深井超深井钻井技术2

深井超深井钻井完井技术西南石油大学油气井工程研究所2提纲一、深井超深井钻井技术发展现状二、深井超深井井身结构三、深井超深井提速钻井技术四、深井超深井井斜控制技术五、深井超深井压力控制技术六、深井超深井钻井复杂事故预防技术七、深井超深井固井技术3三、深井超深井提速钻井技术（1）大直径井眼钻速慢大直径井眼(17-1/2″和12-1/4″井眼)，钻井深度一般在2000～4400m左右，大直径井眼的钻井速度明显低于8-1/2″井眼。如塔里木油田东秋5井，17-1/2″井段1500m左右，就用了55只牙轮钻头，平均单只钻头进尺只有30m左右，平均机械钻速仅0.5m/h。大直径井眼钻速慢的主要原因是机械能量和水力能量不足，明显比8-1/2″井眼要低得多。下表给出了不同直径钻头钻进一米的破岩体积与所能提供的机械能量和水力能量对比。可以看出，17-1/2″井眼钻头破岩的机械能量仅为8-1/2″井眼钻头的62.5%～64.8%，比水功率仅为8-1/2″井眼的11%。1、影响深井钻井速度的因素4三、深井超深井提速钻井技术444.5mm、311.1mm和215.9钻头单位破岩体积及常用钻压和转速对比钻头尺寸破岩体积(cm3/m)比值钻压(KN)单位钻压(KN/cm2)转速(rpm)机械能量(KN/cm2rpm)比值215.936591100%140～1806.48～8.3470453.6～583.6100%311.175999208%180～2405.78～7.7170404.6～539.789.2%～92.5%444.5155100424%180～2404.05～5.4070283.5～37862.5%～64.8%5三、深井超深井提速钻井技术不同直径钻头在2500m井深条件下的水力能量对比钻头尺寸排量(L/S)泵压(MPa)循环压耗(MPa)钻头可用压降(MPa)返速(m/S)水功率(KW)比水功率(KW/cm))比水功率比值水功率利用率Φ215.925205.314.71.04367.21.00100%73.5%Φ311.1402011.097.990.67316.6.0.4242%41.6%Φ444.5502016.443.560.35178.00.1111%17.5%6三、深井超深井提速钻井技术(2)深部井段硬塑性泥岩、砂岩、硬石膏等难钻地层的机械钻速非常低(仅为0.3～0.5m/h左右)由于上覆盖地层岩石的压力和高密度钻井液的作用，使泥岩及泥质胶结的砂岩等岩性变得致密和坚硬，但塑性比灰岩要高。这类地层，无论是牙轮钻头还是PDC钻头，目前钻进速度均很低，一般在1m/h以下(有些地层在0.5m/h以下)。下表给出了塔里木油田某井深部井段吉迪克组泥岩在不同围压条件下牙轮钻头的牙齿压入所需破碎力和破碎体积随围压增加的变化情况。试验结果表明，在埋藏很深和高密度钻井液条件下，牙轮钻头牙齿的压入力比常压下增加10倍以上，而破碎体积减小2～3倍以上。7三、深井超深井提速钻井技术塔里木油田某井吉迪克组泥岩在不同围压条件下的破碎力和破碎体积围压(MPa)01015202530354045破碎力(Kg)30.538.943.084.2137.1151.0163.0247.0319.0破碎力增加比例-----27.5%41.0%176.1%349.5%395.1%434.4%809.8%945.9%破碎体积(mm3)15.2414.714.013.611.99.748.577.196.84破碎体积减小比例-----3.5%8.1%10.8%21.9%36.1%43.8%52.8%55.1%u此外，在不同地区深井的深部井段常遇到坚硬硅质和铁质胶结的石英砂和石英岩、硅质石灰岩和硅质白云岩，这些地层钻井速度也很慢，常导致井径缩小，划眼时间长。u8三、深井超深井提速钻井技术（3）小直径井眼(小于6″)钻速慢在8-1/2″井眼钻井过程中常因复杂情况或发现油气层而被迫下5-1/2″或7″套管完井。