刀翼式孕镶金刚石钻头设计及在哈山101井的应用

张进双, 张增宝, 王学才

张进双, 张增宝, 王学才. 刀翼式孕镶金刚石钻头设计及在哈山101井的应用[J]. 石油钻探技术, 2019, 47(5): 57-61. DOI: 10.11911/syztjs.2019083
引用本文: 张进双, 张增宝, 王学才. 刀翼式孕镶金刚石钻头设计及在哈山101井的应用[J]. 石油钻探技术, 2019, 47(5): 57-61. DOI: 10.11911/syztjs.2019083
ZHANG Jinshuang, ZHANG Zengbao, WANG Xuecai. The Design of Blade Type Diamond-Impregnated Bit and It’s Application in Well Hashan 101[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2019, 47(5): 57-61. DOI: 10.11911/syztjs.2019083
Citation: ZHANG Jinshuang, ZHANG Zengbao, WANG Xuecai. The Design of Blade Type Diamond-Impregnated Bit and It’s Application in Well Hashan 101[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2019, 47(5): 57-61. DOI: 10.11911/syztjs.2019083

刀翼式孕镶金刚石钻头设计及在哈山101井的应用

基金项目: 国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”之课题“海相碳酸盐岩超深油气井关键工程技术”(编号:2017ZX05005-005)资助
详细信息
    作者简介:

    张进双(1973—),男,河北唐山人,1996年毕业于西北工业大学机械电子专业,2003年获石油大学(北京)油气井工程专业博士学位,高级工程师,主要从事超深井钻井技术研究、风险探井工程设计和现场技术服务工作。E-mail:zhangjs.sripe@sinopec.com

  • 中图分类号: TE921+.1

The Design of Blade Type Diamond-Impregnated Bit and It’s Application in Well Hashan 101

  • 摘要:

    为提高准噶尔盆地哈山区块火山岩地层机械钻速、增大单只钻头进尺、降低井眼失稳掉块卡钻风险,设计了刀翼式孕镶金刚石钻头。在分析地层岩石的力学特性的基础上,研发了新型胎体合金材料,以提高钻头研磨性;镶嵌孕镶切削块,以增强钻头破岩能力;优化设计了刀翼式孕镶金刚石钻头的结构和防卡流道,防止钻头卡死。研究发现,超细合金材料相互联结成键、牢固烧结,钻头胎体力学性能提高30%以上。刀翼式孕镶金刚石钻头配合高速大扭矩螺杆钻具在哈山101井火山岩地层进行了应用,单只钻头进尺增大4倍,机械钻速提高54.3%。研究结果表明,刀翼式孕镶金刚石钻头可以降低掉块卡钻风险,可实现火山岩地层安全高效钻进。

    Abstract:

    In order to improve the ROP in the volcanic rock formation of the Hashan Area in Junggar Basin, increase the footage of single drill bit, and reduce the risks of wellbore instability and caving, the bit design for rapid drilling was carried out. The mechanical performance of the formation rock was analyzed by a full-scale coring indoor test. On this basis, a new matrix alloy material was developed to improve the grinding performance of the bit. Then, the impregnated cutting block was used to enhance the rock breaking ability, and the blade-type impregnated bit structure and the anti-sticking flow path were optimized. The caving falling into the oblique chip flute could be pushed upward to prevent the bit from being stuck. It was found that the ultra-fine alloy materials could be bonded to each other to form a firm adhesion, and the mechanical performance of bit matrix improved by more than 30%. The blade-type impregnated drill bit was used in the volcanic rock formation of Well Hashan 101 associated with a high-speed and high-torque screw power drill, the single bit footage was increased by 4 times and the ROP was increased by 54.3%. This technology also effectively reduced the risk of caving and sticking, and became an effective technical measure for safe and efficient drilling in such formations.

