logo
专注油气领域
与独立思考者同行

对症下药 硬质地层优快钻进取得新突破

对症下药 硬质地层优快钻进取得新突破

北海地区大部分地层都含有白垩系沉积物,从而形成了大范围的白垩系硬质地层,很久以来,这些硬地层区域一直都存在着重大的钻井风险,可能会让运营商们损失大笔费用。为缓解上述问题,挪威一运营商组建了一个综合性的团队,旨在全面分析钻井资料和先前邻井的经验教训,并重新设计钻井流程,本文主要针对其相关研究成果展开介绍。

背景简介

2011年,运营商准备在北海中部的挪威海域钻一批高温高压深井。但由于探井靶点较深,且方案中的前三口井必须钻穿Shetland组的大部分白垩系硬质地层。因此,面临了严峻的技术挑战,且后续的勘探工作还要在这种难钻地层进行作业,于是组建了包括运营商和主要供应商技术专家在内的综合性团队,本文的作者便是该团队的成员之一。该团队的任务是寻求一种单趟起下钻作业便可完成包括白垩系硬质地层在内的12¼英寸井段的方法。

为了实现单趟起下钻就可钻完整个井段的目标,团队领导制定了一项基本策略:即采用高钻压钻井,并使井底的钻头保持恒定的切削模式。但是该策略建立一种假说之上:钻头切削齿并非是造成白垩系硬质地层粘滑振动的主要原因。

关键考虑因素

消除振动

为了与假说保持一致,我们假设振动的根源是与井壁之间的摩擦,并找出产生摩擦的三大因素:

1.稳定器和井壁之间的相互作用;石油圈原创www.oilsns.com
2.“小狗腿角”中稳定器产生的摩擦或钻头改变方位进行横向扭转时产生的摩擦;
3.其它部分的钻柱以及高钻压下钻头产生的摩擦。石油圈原创www.oilsns.com

因此,方案优先考虑用旋转扩眼器取代稳定器串组。且使用现代化的旋转导向系统(RSS)不仅可以提高井筒质量,而且能使钻头保持既定的切削模式,大大降低了钻井缩径的风险。为了减小钻头以及底部钻具组合(BHA)其他部分与井壁之间的摩擦,团队中的钻头专家推出了一种切削能力更强的钻头切削齿设计方案。石油圈原创www.oilsns.com

防止切削齿的磨损

识别出了切削齿磨损的两大潜在因素:

1.超负载的情况下钻入岩石物性差异较大的互层;
2.反转。石油圈原创www.oilsns.com

针对岩石物性差异较大的互层,我们推出了全新的切削深度动态控制技术。

为持续切削提供能量

该研究团队的总体方案是依靠过多的旋转动力来提供足够的能量,并确定两种途径为:

1.减少摩擦和震动引起的能量损失;石油圈原创www.oilsns.com
2.在钻头附近增加一台输出能力强的泥浆泵[容积式马达(PDM)]。

12

上图展示的是需要解决的问题及新型的底部钻具组合方案。依靠钻头的巨大能量来消除粘滑振动效应。为了降低由摩擦引起的粘滑的风险,用旋转扩眼器取代稳定器,且钻头在小钻压下的表现非常好。旋转导向系统顶部装有最新的、功能强大的容积式马达,此外,防粘滑工具也有效地降低了切削齿损坏的风险。

选择合适的钻头

一般来说,切削能力更强的聚晶金刚石复合片(PDC)钻头主要用来提高钻进效率和耐磨性。过去,要想钻开更坚硬的地层,往往需要重型的PDC钻头,该钻头不仅增大了钻柱的振动幅度,而且还加剧了PDC钻头切削齿的磨损程度。然而,高钻压的重型钻头通常需要增加底部钻具组合的压缩载荷以及钻柱的横向作用力,也会产生更大的摩擦力导致粘卡-释放的发生。因此,设计钻穿能力强的轻型PDC钻头时,不仅要提高切削能力,同时还应降低钻头对高钻压的需求,最终降低扭转振动的风险。石油圈原创www.oilsns.com

