塔河油田深井脈沖空化射流鉆井試驗研究

史懷忠， 李根生， 張 浩， 黃中偉， 牛繼磊， 王德余

(1.油氣資源與探測國家重點實驗室(中國石油大學(xué)(北京))，北京 102249；2.中石化西南石油工程有限公司臨盤鉆井分公司，山東臨邑 251500；3.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島 266580)

?鉆井完井?

塔河油田深井脈沖空化射流鉆井試驗研究

史懷忠1， 李根生1， 張 浩2， 黃中偉1， 牛繼磊3， 王德余1

(1.油氣資源與探測國家重點實驗室(中國石油大學(xué)(北京))，北京 102249；2.中石化西南石油工程有限公司臨盤鉆井分公司，山東臨邑 251500；3.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島 266580)

塔河油田深井鉆井水力能量利用效率低、機械鉆速低、鉆井成本高，嚴重制約了勘探開發(fā)速度。針對該油田鉆井實際情況，結(jié)合二開φ241.3 mm井眼地層、鉆具組合和水力參數(shù)，利用水力脈沖空化射流鉆井技術(shù)提高機械鉆速。該技術(shù)配合常規(guī)鉆具和復(fù)合鉆井鉆具組合使用，脈沖空化射流發(fā)生器耦合脈沖射流和自振空化射流，改善井底流場及巖面應(yīng)力狀態(tài)，提高鉆速。該技術(shù)在塔河油田進行了4口井5井次的現(xiàn)場試驗，在常規(guī)泵壓、排量、鉆井液密度等參數(shù)條件下試驗井深達6 162 m，試驗井段與鄰井相近井段在相近工況下機械鉆速平均提高33.3％～74.3％，單套鉆具純鉆時間超過260.0 h。試驗結(jié)果表明，塔河油田二開井段砂巖、泥巖等地層配合PDC鉆頭應(yīng)用水力脈沖空化射流鉆井技術(shù)，能夠很好地提高機械鉆速。

脈沖射流 空化射流 機械鉆速 現(xiàn)場試驗

塔河油田位于新疆塔里木盆地北部，目的層多在6 000 m以深，隨著超深井?dāng)?shù)量的增多,所鉆地層巖性越來越復(fù)雜,鉆井施工難度也不斷加大,存在深部地層堅硬、水力能量利用率低、機械鉆速低等問題，提高超深井鉆井速度成為實現(xiàn)塔河油田快速高效勘探開發(fā)的關(guān)鍵[1-4]。

2004年，中國石油大學(xué)(北京)高壓水射流實驗室提出水力脈沖空化射流鉆井提速技術(shù)，并對提速機理進行了研究；利用數(shù)值模擬方法對水力脈沖空化射流參數(shù)進行了計算，設(shè)計樣機并進行了現(xiàn)場參數(shù)特性測試，隨后在φ311.1 mm 和φ215.9 mm井眼內(nèi)進行了現(xiàn)場試驗。該技術(shù)是在鉆進過程中通過水力脈沖空化射流發(fā)生器改變井底流場及巖石應(yīng)力狀態(tài)來提高破巖和清巖效果，達到提高機械鉆速的目的[5-11]。筆者結(jié)合塔河油田φ241.3 mm井眼的地層、鉆具組合及鉆井參數(shù)等，對水力脈沖空化射流發(fā)生器進行了優(yōu)化設(shè)計，并進行了現(xiàn)場試驗應(yīng)用。

1 塔河油田深井鉆井難點

1.1 阻卡嚴重

鉆遇地層層序較多，地層巖性、壓力變化較大，鉆井過程中易發(fā)生壓差卡鉆。上部古近系-新近系地層疏松、可鉆性好、鉆速快，但極易被固相污染，軟泥巖地層水化膨脹易引起縮徑阻卡，部分地層含石膏易引起鈣侵，提高鉆井液密度容易出現(xiàn)滲漏[12]。

1.2 地層垮塌嚴重

下部侏羅系-石炭系地層，其上部硬脆性泥巖及二疊系玄武巖易剝落掉塊，坍塌嚴重，導(dǎo)致井徑不規(guī)則，影響正常巖屑錄井、測井，并影響固井質(zhì)量，甚至導(dǎo)致出現(xiàn)井下復(fù)雜情況；奧陶系埋藏深度約5 500 m，存在大量的垂向裂縫或溶洞,地層壓力低,鉆井過程中極易發(fā)生漏失[13]。

