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鄂尔多斯盆地神府区块小井眼优快钻井关键技术

贾佳, 夏忠跃, 冯雷, 李建, 王烊

贾佳, 夏忠跃, 冯雷, 李建, 王烊. 鄂尔多斯盆地神府区块小井眼优快钻井关键技术[J]. 石油钻探技术, 2022, 50(2): 64-70. DOI: 10.11911/syztjs.2021110
引用本文: 贾佳, 夏忠跃, 冯雷, 李建, 王烊. 鄂尔多斯盆地神府区块小井眼优快钻井关键技术[J]. 石油钻探技术, 2022, 50(2): 64-70. DOI: 10.11911/syztjs.2021110
JIA Jia, XIA Zhongyue, FENG Lei, LI Jian, WANG Yang. Key Technology of Optimized and Fast Slim Hole Drilling in Shenfu Block, Ordos Basin[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2022, 50(2): 64-70. DOI: 10.11911/syztjs.2021110
Citation: JIA Jia, XIA Zhongyue, FENG Lei, LI Jian, WANG Yang. Key Technology of Optimized and Fast Slim Hole Drilling in Shenfu Block, Ordos Basin[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2022, 50(2): 64-70. DOI: 10.11911/syztjs.2021110

鄂尔多斯盆地神府区块小井眼优快钻井关键技术

基金项目: 中国海洋石油集团有限公司创新基金项目“全井段高效复合型钻井提速工具研究与应用”(编号:CNOOC-KY-KJCX-CRI-2017-01)资助
详细信息
    作者简介:

    贾佳(1988—),男,河南驻马店人,2009年毕业于河南大学化学工程与工艺专业,2012年获中国石油大学(北京)石油与天然气工程专业硕士学位,高级工程师,主要从事非常规致密气和煤层气方面的研究工作。E-mail:jjjiajia68@126.com。

  • 中图分类号: TE246

Key Technology of Optimized and Fast Slim Hole Drilling in Shenfu Block, Ordos Basin

  • 摘要: 鄂尔多斯盆地神府区块为致密气产区,为进一步提高该区块的机械钻速、降低钻井成本,开展了小井眼优快钻井技术研究。井眼轨道由“直—增—稳—增—稳”优化为与地层走向精确匹配的“直—增—降—稳”,提高了钻井效率;钻头进行了优化设计,改变了钻头布齿密度,调整了钻头切削齿尺寸和后倾角,增强了钻头的稳定性和耐磨性;优化了钻具组合,优选了钻杆尺寸,改进了螺杆钻具,研制了用于提速的三维振动钻井冲击器;研制了仿生润滑剂,改进了钻井液配方,提高了钻井液润滑性能;另外,优化了钻井施工参数,研究形成了小井眼优快钻井关键技术。该技术在神府区块8口井进行了应用,实现了二开一趟钻完钻,机械钻速提高50%以上,钻井周期缩短45%,取得了显著效果。神府区块小井眼优快钻井关键技术为该区块后续致密气井钻井提供了技术支撑,对国内其他地区的致密气井钻井也有借鉴作用。
    Abstract: The Shenfu Block in Ordos Basin is a tight gas-producing area. In this study, optimized and fast drilling technology for slim holes was explored to further increase the rate of penetration (ROP) and reduce the drilling cost in this block. The wellbore trajectory was optimized from "vertical–build–hold–build–hold" to "vertical–build–drop–hold" matching the formation strike, which improved the drilling efficiency. The drill bit was optimized, including the change of tooth density, adjustment of cutting tooth size and caster angle, and enhancement of stability and wear resistance. The drilling assembly, size of the drill pipe, and postive displacement motor (PDM) were optimized, and a three-dimensional (3D) vibration impactor was developed for enhancing the ROP. Additionally, the performance of the drilling fluid was improved by the introduction of a biomimetic lubricant and the optimization of the drilling fluid formula. Further, drilling parameters were also optimized. The key technology of optimized and fast slim hole drilling relying on the above measures was applied in 8 wells in Shenfu Block, realizing the one-trip drilling of the second-spud section. The ROP was increased by more than 50% and the drilling cycle was shortened by 45%. This technology provides technical support for future drilling of tight gas wells in Shenfu Block and a reference for the drilling of tight gas wells in other regions in China.
  • 目前,低渗透油气藏是我国油气开发的重点,但该类油气藏具有储层地质年代久远、构造复杂、埋藏深和岩石坚硬等特点,所以存在一系列钻井难点。其中,在确保钻井安全的前提下,提高机械钻速、降低钻井成本是面临的主要问题[17]。目前,国外的低渗透地层钻井技术较为先进,如垂直钻井系统、旋转导向钻井系统、高效PDC钻头、高效动力钻具及相关的地面钻井装备,但相关工具和设备只出租不出售,且租用价格高昂;国内主要采用常规PDC钻头和井下动力钻具,这些工具使用成本较低、应用范围较广,但技术水平相对落后,提高机械钻速的能力较低,难以满足低渗透油气藏高效开发的需求[810]。为了在一定程度上解决上述问题,笔者基于分级破岩的方法,在PDC钻头破岩机理及“PDC钻头+螺杆”复合钻井技术的基础上,对螺杆钻具及PDC钻头进行了优化,设计了适用于ϕ215.9,ϕ241.3和ϕ311.1 mm井眼的双级双速钻井工具,并进行了现场试验,结果证明,双级双速钻井工具既能充分发挥PDC钻头的优势,又不会改变现有钻井工艺和设备,性价比高,提速效果好。

