旋沖鉆井技術(shù)在渤中34-9油田火成巖地層的應(yīng)用研究
——以BZ34-9-A井為例

向良煒,任鵬舉,李 波,庹海洋,胡國(guó)金

(1. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司,天津 300452;2. 中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司,天津 300452)

0 引言

近年來,隨著渤海地區(qū)勘探開發(fā)力度的加大,對(duì)于非常規(guī)地層的開發(fā)成為研究的熱點(diǎn)。相對(duì)于渤海地區(qū)常見的砂泥巖地層,火成巖因其較高的硬度和強(qiáng)度,地層鉆進(jìn)難度大,導(dǎo)致機(jī)械鉆速低,鉆井效率低。因此,對(duì)火成巖地層鉆進(jìn)措施的研究成為渤海地區(qū)油氣開發(fā)的重中之重[1-4]。

為提高渤中34-9區(qū)塊東營(yíng)組和沙河街組火成巖地層的破巖效率,采用目前鉆井界比較成熟的旋沖鉆井破巖技術(shù)[5-14],即“旋沖馬達(dá)+PDC鉆頭”的鉆具組合形式,提高了火成巖井段的機(jī)械鉆速,同時(shí)緩解了深部地層PDC鉆頭黏滑振動(dòng)現(xiàn)象,還有效解決了馬達(dá)造斜鉆具滑動(dòng)鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的托壓難題,從而提高海洋鉆井時(shí)效,降低海洋鉆井成本。

盡管旋沖鉆井破巖技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟,但是關(guān)于其在火成巖地層中的表現(xiàn)的研究相對(duì)較少。該文以渤中34-9油田為例,簡(jiǎn)述了旋沖鉆井技術(shù)的基本原理與優(yōu)勢(shì)特點(diǎn);以研究區(qū)域多口井的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)為依據(jù),闡述了現(xiàn)場(chǎng)工具組合的使用注意事項(xiàng),鉆井作業(yè)時(shí)關(guān)鍵參數(shù)的選取,通過不同井的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)比表現(xiàn)了旋沖鉆井技術(shù)的提速效果。

1 旋沖鉆井技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 旋沖馬達(dá)組成

圖1所示為旋沖馬達(dá)示意圖。旋沖馬達(dá)是旋沖鉆井技術(shù)的主體工具,主要由上接頭、馬達(dá)動(dòng)力總成、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)軸總成(可調(diào)彎角外殼)及液力錘機(jī)構(gòu)等組成。旋沖馬達(dá)下端接鉆頭,上接鉆鋌。

圖1 旋沖馬達(dá)示意圖Fig.1 Schematic diagram of rotary percussion motor

1.2 技術(shù)原理

1)流體勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能

馬達(dá)動(dòng)力總成由定子和轉(zhuǎn)子組成,通過渦輪運(yùn)動(dòng)使液流產(chǎn)生壓力降,從而將水動(dòng)力轉(zhuǎn)換為推力作用于驅(qū)動(dòng)軸總成,將轉(zhuǎn)子的行星運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為鉆頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)向下鉆進(jìn)。

2)定向功能

可調(diào)彎角外殼提前設(shè)定好所需高邊位置,在向下鉆進(jìn)的過程中產(chǎn)生特定的井斜與方位。

3)軸向沖擊實(shí)現(xiàn)體積破碎

液力錘機(jī)構(gòu)中的凸輪/滾輪機(jī)構(gòu)相對(duì)運(yùn)動(dòng),滾輪循環(huán)經(jīng)過凸輪高低處產(chǎn)生一次振動(dòng)作用于工具,即一個(gè)軸向沖擊動(dòng)作,這種高頻軸向沖擊力與馬達(dá)總成提供的扭矩有效結(jié)合,雙重作用使巖石發(fā)生剪切破壞與沖擊破壞,實(shí)現(xiàn)巖石的“體積破碎”[15-17],提高破巖效率。

2 技術(shù)應(yīng)用研究

通過對(duì)渤中34-9油田探井鉆井作業(yè)的分析研究,后續(xù)生產(chǎn)井多采用旋沖鉆井方式,較常規(guī)馬達(dá)的鉆具組合大幅度提高了機(jī)械鉆速。以BZ34-9-A井二開為例,分析了旋沖鉆井技術(shù)的應(yīng)用情況。BZ34-9-A井是該區(qū)域內(nèi)一口常規(guī)定向井,設(shè)計(jì)井深3 831 m,垂深3 405 m,設(shè)計(jì)為三開井身結(jié)構(gòu)(如圖2所示)。BZ34-9-A井所開發(fā)的構(gòu)造地層巖性復(fù)雜,整套地層發(fā)育有砂巖、泥巖、含礫砂巖和火成巖等,尤其是二開地層包括的東營(yíng)組和沙河街組共發(fā)育有342 m的火成巖地層,地層抗壓強(qiáng)度大,可鉆性差,機(jī)械鉆速低。根據(jù)前期開發(fā)經(jīng)驗(yàn),二開地層采用PDC鉆頭配合旋沖馬達(dá)鉆進(jìn)。