  • 南海莺琼盆地的主要目的层为黄流组二段,构造面积大、砂体厚度大,地层温度高达200 ℃,地层压力系数大于2.3,水深90.00 m。目前,该盆地高温高压井完钻井深4 200.00~4 500.00 m,一般采用五开井身结构:一开,采用ϕ914.4 mm钻头钻进,下入ϕ762.0 mm套管;二开,采用ϕ660.4 mm钻头钻进,下入ϕ508.0 mm套管;三开,采用ϕ444.5 mm钻头钻进,下入ϕ339.7 mm套管;四开,采用ϕ311.1 mm钻头钻进,下入ϕ244.5 mm套管;五开,采用ϕ212.7 mm钻头钻进,裸眼完井。钻进黄流组二段地层时井漏频发,漏失量大,堵漏难度大,堵漏成功率低,严重影响了莺琼盆地的勘探开发进程[1-2]。国内外针对高温高压井的漏失机理尚未认识清楚,没有有效的堵漏手段,堵漏效果差。多年钻井实践及研究表明,莺琼盆地地层的安全密度窗口极窄,钻进过程中产生的激动压力极易超过地层漏失压力,且在高压下易产生诱导裂缝[3-7]。常用堵漏材料抗高温能力差,在高温条件下易碳化,且很难准确掌握高压诱导裂缝的尺寸,造成堵漏材料对诱导裂缝的适应性差,导致堵漏成功率低,复漏频发。为此,笔者在分析莺琼盆地地层漏失原因的基础上,优选抗高温堵漏材料,针对诱导性裂缝的特点,将抗高温刚性堵漏材料与弹性堵漏材料复配,形成了适用于高温高压井的堵漏浆。该堵漏浆在莺琼盆地10口高温高压井进行了应用,堵漏成功率得到显著提高,堵漏效果较好。

    莺琼盆地从上至下依次钻遇乐东组、莺歌海组和黄流组地层,其中乐东组及莺歌海组地层岩性以灰色厚层状泥岩、粉砂质泥岩为主,厚度超过2 000.00 m,为天然良好盖层。目的层黄流组地层岩性为浅灰色中砂岩、细砂岩、粉砂岩和灰色泥岩,且砂岩与泥岩呈不等厚互层。莺琼盆地底部发育大型泥–流体底辟构造,且成群成带分布,在快速沉积、大型泥–流体底辟作用及热流体活动共同作用下,底辟带形成了高温高压环境,造成地层压力抬升快、台阶多,莺歌海组地层压力系数自垂深2 000.00 m由1.0迅速升至2.0,黄流组局部地层压力系数超过2.3,同时地层温度高达200 ℃[8];同时,黄流组砂层薄弱,承压能力低,导致目的层安全密度窗口极窄。莺琼盆地部分高温高压井目的层井段的安全密度窗口统计结果见表1

    表  1  莺琼盆地高温高压井目的层井段安全密度窗口统计结果
    Table  1.  Statistical result of safety density windows of HTHP wells in the Yingqiong Basin
    井名井眼直径/mm地层温度/℃漏失压力当量密度/(kg·L–1地层压力系数安全密度窗口/(kg·L–1
    LD161-A212.71852.302.270.03
    LD101-B212.71882.282.270.01
    LD102-A212.71882.372.260.11
    LD101-C212.71942.392.260.13
    LD103-A212.71882.402.280.12
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    表1可以看出,目的层井段安全密度窗口在0.10 kg/L左右,部分井几乎无安全密度窗口。钻井过程中,起下钻速度、排量、转速等变化产生的激动压力极易超过上层套管鞋及薄弱层的漏失压力,造成井漏。

    莺琼盆地目的层渗透率为0.1~5.0 mD,泥质含量较高,部分井段地层泥质含量高达59%。井壁成像测井结果显示,目的层井壁发育诱导裂缝,诱导裂缝宽且长。这是由于井下存在着各种应力,高温高压井眼内钻井液液柱压力大,将在井壁最大主应力方向上产生足以使井壁发生张性破裂的张应力,从而产生诱导裂缝,钻井液在压差作用下通过诱导裂缝进入地层,加上目的层井段地层泥质含量高,导致诱导裂缝进一步扩大、延伸,进而引发井漏[9-11]