1.3 機械鉆速低

塔河油田油氣藏以奧陶系碳酸巖潛山油藏為主，上覆巖層厚達5 500 m以上。在鉆井過程中鉆遇的絕大部分地層地質(zhì)年代都比較古老，地質(zhì)條件較為復(fù)雜，導(dǎo)致可鉆性差，且隨著井深的增加水力能量利用率降低，造成機械鉆速低。

2 水力脈沖空化射流鉆井技術(shù)

考慮塔河油田深井鉆井難點、水力脈沖空化射流鉆井技術(shù)的適應(yīng)性及鉆井成本等因素，選擇水力脈沖空化射流鉆井技術(shù)配合常規(guī)鉆具和螺桿鉆具在塔河油田進行深井提速。

鉆進過程中，通過安裝在鉆頭上部的水力脈沖空化射流發(fā)生器，實現(xiàn)脈沖射流和自振空化射流耦合，達到鉆井提速的目的。水力脈沖空化射流發(fā)生器主要由本體、彈性擋圈、導(dǎo)流體、葉輪、葉輪軸、葉輪座、自激振蕩噴嘴及自激振蕩腔室等組成，見圖1。鉆進時，將通過鉆頭的鉆井液的常規(guī)連續(xù)流動調(diào)制成振動脈沖空化流動，產(chǎn)生水力脈沖、空化沖蝕和瞬時負壓等3種效應(yīng)，改善井底流場及巖石應(yīng)力狀態(tài)，提高機械鉆速[13-14]。

圖1 水力脈沖空化射流發(fā)生器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of hydraulic pulsed and cavitating jet generator

水力脈沖空化射流鉆井技術(shù)是在常規(guī)鉆井的基礎(chǔ)上，利用安裝在鉆頭和鉆鋌(螺桿鉆具)之間的水力脈沖空化射流發(fā)生器，將鉆井液的連續(xù)流動變?yōu)槊}沖空化射流，改善井底流場及巖面應(yīng)力狀態(tài)，將巖屑及時帶離井底，減少重復(fù)切削，提高清巖和破巖的效果。該技術(shù)不需要改變?nèi)魏蔚孛嫜b備，具有很好的適應(yīng)性。

3 現(xiàn)場試驗

水力脈沖空化射流鉆井技術(shù)在塔河油田10區(qū)和12區(qū)二開φ241.3 mm井段配合螺桿鉆具和常規(guī)鉆具在4口井進行了5井次現(xiàn)場試驗，試驗井深達6 162.0 m，全試驗井段與鄰井相近井段在相近工況下，機械鉆速平均提高52.16％。

3.1 鉆具組合和施工參數(shù)

在塔河油田水力脈沖空化射流技術(shù)現(xiàn)場試驗中，針對試驗井不同井段和具體情況，選用了不同的鉆具組合(見表1)。

4口井二開φ241.3 mm井眼試驗井段鉆壓40～80 kN，轉(zhuǎn)速65～85 r/min，排量30～40 L/s，泵壓19.0～22.5 MPa，鉆井液密度1.18～1.32 kg/L。

表1 試驗井概況及試驗用鉆具組合

3.2 試驗結(jié)果

在TK1093井二開φ241.3 mm井眼上部試驗井段(井深1 274.0～3 919.0 m)，配合螺桿鉆具進尺2 646.0 m，純鉆時間68.7 h，平均機械鉆速38.5 m/h。在相近工況下，與鄰井相近井段相比機械鉆速平均提高38.5％；在TK1294、TK1090、TK1296井二開φ241.3 mm井眼下部井段(井深4 903.0～6 162.0 m)，配合常規(guī)鉆具鉆進，在相近工況下與鄰井相近井段相比，機械鉆速平均提高33.3％～74.3％(見表2)。TK1090井和TK1296井與鄰井相近井段的鉆時對比如圖2、圖3所示。

表2 試驗井與鄰井相近井段機械鉆速對比

圖2 TK1090井與鄰井TK1013井相同井段鉆時對比Fig.2 Comparison of drilling time per meter between Well TK1090 and TK1013