定向转向能力

在白垩系地层中钻进时通常需要进行转向。尽管弯头马达也具备转向能力,但与旋转导向系统相比,其有效性偏低、井眼质量也更差,如果钻头需要沿着既定方向钻进,应优先选择旋转导向系统。旋转导向系统每一段的末端都装有传动轴,可将钻具转向所需的任意方向(转向率为0%—100%)。石油圈原创www.oilsns.com

动态切削深度

钻遇难钻地层时,可采用这种新型的动态减振技术,并配合使用切削能力较强的切削齿。防粘滑工具的机械原理比较简单。该工具装在底部钻具组合的顶部,平衡为抵消钻头产生的反扭矩而施加的钻头钻压。任何扭矩突变,都将通过内部的螺旋弹簧收缩套筒。这样可瞬间减小作用在钻头切削齿上的钻压。当钻压(对应切削深度)降至钻头能够继续旋转钻进后,这种收缩作用就会解除,内部弹簧也将逐渐恢复至初始状态。如果上述扭矩再次产生,该工具将重复上述过程,而无需重新调整。

钻进结果

参考Shetland白垩系地层的机械钻速(ROP)以及钻进时间数据显示,该地层钻进时间为14~30天。综合考虑过去5~6年内的已钻井的部分平均数值,在Shetland地层共4趟起下钻,平均钻进时间为20天。有着丰富经验的钻井设计人员预测在白垩系地层钻一口新井需要16天,乐观情况下其中还包括三次起下钻作业。

底部钻具组合的首次应用(A井)

在井底,12¼英寸钻头在页岩层中高速开钻直到进入Shetland白垩系地层,在Shetland白垩系地层仍保持平稳、较快钻速持续钻进。为了明确系统的作业边界条件,作业队长同意海上钻机在谨慎条件下采用最高钻速的钻井参数。随着机械钻速的增加,随钻测量工具产生的振动仍在安全范围内。在底部钻具组合的首次应用中,旋转导向系统y轴加速度记录器上的扭转冲击数据表明并未产生粘滑现象。石油圈原创www.oilsns.com

钻头磨损分析

在负载加至最大的过程中,AST系统受压失效,当钻头钻至Shetland层组下部薄层时,高扭矩将作用于PDM马达的钛合金传动轴,将不得不起出底部钻具组合更换马达。基于上述经验,钻井计划中的下一口井(B井)将根据已经确定的极限情况,一次性钻完包括Shetland白垩系地层在内的12¼英寸井段。完成该井段需要8天,是先前预算的一半,相对于近年来的平均工时减少了近两周。

C井新进展

C井所选的钻头不同凡响。该井采用了特殊设计的钻头,具有比先前的两枚钻头更强的切削能力。此外,还包括了外径为8¼英寸最新设计的AST工具,与先前两口井的AST工具相比,该工具扩大了作业范围。基于上述改进,可一次性钻完12¼英寸井段。在白垩系硬质地层钻进时,部分具有风险警示的地层,机械钻速也达到了25米/小时。该井段钻进用时4天,钻头磨损程度较轻。

坚硬地层钻进的可靠解决方案

结果证实,采用改进底部钻具组合和选择切削能力更强的钻头,三口井均能够一次性快速完成难钻地层。这些井的差异极大,并且它们在白垩系硬质地层的实际垂深各不相同。以上观测结果同时证明:全套的底部钻具组合设计和钻头是取得钻进成功的首要因素。与邻井的平均钻进时间相比,节约了12天。单井钻井总成本按平均60~80天做费用预算,采取该方法改进后,可节约15~20%的钻井总成本,此外,施工钻机为第六代钻机,进一步显著降低了整体费用。基于该实践成果,在此基础上继续第四口井的钻进,再次一次性完成12¼英寸井段的钻进工作。

作者/Chris Carpenter  译者/辜富洋  编辑/魏亚蒙

英文原文请点击 (展开/收缩)

未经允许,不得转载本站任何文章:

柠檬
石油圈认证作者
毕业于中国石油大学(华东),油气井工程硕士,长期聚焦国内外石油行业前沿技术装备信息,具有数十万字技术文献翻译经验。如需获取更多技术资料,请联系我们。

评论 抢沙发