    由于莺琼盆地高温高压井目的层井段安全密度窗口窄,同时井底温度高,要求所使用的堵漏材料与其他钻井液添加剂配伍性好,不能影响高密度钻井液的性能,以避免因钻井液性能变化引起激动压力过大,导致井漏进一步恶化;同时,要求堵漏材料抗温能力强,避免在高温环境下失效。

    为有效封堵诱导裂缝,采用刚性堵漏材料及弹性堵漏材料相结合的方式:首先选用高强度刚性材料在诱导裂缝端部架桥,再选用具有高压缩性、能够自适应不同尺寸及不同形状裂缝形态的弹性堵漏材料,在压力作用下充填在诱导裂缝根部及端部空隙中,形成致密封堵层,以阻止诱导裂缝进一步延伸扩大,提高地层承压能力。

    目前大部分堵漏材料在温度超过180 ℃时容易碳化,造成其强度降低。经过大量试验筛选出了刚性堵漏材料高硬度果壳粉DXD和抗高温弹性堵漏材料弹性石墨TXD。果壳粉DXD和石墨TXD在200 ℃下老化前后的粒度分布如图1所示。从图1可以看出,经过200 ℃老化后,DXD和TXD的粒度分布与老化前相差不大。高温老化前,DXD和TXD的抗压强度分别为10和34 MPa;高温老化后,DXD和TXD的抗压强度分别为8和33 MPa。这说明DXD和TXD没有出现高温碳化现象,其抗温能力超过200 ℃。

    图  1  堵漏材料高温老化前后的粒度分布
    Figure  1.  Particle size distribution of plugging materials before and after high temperature aging

    井壁成像测井解释结果表明,莺琼盆地目的层诱导裂缝的宽度集中在120~200 μm,根据三分之一架桥理论,堵漏材料的粒径在40~66 μm时架桥堵漏效果最好,5.0%DXD和3.0%TXD复配后的平均粒径为50~60 μm,可取得较好的架桥堵漏效果。将5.0%DXD和3.0%TXD加入莺琼盆地某井使用的密度为2.30 kg/L的井浆(配方为0.8%膨润土+0.6%烧碱+3.0%有机树脂Resinex+0.3%高温降滤失剂Calovis+3.5%褐煤树脂XP–20K 2.0%磺化沥青Soltex+3.0%碳酸钙QWY)中,评价其在200 ℃下老化16 h后的流变性及滤失性能,结果见表2。从表2可以看出,加入堵漏材料后井浆的API滤失量和高温高压滤失量均有所降低,漏斗黏度和塑性黏度有所增大,但仍满足现场泵入要求。因此,堵漏浆的配方可确定为:0.8%膨润土+0.6%烧碱+3.0%有机树脂Resinex+0.3%高温降滤失剂Calovis+3.5%褐煤树脂XP–20K+2.0%磺化沥青Soltex+3.0%碳酸钙QWY+5.0%刚性堵漏材料DXD+3.0%弹性堵漏材料TXD。

    表  2  堵漏浆基本性能评价结果
    Table  2.  Results of basic performance evaluation of plugging slurry
    试验浆试验条件漏斗黏度/s塑性黏度/(mPa·s)动切力/PaAPI滤失量/mL高温高压滤失量/mL
    井浆402294.26.8
    井浆+5.0%DXD + 3.0%TXD老化后442793.25.4
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    选取了2个渗透率相当的陶瓷砂盘(砂盘渗透率分别为4.6和5.3 mD,孔喉直径为80~200 μm,接近地层诱导裂缝大小),进行井浆和堵漏浆的砂盘漏失试验,试验温度设置为200 ℃,试验压差设置为6.89 MPa,结果见表3。由表3可知,堵漏浆的瞬时滤失量为18 mL,低于井浆瞬时滤失量(32 mL),2 h后堵漏浆的滤失量仅为25 mL,而井浆的滤失量为60 mL,说明堵漏浆的降滤失性能较强。