圖2 井身結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch of shaft structure

2.1 旋沖馬達(dá)與鉆頭的配合方式

旋沖馬達(dá)通過高頻軸向沖擊增強(qiáng)鉆頭的破巖效率,提高機(jī)械鉆速。其主要的應(yīng)用選型參數(shù)包括沖擊力和沖擊頻率。液力錘中的凸輪/滾輪機(jī)構(gòu)相對(duì)運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)沖擊噴嘴撞擊沖擊閥盤,從而產(chǎn)生沖擊力,沖擊力由沖擊噴嘴在沖擊腔內(nèi)產(chǎn)生的液壓阻尼作用決定;沖擊頻率由凸輪/滾輪機(jī)構(gòu)的類型及動(dòng)力總成的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。

2.1.1 旋沖馬達(dá)的配置

1)沖擊噴嘴

旋沖馬達(dá)分為密封式?jīng)_擊噴嘴和溝槽式?jīng)_擊噴嘴2種形式。密封式?jīng)_擊噴嘴在沖擊腔內(nèi)產(chǎn)生較高的液壓阻尼作用,沖擊力相對(duì)較小;而溝槽式?jīng)_擊噴嘴在沖擊腔內(nèi)產(chǎn)生較低的液壓阻尼作用,允許更快的下行沖擊動(dòng)作,沖擊力相對(duì)更高。

2)凸輪/滾輪機(jī)構(gòu)

凸輪/滾輪機(jī)構(gòu)分為3頭和4頭,頭數(shù)越多,凸輪轉(zhuǎn)速越高,沖擊滾輪的頻率越高。

旋沖馬達(dá)不同配置的使用效果見表1。

表1 旋沖馬達(dá)配置效果表Table 1 Rotary percussion motor configurationeffect table

2.1.2 旋沖馬達(dá)與鉆頭的配合方式

1)PDC鉆頭破巖機(jī)理為復(fù)合金剛石片對(duì)地層的剪切作用。相對(duì)較高的沖擊頻率有助于增加鉆頭剪切接觸井底的次數(shù),實(shí)現(xiàn)快速多次剪切;配以相對(duì)較小的沖擊力,可以有效降低鉆頭沖擊地面對(duì)鉆頭本身的影響。

2)牙輪鉆頭破巖機(jī)理為鉆頭的沖擊產(chǎn)生破碎坑,進(jìn)而造成地層的沖擊破碎。相對(duì)低頻的軸向沖擊允許相對(duì)較長(zhǎng)的下行沖擊作用時(shí)間,使得地層被吃入更多;配以相對(duì)較大的沖擊力,可以最大程度實(shí)現(xiàn)鉆頭對(duì)地層的沖擊壓碎。

針對(duì)研究區(qū)域,主要應(yīng)用PDC鉆頭,因此選擇密封式?jīng)_擊噴嘴的4頭旋沖馬達(dá)。

2.2 鉆井參數(shù)優(yōu)選

鉆進(jìn)過程中的鉆井參數(shù)主要包括排量、鉆壓和轉(zhuǎn)速。

2.2.1 排量的優(yōu)選

旋沖馬達(dá)需要保持一定的沖擊頻率以輔助破巖。沖擊頻率的計(jì)算方法為:

(1)

式中:Fre為沖擊頻率,Hz;轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速=單位排量轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速×排量Q,r/min。

(2)

圖3 沖擊頻率與排量關(guān)系曲線Fig.3 The relationship curve between impact frequency and displacement

2.2.2 鉆壓的優(yōu)選

旋沖鉆具凸輪/滾輪的嚙合要求鉆壓大于某個(gè)閾值,稱為最小嚙合鉆壓(pMWE)。根據(jù)旋沖馬達(dá)工具應(yīng)用手冊(cè),最小嚙合鉆壓包括工具重量產(chǎn)生的壓力pw、凸輪與滾輪相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的附加摩擦壓力pf以及開泵時(shí)鉆頭壓力損耗pbit這3部分,公式如下:

pWoBmin=pMWE=pw+pf+pbit

(3)

式中:pWoBmin為實(shí)際鉆進(jìn)時(shí)鉆壓的最小值,MPa;pbit=pb×S,pb為鉆頭水眼壓降,MPa,S為鉆頭水眼總截面積,cm2。

在鉆井過程中,要保持鉆頭水功率恒定以使得鉆頭具有穩(wěn)定的破巖功效,根據(jù)《鉆井工程概論》可知,排量與鉆頭水眼壓降關(guān)系如下:

Q=N/pb

(4)

式中:Q為排量,L/min;N為鉆頭水功率,kW。

則實(shí)際鉆進(jìn)時(shí)最小鉆壓可以表示為:

pWoBmin=pMWE=pw+pf+pbit=pw+pf+(N×S)/Q

(5)

圖4 最小嚙合鉆壓與排量關(guān)系曲線Fig.4 The relationship curve between minimum mesh weight on bit and displacement

2.2.3 轉(zhuǎn)速的優(yōu)選

旋沖馬達(dá)對(duì)頂驅(qū)轉(zhuǎn)速?zèng)]有特殊要求,與常規(guī)馬達(dá)的應(yīng)用一致,只需要符合正常鉆井需求且不超過頂驅(qū)限扭即可。

2.3 鉆井液應(yīng)用要求

1)旋沖馬達(dá)鉆具流道面積較小,因此,井底巖屑堆積、井段卡阻嚴(yán)重而需要長(zhǎng)井段劃眼以及可能需要大顆粒堵漏材料的井不得使用旋沖馬達(dá)鉆具。

2)旋沖鉆井產(chǎn)生的巖屑較小,鉆井液應(yīng)具備良好的攜巖能力和潤(rùn)滑能力,以使井底巖屑及時(shí)清離,避免巖屑在旋沖馬達(dá)或鉆頭處堆積,導(dǎo)致機(jī)械鉆速變慢以及鉆頭蹩卡現(xiàn)象。

3)儲(chǔ)備不同粒度的隨鉆堵漏材料,在旋沖鉆進(jìn)過程中使用的堵漏材料粒徑要求小于6 mm,優(yōu)選顆粒度中型的小于50 μg/L的堅(jiān)殼類堵漏材料。嚴(yán)禁將大顆粒堵漏材料混入正常鉆井泥漿中,以免損壞旋沖鉆具。若需加入較大顆粒堵漏劑,則需起出旋沖鉆具,再進(jìn)行堵漏。

2.4 應(yīng)用效果分析

2.4.1 鉆進(jìn)過程

BZ34-9-A井從開始組合入井旋沖馬達(dá)及配套PDC鉆頭,到鉆達(dá)中完井深2 816 m,再到旋沖馬達(dá)及鉆頭出井,旋沖馬達(dá)累計(jì)進(jìn)尺579 m,累計(jì)入井時(shí)間103.25 h,累計(jì)循環(huán)時(shí)間65.25 h,純鉆時(shí)間10.50 h,平均機(jī)械鉆速55.14 m/h。所鉆地層為館陶組、東營(yíng)組和沙河街組,其中東營(yíng)組主要由火成巖組成,可鉆性差。泥漿比重為1.32～1.39 sg,起鉆后鉆頭磨損評(píng)級(jí)為0-1-WT-A-I-X-NO-TD。

2.4.2 時(shí)效分析

1)火成巖4口井的機(jī)械鉆速對(duì)比如圖5所示。BZ34-9-A井2 235～2 498 m井段存在火成巖,旋沖馬達(dá)進(jìn)尺263 m,純鉆時(shí)間3.44 h,平均機(jī)械鉆速76.48 m/h;BZ34-9-B井2 633～2 823 m井段存在火成巖,常規(guī)螺桿鉆具進(jìn)尺191 m,純鉆時(shí)間5.74 h,平均機(jī)械鉆速33.28 m/h;BZ34-9-C井2 292～2 605 m井段存在火成巖,常規(guī)螺桿鉆具進(jìn)尺314 m,純鉆時(shí)間7.84 h,平均機(jī)械鉆速40.05 m/h;BZ34-9-D井2 205～2 729 m井段存在火成巖,常規(guī)螺桿鉆具進(jìn)尺525 m,純鉆時(shí)間13.34 h,平均機(jī)械鉆速39.36 m/h。

圖5 火成巖井段機(jī)械鉆速對(duì)比圖Fig.5 Comparison of rate of penetration in igneous rock section

針對(duì)火成巖井段,BZ34-9-A井相較BZ34-9-B井、BZ34-9-C井和BZ34-9-D井機(jī)械鉆速分別提高了130%,91%和94%;整體機(jī)械鉆速提高了105%。

為近一步探究旋沖馬達(dá)使用性能,選取BZ34-9-A井和BZ34-9-D井東營(yíng)組和沙河街組整個(gè)井段機(jī)械鉆速進(jìn)行對(duì)比(如圖6所示)。可以看出,東營(yíng)組火成巖使用旋沖馬達(dá)較常規(guī)螺桿鉆具機(jī)械鉆速提高34%,沙河街組使用2種鉆具機(jī)械鉆速大體相似,東營(yíng)組其他巖性使用2種鉆具機(jī)械鉆速大體一致。

