為主的井段,采用牙輪—PDC混合鉆頭,在以滾動(dòng)鉆進(jìn)為主的井段,采用PDC鉆頭,并配套等應(yīng)力螺桿進(jìn)行鉆井提速。技術(shù)應(yīng)用后,單只鉆頭平均進(jìn)尺提高35.11%,機(jī)械鉆速提高25.35%。

        關(guān)鍵詞: 龍鳳山氣田;火山巖;巖石可鉆性級(jí)值;鉆井提速提效;金剛石復(fù)合片(PDC);鉆頭平均進(jìn)尺

        中圖分類號(hào):TE242? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A? ? 文章編號(hào):2095-8412 (2020) 05-125-07

        工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL: http://gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI: 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.05.023

        引言

        龍鳳山氣田位于吉林省長(zhǎng)春市西北方向約120 km、長(zhǎng)嶺縣西南方向約20 km處的前七號(hào)鎮(zhèn)。構(gòu)造上,該氣田位于松遼盆地長(zhǎng)嶺斷陷龍鳳山鼻狀構(gòu)造帶,本區(qū)儲(chǔ)層主要為火石嶺組中基性火山巖。通過近五年的研究及探索,在龍鳳山工區(qū)上部碎屑巖地層,有效的鉆完井配套工藝技術(shù)已經(jīng)形成,鉆井機(jī)械鉆速慢、鉆井周期長(zhǎng)等問題得以解決[1-3];在工區(qū)下部的火石嶺組中基性火山巖儲(chǔ)層,地層平均進(jìn)尺為1 239 m,占全井的30%,鉆井周期為38 d,占全井的61%(不包含完井時(shí)間),是鉆井提速的重點(diǎn)井段,但地層研磨性強(qiáng)、可鉆性較差,使得機(jī)械鉆速偏低,目前尚無對(duì)該儲(chǔ)層的針對(duì)性研究。

        為此,本文以龍鳳山工區(qū)下部火石嶺組中基性火山巖為研究對(duì)象,以地層巖石可鉆性為依據(jù),結(jié)合巖石破碎機(jī)理和破巖鉆頭應(yīng)用特點(diǎn),完成現(xiàn)有技術(shù)的適應(yīng)性評(píng)價(jià),進(jìn)而形成了火山巖配套提速提效關(guān)鍵技術(shù),為其他相似工程地質(zhì)條件下的鉆井提速提效提供有益借鑒。

        1? 地層巖石可鉆性研究

        準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)地層巖石可鉆性級(jí)值,對(duì)優(yōu)選鉆頭等配套工具、提高地層層段的機(jī)械鉆速具有重要意義。地層巖石可鉆性級(jí)值可通過實(shí)驗(yàn)方法確定[4-6]。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn),本文在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)方法[7]的基礎(chǔ)上為可鉆性級(jí)值高于7級(jí)的地層提出一種新方案,基礎(chǔ)數(shù)據(jù)精確度更高,鉆頭選型指導(dǎo)意義更強(qiáng)。

        1.1? 原實(shí)驗(yàn)方法主要存在的問題

        (1)金剛石復(fù)合片(PDC)測(cè)試鉆頭復(fù)合片側(cè)傾角為15°不合理。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn):未鉆達(dá)規(guī)定深度前,PDC側(cè)面與巖石存在干涉現(xiàn)象。如圖1a所示,PDC側(cè)面會(huì)承擔(dān)部分鉆壓,使得鉆頭的實(shí)際鉆壓低于規(guī)定鉆壓,鉆進(jìn)越深,干涉越嚴(yán)重,對(duì)于高強(qiáng)度巖石,通常難以鉆達(dá)規(guī)定深度,影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外,凹臺(tái)會(huì)在一定程度上發(fā)生破壞,如圖1b所示。

        (2)PDC安裝后外凸出鉆頭體的尺寸是44 mm不合理。該尺寸正好是實(shí)驗(yàn)規(guī)定鉆深,會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

        (3)原實(shí)驗(yàn)沒有規(guī)定PDC的切削刃倒角參數(shù)。實(shí)驗(yàn)研究表明,該參數(shù)對(duì)巖石可鉆性測(cè)試結(jié)果影響顯著。

        (4)根據(jù)巖石可鉆性測(cè)定方法,原實(shí)驗(yàn)中PDC鉆頭分?jǐn)偟矫總€(gè)PDC的平均鉆壓僅為250 N,低于中硬巖石的“門限鉆壓”,常常出現(xiàn)PDC無法有效壓入巖石的問題,導(dǎo)致其長(zhǎng)時(shí)間在鉆窩里打滑,不能鉆達(dá)規(guī)定鉆深,使得巖石可鉆性級(jí)值測(cè)試結(jié)果偏高。