    表  3  堵漏浆及井浆砂盘漏失试验结果
    Table  3.  Results of plugging slurry and original mud sand disc leakage test
    试验浆瞬时漏失量/mL不同时间累计漏失量/mL
    0.5 h1.0 h1.5 h2.0 h
    堵漏浆1824252525
    井浆3241495460
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    用扫描电镜观测堵漏浆砂盘漏失试验所用的砂盘,结果如图2所示。由图2可知,漏失试验后砂盘的孔隙被堵漏材料封堵,形成了致密的封堵层。主要是刚性堵漏材料首先充填在砂盘孔隙中,可压缩的弹性石墨材料在高压作用下,进一步充填于剩余孔隙中,形成了致密的封堵层。

    图  2  砂盘漏失试验前后砂盘扫描电镜观测结果
    Figure  2.  Scanning electron microscope results before and after sand disc leakage plugging

    应用传统裂缝堵漏仪评价堵漏浆封堵性能时,采用了平行缝方式,无法真实模拟地层裂缝形态,因此,利用CDL-Ⅱ型高温高压动态堵漏仪,用1.0 mm梯形缝(进口缝宽3.0 mm、出口缝宽1.0 mm)模拟井壁裂缝来评价堵漏浆的封堵性能,试验温度为200 ℃。密度2.30 kg/L井浆及堵漏浆对梯形缝的堵漏效果如图3所示。由图3可知,井浆承压能力约为5 MPa,堵漏浆的承压能力稳定在18 MPa,与井浆相比,堵漏浆的承压堵漏能力更强。分析认为,刚性堵漏材料DXD在裂缝中先进行架桥,然后具有较高压缩率的弹性堵漏材料TXD在压差作用下继续充填于裂缝剩余孔隙中,形成致密封堵层,从而提高了承压能力[11-14]

    图  3  井浆及堵漏浆承压堵漏性能评价结果
    Figure  3.  Evaluation on the under-pressure plugging performances of original mud and plugging slurry

    莺琼盆地高温高压井堵漏技术在10口井进行了现场应用,堵漏浆密度最高达2.40 kg/L,井底温度最高达212 ℃。总体应用效果良好,在堵漏的同时提高了地层承压能力,复漏发生次数大大减少,堵漏成功率由采用常规堵漏技术的不到30%提高到了80%以上。下面以LD101–E井为例介绍具体应用情况。

    LD101–E井钻至井深4 105.00 m(已进入目的层)时,录井监测系统显示,泵压由10.34 MPa突然降至8.28 MPa,返出钻井液量由24%降至1%,判断发生了井漏。静止观察3 h,计量罐液量突然增加1 m3,判断发生了溢流,现场关井进行节流排气,开井后钻井液出口密度降至2.22 kg/L。该井段上层套管鞋处漏失当量密度为2.40 kg/L,发生井漏时钻井液密度为2.24 kg/L,随钻显示井底当量循环密度为2.33 kg/L,可见井深4 105.00 m处的安全密度窗口小于0.10 kg/L。循环排气结束后,通过控制排量维持井底当量循环密度在2.28~2.29 kg/L进行钻进,期间逐步将钻井液密度提高至2.23 kg/L。钻至井深4 138.00 m时,返出钻井液量增多,活动池液量增加3.5 m3,再次发生溢流,关井循环排气,控制排量维持井底当量循环密度在2.32~2.33 kg/L,将钻井液密度调整至2.29 kg/L,静止观察井筒稳定性。

    由于安全密度窗口窄,决定起钻,下光钻杆静止挤入堵漏浆,提高地层承压能力。按照配方在井浆中加入抗高温堵漏材料DXD和TXD配制堵漏浆,并调整其性能满足要求后,向井底泵入15 m3堵漏浆,关防喷器,从环空挤堵堵漏浆。LD101–E井挤堵漏浆时的地面泵压曲线如图4所示。由图4可知,地面最高泵压4.48 MPa,并稳定10 min,折算钻井液当量密度为2.40 kg/L。

    图  4  LD101–E井挤堵漏浆地面泵压曲线
    Figure  4.  Curve of surface pumping pressure during plugging slurry squeezing in Well LD101–E