    从钻头破岩原理讲,双级双速钻井工具与常规PDC钻头没有区别,都是利用PDC钻头犁削破岩。两者的主要区别是破岩的具体方式不同,双级双速钻井工具有两级直径不同的钻头,利用较大直径的一级钻头钻出导眼,释放岩石内应力,然后利用较小直径的二级钻头跟进破岩。因为一级钻头破岩过程中使井底岩石的应力场发生了变化,岩石的抗破碎强度降低,所以二级钻头的破岩效率得到提高,从而提高了整体钻进效率。

    双级双速钻井工具与单级钻头钻井时的井底岩石应力场分布如图1所示。

    图  1  井底岩石应力场分布云图
    Figure  1.  Stress distribution of bottom hole rock distribution

    图1可以看出,双级双速钻井工具钻井时的井底应力扩散区域明显大于单级钻头钻井,应力集中度也高于单级钻头钻井。这表明一级钻头钻出导眼使井底岩石内应力释放,岩石内应力大幅降低,使井底岩石的抗破碎强度大幅降低。因此,在相同钻井参数下,双级双速钻井工具的破岩效率高于常规单级钻头。

    双级双速钻井工具主要有同心式和偏心式2种,该工具在“PDC钻头+螺杆”复合钻井的基础上进行设计的,利用常规动力钻具驱动双级PDC钻头破岩,既充分发挥了PDC钻头的破岩优势[11],又具有结构简单可靠、成本低的特点。

    美国NOV公司开展了同心式双级钻井工具的破岩研究[9],并研制了双级钻头,如图2所示。通过室内及现场试验,发现该钻头主要有以下2方面的优点:1)有利于提高钻井的稳定性,减小钻井过程中的振动;2)由于一级钻头释放了二级钻头钻进时的压应力,能够大幅提高钻进速度。NOV公司双级钻头的钻井数据及与常规PDC钻头的钻速对比情况见表1

    图  2  NOV公司研制的双级钻头
    Figure  2.  Two-stage drill bit developed by NOV
    表  1  NOV公司双级钻头的钻井数据及与常规PDC钻头的钻速对比
    Table  1.  Drilling data of NOV's two-stage drill bit and the comparison of ROP with conventional PDC bit
    序号 钻头直径/mm 地层 钻压/kN 转速/(r·min–1 进尺/m 钻进时间/h 机械钻速/(m·h–1
    一级钻头 二级钻头 双级钻头 PDC钻头
    1 171.4 215.9 砂岩 54~68 230 171.30 36.5 4.7 3.2
    2 127.0 165.1 砂质页岩 9~14 80 487.30 109.5 4.5 3.3
    3 177.8 250.8 砂质页岩 68~82 65 1 101.60 118.5 9.3 6.4
    4 171.4 215.9 砂岩页岩 59~100 70~140 174.00 25.6 6.8 3.6
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    表1可知,NOV公司研制的双级钻头能够大幅提高机械钻速,与常规PDC钻头相比,最高可提高88.9%。

    NOV公司研制出一种同心分体式双级双速钻井工具,如图3所示。该钻井工具的优点为[1213]:1)一级钻头较二级钻头具有更高的转速,有利于提高一级钻头的破岩效率,同时降低二级钻头的破岩难度,提高二级钻头钻速;2)双级钻头转向相反时,有助于降低钻柱的附加扭矩;3)一级钻压与二级钻压的匹配达到最优时,更有利于快速钻进;4)转向相同时,当一级钻头转速高于二级钻头转速时,有利于延长钻头寿命;5)适用于多类型钻头组合。