        1.2? 新實(shí)驗(yàn)方法主要改進(jìn)措施

        (1)PDC鉆頭復(fù)合片側(cè)傾角由15°減少到5°。經(jīng)過模型構(gòu)建與模擬計(jì)算分析,在側(cè)傾角為55°、后傾角為20°的情況下,在鉆達(dá)44 mm鉆深之前,PDC始終處于正常切削狀態(tài),復(fù)合片內(nèi)側(cè)面和外側(cè)面均不會(huì)與巖石接觸,不會(huì)分配鉆壓。

        (2)將PDC測(cè)試鉆頭的PDC在安裝后高出鉆頭本體的出露高度由4 mm調(diào)整至5 mm。

        (3)將500 N固定鉆壓優(yōu)化為3級(jí)鉆壓。1級(jí)鉆壓(500 N),2級(jí)鉆壓(1 000 N),3級(jí)鉆壓(2 000 N),滿足不同強(qiáng)度試樣測(cè)定要求。

        (4)修改鉆壓測(cè)定方法。對(duì)于測(cè)定試樣,首先采用第1級(jí)鉆壓測(cè)定,如果128 s以內(nèi)未鉆達(dá)規(guī)定深度,則采用第2級(jí)鉆壓測(cè)定;如果第2級(jí)鉆壓下128 s以內(nèi)未鉆達(dá)規(guī)定深度,再采用第3級(jí)鉆壓測(cè)定;如果第3級(jí)鉆壓下128 s以內(nèi)仍未鉆達(dá)規(guī)定深度,則測(cè)試終止。按照確定的測(cè)試鉆壓,測(cè)試三次以上。

        1.3? 巖石可鉆性級(jí)值實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果

        對(duì)北213井3 521~3 524 m井段、北216井3 677~3 681 m井段進(jìn)行巖心取樣,通過TerraTek巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試儀、巖石可鉆性測(cè)試儀開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)。對(duì)7塊全直徑巖心、牙輪鉆頭和PDC鉆頭進(jìn)行了一共21組可鉆性實(shí)驗(yàn),檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

        2? 現(xiàn)有技術(shù)地層適應(yīng)性評(píng)價(jià)

        2.1? PDC鉆頭適應(yīng)性評(píng)價(jià)

        PDC鉆頭利用剪切方式破巖,在適應(yīng)地層中具有機(jī)械鉆速快、進(jìn)尺高、鉆壓較小的特點(diǎn),但是PDC鉆頭的金剛石層只有2 mm左右,金剛石含量較低。如圖2所示的PDC鉆頭破巖分析,對(duì)于高研磨性地層來說,PDC鉆頭的復(fù)合片容易脆裂并磨損失效,使其壽命短、進(jìn)尺低。

        龍鳳山氣田火石嶺組可鉆性較好,PDC鉆頭可鉆性級(jí)值主要分布在5級(jí)左右,且地層含礫情況不突出、研磨性不高,現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)過程中未出現(xiàn)明顯憋跳鉆現(xiàn)象,PDC的磨損基本為正常磨損。

        統(tǒng)計(jì)了北213和北216兩個(gè)井區(qū)中基性火山巖PDC鉆頭應(yīng)用情況,如表2所示??梢钥闯?,PDC鉆頭在龍鳳山中基性火山巖適應(yīng)性很好,單只鉆頭平均進(jìn)尺412.8 m,平均機(jī)械鉆速4.34 m/h。

        2.2? 牙輪—PDC混合鉆頭適應(yīng)性評(píng)價(jià)

        牙輪—PDC混合鉆頭同時(shí)發(fā)揮PDC鉆頭具有優(yōu)勢(shì)的切削破巖機(jī)理及牙輪鉆頭特有的沖擊破碎機(jī)理。牙輪切削齒形成不連續(xù)的齒坑,對(duì)巖石產(chǎn)生預(yù)破碎;PDC切削齒通過切削作用,將牙輪切削齒形成的不連續(xù)的齒坑連通,從而形成完整的破碎環(huán)帶,使得混合鉆頭在硬塑性地層中具有較高的機(jī)械鉆速[8-9]?;旌香@頭破巖機(jī)理分析如圖3所示。

        混合鉆頭鉆遇硬夾層時(shí),扭矩波動(dòng)平穩(wěn)程度明顯好于PDC鉆頭,較小的扭矩波動(dòng)可保持井底工具運(yùn)行相對(duì)平穩(wěn),同時(shí)提高鉆頭操控性,有助于工具面穩(wěn)定,適合在軟硬交錯(cuò)頻繁的地層及定向作業(yè)中應(yīng)用。