    挤堵漏浆结束后,起出光钻杆,下钻控制井底当量循环密度不超过2.40 kg/L继续钻进,钻至完钻井深4 352.00 m,钻进期间未发生井漏及溢流。该井电测结果显示井底温度为198 ℃,井壁成像测井结果如图5所示。由图5可见,该井4 097.00~4 113.00 m井段发育纵向延伸的诱导裂缝,裂缝宽度为0.2 mm。LD101–E井堵漏成功,说明优化后的堵漏浆能封堵诱导裂缝,提高地层承压能力。

    图  5  LD101–E井目的层井壁成像测井结果
    Figure  5.  Results of target layer borehole wall imaging logging in Well LD101–E

    1)莺琼盆地高温高压井发生井漏的原因是钻井液安全密度窗口窄和目的层诱导裂缝发育。

    2)针对莺琼盆地高温高压井井漏的原因,采用耐高温刚性堵漏材料和耐高温弹性堵漏材料相结合的方法,构建了密度达2.40 kg/L、抗温能力200 ℃的堵漏浆,显著提高了堵漏成功率,减少了复漏的发生。

    3)分析堵漏浆的堵漏原理得知,堵漏浆中的刚性堵漏材料在诱导缝中形成架桥,弹性堵漏材料充填于剩余孔隙中,封堵了诱导裂缝,较好地防止了诱导缝的进一步延伸扩大,提高了地层承压能力。

    4)建议进一步开展用于深水高温高压井的堵漏浆研究,为南海深水高温高压油气资源的高效勘探开发提供技术支持。

  • 图  1   哈山101井火山岩地层牙轮钻头出井形貌

    Figure  1.   POOH morphology of roller bit after drilling in the volcanic rock formation of Well Hashan101

    图  2   哈山101井稠浆携岩返出掉块

    Figure  2.   Caving returns carried out by viscous mud of Well Hashan101

    图  3   刀翼式孕镶金刚石钻头改进前后的结构对比

    Figure  3.   Structural comparison of the blade-type impregnated diamond drill bit before and after improvement

    图  4   金刚石钻头晶体形貌和胎体粉末扫描电镜图

    Figure  4.   Crystal morphology of diamond bit and scanning electron micrograph of matrix powder

    表  1   哈山区块岩石力学试验结果

    Table  1   Test results of the mechanical performance of coring rock in Hashan Block

    样品编号围压/
    MPa
    温度/
    饱和
    状态
    抗压强度/
    MPa
    杨氏模量/
    GPa
    hs101-3326-sp0020干燥163.5827.89
    hs101-3326-sp45020干燥158.4426.98
    hs101-3326-cz1020干燥175.6528.97
    hs101-3937-cz1020干燥288.7959.72
    hs101-3326-cz230 20干燥408.8146.54
    hs101-3326-cz360 20干燥530.6055.48
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    表  2   哈山区块部分完钻井的钻井技术指标

    Table  2   Drilling technical indicators of some drilled wells in the Hashan Block

    井号井深/m火山岩厚度/m钻井周期/d机械钻速/(m·h–1钻头总量/只牙轮钻头用量/只
    哈山1井2 554.002 008.00105.41.862920
    哈山3井4 139.803 532.80412.31.246252
    哈深2井5 238.265 148.30823.80.73162 142
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    表  3   刀翼式孕镶金刚石钻头应用技术数据

    Table  3   Technical data of blade-type impregnated diamond bit

    序号钻进井段/
    m
    进尺/
    m
    钻速/
    (m·h–1
    排量/
    (L·s–1
    转盘转速/
    (r·min–1
    螺杆转速/
    (r·min–1
    泵压/
    MPa
    钻压/
    kN
    备注
    13 539.50~3 592.0052.500.543030~5050022.060~70螺杆到寿命后起钻
    23 592.00~3 639.8947.890.443030~5050022.570~80泵压升高后起钻
    33 814.10~3 848.5234.420.423030~5050023.080~100钻速变慢后起钻
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-10-22
  • 修回日期:  2019-06-20
  • 网络出版日期:  2019-07-26
  • 刊出日期:  2019-08-31

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