    图  3  同心分体式双级双速钻井工具示意
    Figure  3.  Schematic of concentric split two-stage and two-speed drilling tool

    另外,Baker Hughes公司针对同心分体式[10]双级钻井工具提出了多种专用工具设计方案,如图4所示。

    图  4  Baker Hughes公司设计的同心分体式双级双速钻井工具
    Figure  4.  Concentric split two-stage and two-speed drilling tool designed by Baker Hughes

    但是,截至目前,国外也仅仅是提出了同心分体式双级双速钻井工具的技术方案,未见相关样机及现场应用方面的报道。

    根据相关报道[11],国外于2014年开始研究偏心分体式双级钻井工具,但国内在这方面的研究目前尚处于空白。相关资料表明[11],偏心式双级双速钻井技术具有以下优点:1)能够进一步降低岩石破碎难度;2)能够克服钻头中心线速度慢、切削效率低的不足,有利于大幅提高钻头切削效率;3)能够减弱钻柱的振动[13],保持钻井过程的平稳性。

    2016年,胜利油田开始研究双级双速钻井工具,在设计排量、输出扭矩与转速和钻进工具长度等参数后,结合现场实际需要,设计了双级双速钻井工具,该工具采用螺杆钻具驱动两级钻头,两级钻头均为常规PDC钻头,均正向转动。

    钻井过程中,钻井液在管柱中自上而下流经双级双速钻井工具,驱动钻井工具顺时针旋转。因此,螺杆钻具转子自转速度的计算公式为:

    γ=2πzN(N+1)h (1)

    式中:γ为转子自转转速,r/min;z为螺杆钻具转子密封线下移距离,m;N为转子头数;h为转子与定子的螺距,m。

    由式(1)可以得到螺杆钻具转子自转一周后密封线下移距离的计算公式:

    H=NTs=(N+1)Tr (2)

    式中:H为螺杆钻具转子自转1周后密封线的下移距离,m;Ts为定子导程,m;Tr为转子导程,m。

    定子线性包裹面积减去转子线性包容面积,即为转子的截流面积,则螺杆钻具每转排量的计算公式为:

    q=AGNTs=(AsAr)NTs (3)

    式中:q为螺杆钻具的每转排量,m3/s;AG为转子截流面积,m2As为定子线性包裹面积,m2

    螺杆钻具的输出扭矩即为钻头的扭矩,其与压降、每转排量有关,考虑现场实际工况,设计计算相关参数时忽略螺杆钻具内部传动轴等部件间的摩擦。因此,螺杆钻具输出扭矩的计算公式为:

    MT=12πΔpq (4)

    式中:MT为螺杆钻具输出扭矩,N·m; Δ p为螺杆钻具的压降,MPa。

    螺杆钻具输出转速的计算公式为:

    n=60Qqηv (5)

    式中:n为螺杆钻具的输出转速,r/min;Q为排量,m3/s;ηv为螺杆钻具定子与转子的容积效率。

    随着螺杆钻具转子的不断转动,转子在相对定子转过转角α时,随着转角不断增大,转子与定子之间的过流面积逐渐缩小,转子与定子之间的过流面也是逐渐关闭的,那么沿着轴向累计,即可计算出螺杆钻具的长度。

    L=NTs2πni=1αi (6)

    式中:L为螺杆钻具的长度,m。

    根据螺杆钻具内摆线等距线型的要求,即可用式(6)计算出双级双速钻井工具的长度。

    考虑现场实际工况,结合国内现有螺杆钻具的制造工艺,设计了双级双速钻井工具的总体结构。该钻井工具主要由旁通阀、防脱保护模块、螺杆动力模块、双级双速输出轴总成模块和同心分体式两级PDC钻头组成。

    根据现场钻井的实际需要,分别设计了适用于ϕ215.9,ϕ241.3和ϕ311.1 mm井眼的双级双速钻井工具。其操作方法与常规钻井工艺基本相同,即:启动钻井泵,双级双速钻井工具在高压钻井液的驱动下,利用钻头的旋转破岩。

    1)适用于ϕ215.9 mm井眼的双级双速钻井工具,长度7 600.0 mm,质量950 kg,压降3.0~3.5 MPa,输出转速100~140 r/min,输出扭矩6 300 N·m。

    2)适用于ϕ241.3 mm井眼的双级双速钻井工具,长度7 500.0 mm,质量1 200 kg,压降3.0~3.5 MPa,输出转速100~150 r/min,输出扭矩8 500 N·m。

    3)适用于ϕ311.1 mm井眼的双级双速钻井工具,长度7 500.0 mm,质量1 500 kg,压降3.0~3.5 MPa,输出转速100~150 r/min,输出扭矩9 500 N·m。