        龍鳳山水平井定向段混合鉆頭和PDC鉆頭的使用指標(biāo)對(duì)比如表3所示。龍鳳山水平井定向段混合鉆頭單只平均進(jìn)尺302 m,平均機(jī)械鉆速4.09 m/h;PDC鉆頭單只平均進(jìn)尺167.8 m,平均機(jī)械鉆速3.03 m/h。在水平井定向段,混合鉆頭進(jìn)尺較PDC鉆頭提高79.98%,機(jī)械鉆速較PDC鉆頭提高34.98%。

        龍鳳山中基性火山巖水平井造斜段深度主要在3 100~3 600 m。根據(jù)表4進(jìn)行計(jì)算可知,采用混合鉆頭,造斜段單井周期較PDC鉆頭縮短2.5 d,投資較PDC鉆頭節(jié)約27.1 萬元。

        在龍鳳山中基性火山巖直井段,混合鉆頭和PDC鉆頭的使用指標(biāo)對(duì)比如表5所示?;旌香@頭單只平均進(jìn)尺234.6 m,平均機(jī)械鉆速3.68 m/h;PDC鉆頭單只平均進(jìn)尺545.2 m,平均機(jī)械鉆速6.02 m/h。在直井段,PDC鉆頭進(jìn)尺較混合鉆頭提高1.32倍,機(jī)械鉆速較混合鉆頭提高63.59%。因此在直井段,混合鉆頭的使用效果不如PDC鉆頭。

        在龍鳳山中基性火山巖水平段,混合鉆頭和PDC鉆頭的使用指標(biāo)對(duì)比如表6所示?;旌香@頭單只平均進(jìn)尺347 m,平均機(jī)械鉆速4.49 m/h;PDC鉆頭單只平均進(jìn)尺408.25 m,平均機(jī)械鉆速4.5 m/h。因此在水平段,PDC鉆頭進(jìn)尺較混合鉆頭提高17.58%,機(jī)械鉆速基本持平。

        2.3? 綜合適應(yīng)性分析

        通過對(duì)PDC鉆頭和牙輪—PDC混合鉆頭的破巖機(jī)理以及鉆頭應(yīng)用情況對(duì)比,在本區(qū)目前常用的提速提效技術(shù)中,對(duì)直井、定向井穩(wěn)斜段和水平井水平段采用PDC鉆頭提速效果最佳,對(duì)造斜段采用牙輪—PDC混合鉆頭提速效果最佳。

        3? 高效鉆頭及動(dòng)力鉆具優(yōu)選

        3.1? 高效鉆頭優(yōu)選

        根據(jù)中基性火山巖室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果、破巖原理以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果,聚焦于PDC鉆頭的應(yīng)用,得到PDC鉆頭主體結(jié)構(gòu)、可鉆性與地層的對(duì)應(yīng)關(guān)系,如圖4所示。

        3.2? 動(dòng)力鉆具優(yōu)選

        目前,與PDC鉆頭配套的常用輔助破巖工具有扭力沖擊器、螺桿鉆具、等壁厚螺桿鉆具以及等應(yīng)力螺桿。

        在龍鳳山工區(qū)復(fù)合鉆進(jìn)過程中,由于扭矩平穩(wěn),無明顯粘滑現(xiàn)象,因此扭力沖擊技術(shù)提速優(yōu)勢(shì)不明顯,其相較于螺桿鉆進(jìn),輸出轉(zhuǎn)速反而降低,適應(yīng)性不強(qiáng)。

        螺桿鉆具通過將鉆井液的水動(dòng)力轉(zhuǎn)化成額外的轉(zhuǎn)速提供給PDC鉆頭,再輔以轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速,使PDC鉆頭能夠在200 r/min以上的較高轉(zhuǎn)速下進(jìn)行工作,既低于目前PDC鉆頭極限轉(zhuǎn)速300 r/min,不使鉆頭快速磨損,又能提供較高的動(dòng)力,發(fā)揮出高速剪切破巖的優(yōu)勢(shì)。龍鳳山氣田鉆井主要采用該項(xiàng)技術(shù),在以往PDC配合螺桿的復(fù)合鉆井基礎(chǔ)上提速10%。