为了加快探明下部井段含油气情况，常用小尺寸钻头钻达勘探目的层。小尺寸牙轮钻头常因轴承寿命短，下部钻铤尺寸小而加不上钻压，导致小井眼井段钻速很慢(一般均在1m/h以下)，在很多情况下机械钻速小于0.5m/h。（4）高陡构造地层倾角大，地应力高，井斜难以控制，井塌卡钻事故多。（5）纵向上存在多套压力系统、且多产层，横向上存在较大差异，现有井身结构难于兼顾预防井下复杂情况的发生，地下断层、裂缝、溶洞发育井漏频繁，恶性漏失事故多，处理周期长，经济损失大。(影响工期)9三、深井超深井提速钻井技术2、提高钻速的钻头技术钻头在超深井钻井中占有极重要的地位，钻头的好坏对提高钻井速度，缩短钻井周期有直接影响。美国等发达国家的钻头研制和使用水平较高，钻头平均进尺较多，机械钻速较高，可供优选的钻头系列也较丰富。如：（1）牙轮钻头技术Houghes公司生产的ATJ、ATM型密封滑动镶齿喷射式三牙轮钻头，平均进尺超过1000m，平均钻时为300h。smith公司生产的加长喷嘴牙轮钻头，其机械钻速比常规牙轮钻头提高28％，最多可达70％-80％；组合喷嘴牙轮钻头提高钻速2.6％-55.2％，钻井成本下降7.3%-45.1%。10三、深井超深井提速钻井技术例：Houghes公司生产的MX-30DX钻头用于川西深井须家河二。须家河二地层的硬度和研磨性都非常高，有针对性地选择了高等级抗研磨性齿。钻头特点：切削齿材料：优化后的碳化物材料，对切削齿颗粒组成的粒度进行了优化，选用高抗研磨性的材料。新凿型切削齿设计：对切削齿切削岩石时的应力区域进行有限元分析，增大应力承担区域，使应力分布更加均匀，减小应力集中对切削齿的破坏。休斯专利的单金属密封：活动部件少，耐磨性提高，轴承密封寿命更长。金刚石保径：在保径部分增加了金刚石保径齿，增强保径部分的抗研磨性。11三、深井超深井提速钻井技术（2）PDC钻头技术在较软地层和非研磨地层，越来越多地使用了PDC钻头，几乎取代了三牙轮钻头。在相同条件下PDC钻头可提高机械钻速33％—100％成本降低30％-50％，单只钻头进尺可增加3-4倍。比较先进的PDC钻头设计技术有：抗回旋钻头设计；混合布齿设计：稳定性设计；钢体表面硬化处理技术。不仅提高了PDC钻头的机械钻速和寿命，也扩大了适用范围。新型PDC钻头有：热稳聚晶金刚石(TSP)钻头，PDC+TSP混合齿钻头，PDC+金刚石孕镶块混合齿钻头，金刚石强化镶齿牙轮钻头。12PDC钻头设计模型SecurityDBS公司开发的FM3000设计平台三、深井超深井提速钻井技术13力平衡设计三、深井超深井提速钻井技术14硬地层PDC钻头的技术FM3000™技术最新的设计理念Z3™齿R-1TM齿SecurityDBS公司专利产品+三、深井超深井提速钻井技术15Z3TM齿制造技术的改进++=改进金刚石配方+改进硬质合金配方+新的制造工艺=Z3PDC齿三、深井超深井提速钻井技术16井号钻头型号钻头厂家井段m进尺m钻速m/h娇60-1B8-1/2“FM3755ZRXJDBS2665.00~2905.00240.002.70娇64B8-1/2FM3755ZRXJDBS2962.00~3286.84324.841.68娇64B8-1/2FM3843ZRXJDBS3286.84~3561.06274.221.748-1/2”FM3755ZR在柏灵顿石油公司使用统计例：柏灵顿石油公司在四川娇60-1B井、娇60-2和娇64B三口井8-1/2“井段使用SecurityDBS具有硬地层设计技术的PDC钻头，该钻头与6-3/4“NaviDrill螺杆钻具配合使用。与邻井相比，机械钻速提高了一倍，节省了两趟起下钻，共节约了7天的钻井时间，柏灵顿公司在四川钻的11口井中使用8-1/2”钻头综合指标最好的钻头。