    笔者所设计的双级双速钻井工具在胜利油田营66–斜98井、营2–斜更9井和夏52–斜227井等3口井进行了现场试验。试验结果表明,双级双速钻井工具应用效果良好,不但具有稳斜、稳压作用,而且提速效果显著。

    营66–斜98井最大井斜角35°,稳斜段钻遇东营组,设计井身结构见表2。该井利用常规钻井技术钻进时蹩跳钻频繁,钻压波动较大。因此,在该井2 373.00~2 523.50 m井段进行了双级双速钻井工具试验,其目的是,在满足井眼轨迹控制要求的同时,是否能稳定钻压、提高钻速。

    表  2  营66–斜98井的井身结构
    Table  2.  Casing program of Well Y66-X98
    开次 钻头直径/mm 井深/m 套管直径/mm 套管下深/m
    一开 346.1 301.00 273.1 300.00
    二开 215.9 2 520.57 139.7 2 518.00
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    试验井段钻压20~40 kN,排量27~30 L/s,泵压11~13 MPa。钻进过程中钻压平稳,泵压稳定无异常波动,钻具上提下放顺畅,大钩载荷正常;完成试验后将工具起出井眼,检查钻井工具、钻头都无损伤。

    营66–斜98井采用双级双速钻井工具钻进井段的机械钻速与邻井使用常规钻具钻进的相同井段的机械钻速进行了对比,结果如图5所示。

    图  5  营66–斜98井双级双速钻井工具与邻井常规钻具钻速对比
    Figure  5.  Comparison of ROP between two-stage and two-speed drilling tool in Well Y66-X98 and the conventional drilling tools in offset wells

    图5可知,采用双级双速钻井工具后机械钻速提高了61.3%,提速效果显著。

    营2–斜更9井最大井斜角28°,下部井段扭方位,是一口典型的三维井眼定向井,设计井身结构见表3。该井采用常规钻井技术钻进时,蹩跳钻频繁,钻压波动较大,因此在1 434.00~1 750.22 m井段进行双级双速钻井工具试验,钻具组合为ϕ215.9 mm双级双速钻井工具+回压阀(411×410)+ϕ177.8 mm无磁钻铤+ϕ214.3 mm螺旋稳定器+ϕ177.8 mm钻铤×2柱+ϕ165.1 mm钻铤×2柱+钻杆。

    表  3  营2–斜更9井设计井身结构
    Table  3.  Casing program of Well Y2-XG9
    开次 钻头直径/mm 井深/m 套管直径/mm 套管下深/m
    一开 346.1 351.00 273.1 350.00
    二开 215.9 2 983.02 139.7 2 980.00
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    试验井段钻压20~30 kN,排量27~30 L/s,泵压11~12 MPa。钻进过程中钻压平稳,泵压稳定,试验后检查工具、钻头都无损伤。营2-斜更9井使用双级双速钻井工具钻进井段的机械钻速与邻井使用常规钻具钻进相同井段的机械钻速进行了对比,结果如图6所示。

    图  6  营2–斜更9井双级双速钻井工具与邻井常规钻具钻速对比
    Figure  6.  Comparison of ROP between two-stage two-speed drilling tool in Well Y2-XG9 and the conventional drilling tools in offset wells

    图6可知,采用双级双速钻井工具后机械钻速提高了58.9%,提速效果显著。

    夏52–斜227井设计的井身结构见表4。其中,二开直井段设计井深1 350.00 m。为了验证双级双速钻井工具在该井直井段钻进过程中的提速、防斜和稳定钻压的效果,在310.00~1 210.50 m井段(直井段)进行了试验,钻具组合为ϕ215.9 mm双级双速钻井工具+回压阀(411×410)+ϕ177.8 mm无磁钻铤+ϕ214.3 mm螺旋稳定器+ϕ177.8 mm钻铤×2柱+ϕ165.1 mm钻铤×2柱+钻杆。

    表  4  夏52-斜227井的井身结构
    Table  4.  Casing program of well X52-X227
    开次 钻头直径/mm 井深/m 套管直径/mm 套管下深/m
    一开 346.1 351.00 273.1 350.00
    二开 215.9 3 226.52 139.7 3 223.00
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    试验井段钻压20~30 kN,排量27~30 L/s,泵压11~12 MPa。钻进过程中钻压平稳,泵压稳定,直井段防斜打直效果明显,机械钻速相比邻井平均提高120.9%(见图7),试验后检查双级双速钻井工具未损坏。