        等壁厚螺桿的基本結(jié)構(gòu)與普通螺桿相同,在普通螺桿的基礎(chǔ)上,馬達(dá)定子被加工成與配套轉(zhuǎn)子相同的螺旋槽。如圖5所示,橡膠與定子內(nèi)表面的粘接面積增加了50%以上,與常規(guī)螺桿相比具有穩(wěn)定性好、扭矩大、轉(zhuǎn)速高、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)[10]。

        等應(yīng)力螺桿[11-12]利用流固耦合技術(shù)建立等應(yīng)力預(yù)輪廓螺桿馬達(dá)。如圖6所示,該馬達(dá)在等壁厚馬達(dá)橡膠應(yīng)力幅值大的部位適當(dāng)增大壁厚,降低該部位的應(yīng)力幅值,從而提高定子的疲勞壽命。改進(jìn)后,應(yīng)力極差降低28%,應(yīng)力幅值降低44%。

        三種螺桿鉆具主要機(jī)械參數(shù)如表7所示。通過對(duì)比能夠得出:在轉(zhuǎn)速、工作扭矩、最大扭矩以及功率這四個(gè)參數(shù)方面,常規(guī)螺桿鉆具性能最低,等應(yīng)力螺桿性能最高。

        對(duì)于龍鳳山氣田二開311.2 mm井眼,其平均進(jìn)尺在1 900 m左右,普通螺桿性能參數(shù)較低,單只螺桿鉆進(jìn)深度一般在1 700 m左右,需要增加1趟起下鉆。針對(duì)這一情況,于北203井實(shí)驗(yàn)應(yīng)用等壁厚螺桿技術(shù),進(jìn)尺1 850 m完成二開,成功實(shí)現(xiàn)1趟鉆的完鉆。螺桿出井后,壓降變化不大,可繼續(xù)入井使用。

        在北213-6HF井對(duì)等應(yīng)力螺桿進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),與常規(guī)螺桿鉆進(jìn)速度對(duì)比如表8所示。普通螺桿配套PDC 鉆頭平均進(jìn)尺412.8 m,純鉆時(shí)間95.1 h,機(jī)械鉆速達(dá)到4.34 m/h。等應(yīng)力螺桿配套PDC鉆頭進(jìn)尺558 m,入井時(shí)間102.5 h,機(jī)械鉆速達(dá)到5.44 m/h,進(jìn)尺較普通螺桿配套PDC鉆頭提高35.11%,機(jī)械鉆速較普通螺桿配套PDC鉆頭提高25.35%。由于等應(yīng)力螺桿配套PDC鉆頭在鉆達(dá)設(shè)計(jì)中從井深起鉆,使得等應(yīng)力螺桿入井僅耗時(shí)102.5 h,且井口試運(yùn)轉(zhuǎn)正常,故仍可再次入井使用。

        5? 結(jié)論與建議

        本文針對(duì)龍鳳山工區(qū)下部火石嶺組中基性火山巖機(jī)械鉆速慢的難題,開展了鉆井提速提效技術(shù)研究。以可鉆性為依據(jù),結(jié)合巖石破碎機(jī)理和破巖鉆頭應(yīng)用特點(diǎn),完成了現(xiàn)有技術(shù)適應(yīng)性評(píng)價(jià),得到了以下結(jié)論及建議:

        (1)對(duì)原實(shí)驗(yàn)方法得到的可鉆性級(jí)值高于7級(jí)的地層,采用新實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),得到了新的地層巖石可鉆性等級(jí),基礎(chǔ)數(shù)據(jù)精確度更高,鉆頭選型指導(dǎo)意義更強(qiáng)。

        (2)對(duì)于龍鳳山氣田中基性火山巖地質(zhì)條件而言,在以滑動(dòng)鉆進(jìn)為主的井段,宜采用牙輪—PDC混合鉆頭,在以滾動(dòng)鉆進(jìn)為主的井段,宜采用PDC鉆頭,并配套等應(yīng)力螺桿進(jìn)行鉆井提速提效。

        (3)后續(xù)建議在造斜段采用牙輪—PDC混合鉆頭配套等應(yīng)力螺桿進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步完善鉆井提速提效配套技術(shù)適應(yīng)性評(píng)價(jià)。

        基金項(xiàng)目

        中國(guó)石化科技部項(xiàng)目:龍鳳山氣田鉆完井提速提效工藝技術(shù)研究(編號(hào)P15109)。

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        作者簡(jiǎn)介:

        黃乘升(1973—),通信作者,男,江蘇鎮(zhèn)江人,中石化華東石油工程有限公司六普鉆井公司經(jīng)理。研究方向:鉆井工程技術(shù)與管理。

        E-mail: 183700731@qq.com

        (收稿日期:2020-07-27)

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