圖3 TK1296井與鄰井 S941 井相同井段鉆時對比Fig.3 Comparison of drilling time per meter between Well TK1296 and S941

試驗結(jié)果表明，水力脈沖空化射流鉆井技術(shù)適用于塔河油田(包括新生界、中生界和古生界砂巖、泥巖地層)提速，配合PDC鉆頭最大試驗井深為6 162.0 m，不同地層鉆速平均提高33.3％～74.3％；現(xiàn)場試驗在常規(guī)泵壓、排量、水力參數(shù)、鉆井液密度等條件下進行，水力脈沖空化射流發(fā)生器正常可配合1只PDC鉆頭工作260 h以上，滿足現(xiàn)場要求。

4 結(jié)論及建議

1)通過現(xiàn)場試驗可知，在塔河油田φ241.3 mm井眼配合螺桿鉆具或常規(guī)鉆具，使用水力脈沖空化射流鉆井技術(shù)可以有效提高機械鉆速，但不同地層提速效果差異大。

2)結(jié)合二開φ241.3 mm井眼，研制了φ198.0 mm水力脈沖空化射流發(fā)生器，現(xiàn)場試驗表明，各參數(shù)穩(wěn)定，使用壽命超過260 h，滿足現(xiàn)場需要。

3)建議在塔河油田10區(qū)、12區(qū)二開φ241.3 mm井眼上部地層配合螺桿鉆具、下部地層配合常規(guī)鉆具應(yīng)用該技術(shù)，并結(jié)合現(xiàn)場試驗參數(shù)對工具進行優(yōu)化設(shè)計，以形成塔河油田深井提速新方法。

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ExperimentalStudyonHydraulicPulsedandCavitatingJetDrillingTechniqueinDeepWellsofTaheOilfield

ShiHuaizhong1,LiGensheng1,ZhangHao2,HuangZhongwei1,NiuJilei3,WangDeyu1

(1.StateKeyLaboratoryofPetroleumResourcesandProspecting，ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing,102249,China;2.LinpanDrillingCompany,SinopecXinanOilfieldServiceCorporation,Linyi,Shandong,251500,China;3.SchoolofPetroleumEngineering，ChinaUniversityofpetroleum(Huadong),Qingdao，Shandong，266580,China)

Factors such as low hydraulic energy utilization efficiency and ROP,high drilling cost,etc.severely hindered the speed of petroleum exploration and development in Tahe Oilfield.In view of the real conditions of Tahe Oilfield,and drilling formation,BHA,and drilling parameters of the second drilling section φ241.3 mm wellbore,hydraulic pulsed and cavitating jet drilling were employed to increase ROP.Using conventional drilling tools and composite drilling tools,hydraulic pulsed and cavitating jet drilling technique modulates pulsed jet and cavitating jet to change flow field and rock stress state at the bottom of hole,and raise ROP.The technique had been applied 5 times in 4 wells in Tahe Oilfield.Under normal pumping pressure,flow rate and drilling fluid density,applied well depth reaches up to 6 162 m.The net drilling time of single set of drilling tool exceeded 260 h,the ROP in the applied well intervals was 33.3％-74.3％ higher than adjacent wells which were similar in conditions.Field tests indicated that hydraulic pulsed and cavitating jet technique had a good adaptability to sandstone and mudstone formation of Cenozoic,Mesozoic and Palaeozoic group and different,together with PDC bit,it could enhance ROP by a large margin.

pulsed jet；cavitating jet；penetration rate；field test

2013-01-13；改回日期2013-05-19。

史懷忠(1974—)，男，河南南樂人，1998年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)機械設(shè)計及制造專業(yè)，2009年獲中國石油大學(xué)(北京)油氣井工程專業(yè)博士學(xué)位，助理研究員，主要從事高壓水射流在石油工程中的應(yīng)用研究。

聯(lián)系方式：(010)89733379，huaizhongshi@yahoo.com.cn。

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(“973”計劃)項目“深井復(fù)雜地層安全高效鉆井基礎(chǔ)研究”(編號：2010CB226700)部分研究內(nèi)容。

10.3969/j.issn.1001-0890.2013.03.016

TE248

A

1001-0890(2013)03-0085-04

[編輯 滕春鳴]