    图  7  夏52–斜227井双级双速钻井工具与邻井常规钻具钻速对比
    Figure  7.  Comparison of ROP between two-stage two-speed drilling tool in Well X52-X227 and the conventional drilling tools in offset wells

    双级双速钻井工具在上述3口井完成试验后,钻头有轻度磨损,再次开泵测试,发现该工具的动力性有所降低,分析认为螺杆钻具部分达到使用寿命。3口井的现场试验结果表明,机械钻速平均提高80.37%,提速效果显著。

    1)双级双速钻井工具利用一级钻头破岩并钻出导眼,然后用二级钻头钻进地层。一级钻头钻出导眼释放井底岩石内应力,岩石抗破碎强度降低,使二级钻头钻进更为容易,从而实现提高钻井效率的目的。

    2)基于已有研究成果,根据现场钻井的实际需要,分别设计了适用于ϕ215.9,ϕ241.3和ϕ311.1 mm井眼的双级双速钻井工具。

    3)胜利油田3口井的现场试验表明,双级双速钻井工具提速效果显著,试验井段平均提速80.37%,其使用寿命达到142.4 h,钻压、泵压及工具性能稳定,安全可靠性高。

    4)建议开展专用螺杆钻具和PDC钻头性能及匹配性的研究,以充分发挥双级双速钻井工具成本低、效率高的优势,为低渗透油气藏的高效开发提供技术支撑。

  • 图  1   切削齿直径对切削效率的影响

    Figure  1.   Influence of cutting tooth diameter on cutting efficiency

    图  2   ϕ16.0和ϕ19.0 mm切削齿钻头的机械钻速

    Figure  2.   ROP of bits with ϕ16.0 mm and ϕ19.0 mm cutting teeth

    图  3   后倾角对钻头切削效率的影响

    Figure  3.   Influence of caster angle on cutting efficiency

    图  4   ϕ88.9和ϕ101.6 mm钻杆的钻深极限值对比

    Figure  4.   Comparison of the drilling depth limits of ϕ88.9 mm and ϕ101.6 mm drill pipes

    图  5   ϕ88.9和ϕ101.6 mm钻杆的泵压对比

    Figure  5.   Comparison of pump pressures of ϕ88.9 mm and ϕ101.6 mm drill pipes

    图  6   三维振动钻井冲击器工作原理示意

    Figure  6.   Working principle of the 3D vibration impactor

    图  7   ϕ165.1 mm井眼泵排量与泵压的关系

    Figure  7.   Relationship between pump displacement and pump pressure in ϕ165.1 mm wellbore

    表  1   优化前的井眼轨道

    Table  1   Design data of wellbore trajectory before optimization

    井深/
    m
    段长/
    m
    井斜角/
    (°)
    方位角/
    (°)
    垂深/
    m
    全角变化率/
    ((°)·(30m)–1
    备注
    280.00 280.000 0 280.000直井段
    557.82 277.8227.78167.53 547.06 3.00增斜段
    1683.281125.4627.78167.531542.790稳斜段
    1988.72 305.4440.59116.181800.00 3.00增斜段
    2487.15 498.4340.59116.182178.500稳斜段
    2625.81 138.6640.59116.182283.800
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    表  2   优化后的井眼轨道

    Table  2   Design data of optimized wellbore trajectory

    井深/
    m
    段长/
    m
    井斜角/
    (°)
    方位角/
    (°)
    垂深/
    m
    全角变化率/
    ((°)·(30m)–1
    备注
    280.00 280.000 0 280.000直井段
    590.00 310.0031.00147.90 575.10 3.00增斜段
    2019.011429.0131.00147.901800.000
    2384.32 365.3118.75147.062130.78 1.01降斜段
    2434.71 50.3918.75147.062178.500稳斜段
    2545.91 111.2018.75147.062283.800
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    表  3   神府区块二开一趟钻钻井指标

    Table  3   Statistics of one-trip drilling data of the second-spud section in Shenfu block

    序号井号完钻井深/
    m
    平均钻速/
    (m·h–1
    钻井周期/
    d
    2 000 m当量
    钻井周期/d
    11D2 51016.8919.9115.86
    22D2 39522.5912.5610.49
    33D2 34525.8712.1710.38
    44D2 43127.8111.39 9.37
    55D2 57745.5911.13 8.64
    66D2 34528.9710.96 9.35
    77D2 43521.6718.9615.57
    88D2 52124.8323.1518.37
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-02-08
  • 修回日期:  2021-08-30
  • 网络出版日期:  2022-01-12
  • 刊出日期:  2022-04-05

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