使用钻头型号：8-1/2”FM3755ZR、FM3843ZR地层：马安山组、东岳庙组、珍珠冲组、香溪组三、深井超深井提速钻井技术17娇60-1B井8-1/2″FM3755ZRPDC钻头磨损照片三、深井超深井提速钻井技术18娇64B井8-1/2″FM3755ZRPDC钻头磨损照片三、深井超深井提速钻井技术19井号钻头型号层位使用井段m进尺m纯钻h钻速m/h天东96井G447XL嘉陵江2612.85－2969.40356.55176.802.02天东99G447XL嘉陵江2397.46－3028.90631.44169.833.72天东97XBD506六翼雷口坡1821.39－2446.00624.611603.90天东108G406六翼雷口坡2375.92－2882.00506.081383.67天东98井FM3643BMZ雷口~嘉四12149.42－2609.100459.6871.836.40天东井区12-1/8”钻头使用统计三、深井超深井提速钻井技术20井号钻头型号层位使用井段m进尺m纯钻h钻速m/h天东107井G447XL飞一3038.00－4308.721270.72565.582.25天东74井G447XL飞仙关3726.34－4098.304159.63－4197.15409.47114.313.58天东82井G447XL嘉一3305.00－3752.80447.80111.174.03天东96井G447XL长兴组3289.15－4247.22958.07446.302.15天东98井FM2643BMZ嘉二3～长兴2864.00－3811.00947.00251.703.76天东井区8-1/2”钻头使用统计三、深井超深井提速钻井技术218-1/2”FM2643BMZ钻头使用后图片三、深井超深井提速钻井技术22三、深井超深井提速钻井技术例：MX-S30GDX钻头使用地层为须家河四底部到须家河二顶部地层，井段大约850米。该井段地层硬度高，研磨性强、钻井液密度高。在该井段通过增加每只钻头的进尺来获得较好的经济效益。PDC钻头设计特点：平滑切削：休斯专利的切削深度控制技术。使作用在切削齿上的载荷比较均匀的分布，减小瞬时扭矩，减小粘卡和冲击载荷对切削齿的破坏。Zenith切削齿：休斯克里斯坦森最新专利的抗研磨自锐切削齿。ZX设计：增添了后排辅助切削齿，减小冲击载荷对切削齿的破坏，增加了总的金刚石切削齿的体积，提高了钻头的耐久性。防止在软地层中机械转速过快进入硬地层后机械钻速过慢而产生冲击破坏。1.5英寸保径设计：有利于于纠斜，即使是在加压后钻具变形的情况下，也可以帮助纠斜。23（3）孕镶PDC钻头技术FM2000iTi3000BTi3000Ti3000P三、深井超深井提速钻井技术24深部井段致密的泥板岩、砂岩等难钻地层，在高密度钻井液条件下机械钻速很慢。针对这类地层，以直径0.5～1mm左右的小颗粒人造金刚石孕镶钻头配合高速涡轮钻具(800～1000rpm)以磨削或微切削的方式来破碎岩石，反而比转盘配合牙轮钻头钻井的机械钻速要高得多。如果牙轮钻头在这类地层的机械钻速为0.5～1m/h，则高速涡轮钻具配合小颗粒人造金刚石孕镶钻头钻井的机械钻速在8-1/2″井眼可以达到3m/h左右，在有些地层甚至可达5m/h以上。FM2000iTi3000BTi3000Ti3000P三、深井超深井提速钻井技术25孕镶金刚石钻头靠高转速来磨削破碎地层，它适应地层软硬变化，而不会像PDC钻头的金刚石易碎裂。在深井硬地层，孕镶金刚石钻头是一种新型的破岩工具，对致密的硬塑性泥板岩、泥质砂岩、坚硬研磨性高的石英砂岩等难钻地层可取得较好的效果。FM2000iTi3000BTi3000Ti3000P三、深井超深井提速钻井技术26孕镶钻头的钻井参数要求：•镶钻头推荐使用高速涡轮动力钻具。通常采用与高速涡轮动力钻具配套的方式，强化钻井参数，充分发挥金刚石钻头抗研磨效果好的优势。•国外目前已使用的高速涡轮的转速已达到1600转/分。使用该项技术可提高在硬或极硬地层条件下的机械钻速3～10倍。三、深井超深井提速钻井技术27孕镶钻头对地层的要求：孕镶钻头