应用数字技术优化钻头选型降低钻井成本

应用数字技术优化钻头选型降低钻井成本胡泽萍编译胡湘炯审校摘要本文阐述了在意大利的多伦特、斯格诺油田，如何运用数字化技术优选钻头,以显著降低钻井成本。译自SPE/1ADC52877引言位于意大利中部多伦特·斯格诺油田的蒙特恩1井，设计井深2350米,钻到上白垩纪含亚平宁酸气的石灰岩，穿过一系列夹层，岩性预测及相关套管深度和尺寸参见图1。该地区地质状况复杂，砂岩和泥岩上覆有中新世逆掩断层，使得钻头设计比较困难，最靠近的邻井是玛沙利亚·韦斯利1井，蒙特恩1井的设计主要基于该井的记录。作业商最初设计42天钻至设计井深，不包括下套管和完井作业。81/2〃井段是最具挑战性的，也是本文的主题。该地区通常的做法是将套管下到中新世的底部，以防止下部上新世高压地层发生井涌。玛沙利亚·韦斯利1井表明将套管下到1100米中新世泥灰岩可以有足够的安全系数保证安全钻进。作业商也了解到主油藏石灰岩可以“裸眼完井”。这些措施将缩小井眼，大幅度降低成本。作业商设计19天钻过该井段，包括全部非钻进作业。根据预测，1100-2110米之间的81/2〃井段由致密的中新世石灰岩和含上新世胶结石英砂岩的淤积泥岩夹层组成。玛沙利亚·韦斯利1井邻井的对应段是用三个121/4〃和四个81/2〃牙轮钻头钻进，见表1所示。仅考虑钻进和起下钻时间，钻完该段用了16.7天，按照目前汇率成本为623000美元。第一个121/4〃IADC517型镶齿钻头，用于钻过上新世地层的石灰岩/泥岩段。起出后大部分切削刃损坏，看起来象是断齿。第二个121/4〃1ADC437镶齿钻头钻完上中新世底部的80米地层和中新世中部的泥岩/砂岩地层，其它的钻头钻完了中新世中段和下段的泥岩/砂岩。这些钻头起出后，切削结构几乎完好无损。基于上述考虑和岩性描述,显示81/2〃井段的最好办法是：下入钻速高的PDC钻头钻过中新世泥岩段，但是，第一个121/4〃钻头的磨损情况表明，上中新世地层的石灰岩不适于用PCD钻头，因此应选择一只牙轮钻头。图1地质柱状图表—1玛沙利亚·韦斯利1井—部分钻头记录尺寸IADC水眼下入起出进尺小时钻速泥浆岩性磨损分级121/45172×161×1511441321177424.21WBMLS68BTA0EJDPR121/44472×161×1513211477156374.22WBMSH-LS140(T.B.G.)121/45171×162×151477179331678.54.03WBMSH180(T.B.G.)81/21163×1417931959166642.59WBMSH280(T.B.G.)81/21161×142×121960213917954.53.28WBMSH150(T.B.G.)81/21161×142×1221392239100392.56WBMSH-LS240(T.B.G.)81/25173×16223922531443.5WBMSH-LS010(T.B.G.)LS—石灰岩SH—泥岩T—牙齿B—轴承G—保径图2是最初的钻头设计，要求用一只81/2〃IADC-447型牙轮钻头钻过300米的石灰岩，一只81/2〃IADCM332型PDC钻头钻过中新世泥岩。第一个牙轮钻头应以4.5m/h的钻速钻完致密的石灰岩，PDC钻头应以5m/h钻完全段。预计该段可以用9.6天钻完，总成本约266000美元。图2钻井进度曲线为这一目的，作业者向几个钻头厂商提供了玛沙利亚·韦利斯1井的电缆测井资料。这些资料先后用多种软件分析。所有钻头厂商起初设计要求用一个或两个牙轮钻头钻过上中新世和一个钻速高的PCD钻头钻过中新世中段。但是，一个钻头厂商提议用一只PDC钻完全段。基于这些结果和计算分析，作业者选中了一个特殊钻头生产商的结果，这是由于它对预测下部无约束压缩的可靠性。该程序计算出中新世石灰岩的无约束压缩强度值为10000-20000psi。其声波数据传输值为45-60μ/ft，如图3。该程序建议这些石灰岩可以用PDC钻头，只要它坚固足以破坏地层强度。作业者最初怀疑这一建议。但签订了一个共担经济风险的协议后，作业者决定使用该钻头。钻头公司不得不研究切削刃技术以便能经受研磨性石灰岩的磨损，并在保持高钻速的同时防止下部泥岩段井斜和泥包。钻头进展钻进中新世中等强度石灰岩时，牙轮耐用性通常是钻头性能的决定性因素。底部钻具组合和钻头的震动经常导致坚固的切削刃破裂，使切削结构不能有效地钻进后续的泥岩。对上部石灰岩通常加大钻压以减轻底部钻具及钻头的震动。相对而言，石灰岩下部的泥岩段适用低钻压，且钻进最快。