圖6 東營(yíng)組和沙河街組機(jī)械鉆速對(duì)比圖Fig.6 Comparison of rate of penetration between Dongying Formation and Shahejie Formation

2.5 旋沖馬達(dá)優(yōu)勢(shì)

2.5.1 提高機(jī)械鉆速

旋沖馬達(dá)上面的液力錘結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生軸向高頻沖擊力,即在常規(guī)馬達(dá)鉆具的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)額外的軸向沖擊力,有利于深部硬地層巖石裂紋形成和擴(kuò)展,提高了鉆頭破巖效率,從而顯著提高機(jī)械鉆速。選取地質(zhì)情況相似的A2井和A6井的相似井段進(jìn)行比較(其中A2井為旋沖馬達(dá)鉆進(jìn),A6井為普通馬達(dá)鉆進(jìn)),其機(jī)械鉆速的剖面圖如圖7所示。

圖7 機(jī)械鉆速對(duì)比圖Fig.7 Contrast diagram of rate of penetration

表2 機(jī)械鉆速數(shù)據(jù)表Table 2 Rate of penetration data

從表2可以明顯看出,應(yīng)用旋沖馬達(dá)鉆進(jìn)的井無論是滑動(dòng)鉆進(jìn)還是旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn),機(jī)械鉆速都明顯高于常規(guī)馬達(dá)鉆具;而且旋沖馬達(dá)鉆進(jìn)的全井段平均機(jī)械鉆速(75.13 m/h)遠(yuǎn)高于常規(guī)馬達(dá)鉆具(56.64 m/h)。

2.5.2 緩解PDC鉆頭黏滑振動(dòng)及滑動(dòng)托壓?jiǎn)栴}

研究區(qū)域以較軟的砂泥巖地層為主,主要應(yīng)用PDC鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)。對(duì)于火成巖夾層,常規(guī)馬達(dá)鉆具往往需要增大鉆壓吃入地層以達(dá)到更好的切削效果;然而高鉆壓造成了井下PDC鉆頭黏滑振動(dòng)加劇,導(dǎo)致鉆頭磨損嚴(yán)重。旋沖馬達(dá)通過凸輪運(yùn)動(dòng)使井底鉆具產(chǎn)生周期性沖擊振動(dòng),向鉆頭傳遞高頻沖擊力,減少了鉆具與井壁之間的黏滑現(xiàn)象,緩解了PDC鉆頭的黏滑振動(dòng),有效保護(hù)了鉆頭。圖8所示為A2井和A6井出井鉆頭照片,可以看出A2井與A6井的滑動(dòng)與旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的進(jìn)尺較為接近。

圖8 A2井和A6井出井鉆頭照片F(xiàn)ig.8 Photo of drill bit in well A2 and well A6

從圖8比較可以看出,使用旋沖馬達(dá)的A2井PDC鉆頭磨損要比A6井少。經(jīng)過后續(xù)測(cè)量評(píng)估,A2井出井鉆頭外徑為Φ311.15 mm,現(xiàn)場(chǎng)評(píng)級(jí)為0-0-WT-G-I-X-NO-TD,可再次入井;而A6井出井鉆頭外徑為Φ306.21 mm,現(xiàn)場(chǎng)評(píng)級(jí)為1-1-WT-A-I-X-NO-TD,不建議再入井。

同時(shí),旋沖馬達(dá)通過液力錘機(jī)構(gòu)產(chǎn)生高頻軸向沖擊力,軸向運(yùn)動(dòng)將彎曲的鉆具一定程度上拉直,而且由于大位移井中工具緊貼井壁,靜摩擦較大,而軸向振動(dòng)使得工具高頻動(dòng)起來,降低了摩擦阻力,從而降低摩阻并改善鉆壓傳遞,緩解了滑動(dòng)鉆進(jìn)過程中的托壓?jiǎn)栴}。

3 結(jié)論

1)在火成巖地層,旋沖鉆井技術(shù)是提高機(jī)械鉆速及降低鉆井成本的有效手段之一。

2)旋沖鉆井技術(shù)具有提高機(jī)械鉆速、緩解PDC鉆頭黏滑振動(dòng)和降低摩阻緩解托壓的優(yōu)勢(shì)。

3)旋沖鉆井產(chǎn)生的巖屑較小,鉆井液應(yīng)具備良好的攜巖能力和潤(rùn)滑能力;在旋沖鉆進(jìn)過程中使用的堵漏材料粒徑要小,以免損壞旋沖鉆具。

4)旋沖馬達(dá)在BZ34-9-A井二開作業(yè),與鄰井(BZ34-9-B、BZ34-9-C和BZ34-9-D)相比,整體機(jī)械鉆速提高了105%。