它具有好的水力流型以利于有效清洁钻头，钻头顶部有足够空间以利于快速钻进泥岩时容纳大量岩屑。为获得在石灰岩中的耐用性和泥岩中的高钻速，决定选择较低钻压的PDC钻头,选择较低钻压的钻头意味着在石灰岩地层中切削件必须耐用，在泥岩中钻头有出色的清洁特征。在实验室里，用每一新切削件刨切赛里拉白色花岗岩（抗压强度约为25000psi），改变切削深度和其它参数以改变极值载荷,在一定时间范围内引发切削件破坏。每一次实验进行到切削件破坏或破坏岩石的预定上限。由于实验数据的分散性，所以实验了许多切削刃。有两个切削刃在卡图沙实验中心进行现场评价中（“甲”和“乙”），性能明显优于其它切削刃，被选中用作控制现场实验。在此之后，三个切削刃在卡图沙实验中心进行现场评价。“甲”和“乙”是具有新特征的切削件，在实验室实验的性能很好。而“丙”是目前不易磨损的标准切削件，它已是商业产品作为对比的基准。卡图沙的地层包括几段石灰岩，其声波传输时间为μs/ft。在卡图沙共钻进1200到1500英尺。第一部分的特点是泥岩中带有硬石灰岩夹层，而后者是泥岩/石灰岩，接下来是大量石灰岩和白云岩床。81/2〃IADC-M332PDC钻头被选中在实验台上作切削件试验，钻头含三种型号，一个标准切削件及两个试验件。切削件的排列经过仔细筛选以使每一个都有大约相同的静态破裂几率。并确保每一切削刃从中心到边缘分布均匀以使钻头的锥体顶部、台阶和外周环境相同。混合牙轮试验的结果大体上与实验室结果一致。明显看出“甲”刃是最持久的，因此它被选中用于钻中新世地层。确保成功的第二个要求，是通过平衡水眼或排屑槽及排除岩屑的能量实现钻头清洁。均匀分布排出的岩屑量也是必要的。例如，成功的做法意味着主切削刃排出岩屑体积比例与第二个及第三个产生的比例相同。为提高在泥岩中的效率，选中了获得专利的抛光切削刃。高压钻井模拟器的一系列实验室试验显示，通过平衡流量及每一刃产生的岩屑，在泥岩中不再堵塞，钻速比未经平衡水力参数的标准钻头快得多。图3，玛1井岩石强度计算蒙特恩1井81/2〃IADC-M423型PDC钻头被选中用于该试验，因为该钻头的剖面和分布使最小冲击力负荷的稳定性增强，当新钻头长时间在上中新世石灰岩地层钻进时,不会过度磨损。作业者在能否一趟钻完全段的怀疑中，同意试一下其性能。按照计划,该钻头一次入井钻过浮鞋，上中新世石灰岩和中新世泥岩到1686米。水眼为：4×11和2×12/32以平衡水力参数。底部钻具组合如下：钻头—近钻头稳定器—短钻铤—扶正器—2根钻铤—稳定器—10根钻铤—震击器—4根钻铤—配合接头—12根加重钻杆。泥浆比重为1.18—1.20SG。钻头钻过石灰岩/泥岩夹层的瞬时钻速为4-35m/h，平均机械钻速为10.25m/h。该段有扭矩变化和钻柱遇阻。为控制这些情况，要不断调整钻井参数，见图4。作者希望强调的是对钻井参数的良好控制是必要的。以避免夹层构造应力引起的跳钻。钻头公司工程师的现场指导对于获得钻头高性能也是很重要的。由于地质原因起钻后又下到同一深度，钻过剩余的中新世泥岩到2283米,由于气体显示限制了钻井参数，尽管降低了参数，但钻头第二次下井的瞬时钻速为2-35m/h，平均为6.15m/h。钻头起出状况良好，切削刃和基体少量磨损。这一应用使作业者以7.1天钻完该段，包括两趟起钻，比邻井缩短了9.6天作业时间。该井比作业者的设计提前了4.5天，比钻头公司的设计提前了2.5天。该井的钻井成本约200,000美元，比邻井节约成本423,000美元，比钻井公司的起初设计节约66,000美元。蒙特恩1井的电测数据用同一软件分析，并与邻井岩石强度比较。为便于比较，作业调整了玛沙利亚·韦斯利1井的电测井深以与蒙特恩1井相对应，如图5。分析表明，蒙特恩1井石灰岩段夹有比玛沙利亚·韦斯利1井多的泥岩夹层。81/2〃段地层的厚度为310米，比玛沙利亚·韦斯利1井厚18米。分析也表明蒙特恩1井石灰岩声波数据传输值在45-60μs/ft的范围变化。这些石灰岩的计算无约束压缩强度与玛沙利亚·韦斯利1井的相同，这在上中新世石灰岩地层的底部更明显。结论(1)计算机程序的新算法使作业者可从邻井的电测数据更精确地预测下部岩层的无约束压缩强度。(2)这一新的数字工具向作业者提供了第一次在特殊构造层位使用PDC钻头的依据。(3)PDC技术的发展已能使一只钻头在保持高钻速的同时可以承受碳酸岩或砂岩的磨损，而且防止塑性地层引起的井斜和泥包。(4)新PDC钻头技术的发展与精确的岩石强度算法相结合，可以应用到全球的类似夹层，从而大幅度降低钻井时间和成本。图4，钻井参数曲线图5，蒙1井与玛1井的对应曲线