钻井综合提速技术探析

二〇一六年三月钻井综合提速技术探析中国石油集团钻井工程技术研究院程荣超[[e-mail],15010061667]石油与天然气工业（环境）中一项为增储上产（最终目标）而开辟保持从地表到地下目的层通道（功能1）和采集所钻地层及井下信息（功能2）的入地工程（性质）地层的不确定性环境的隐蔽性、多变性工作费用的高额性高难度高风险高投入可与上天工程相媲美高技术四高注：钻井工程投入约为石油工业总投入的40%左右，占勘探投入的70-90%，占开发投入的30%-50%；随着国内油气勘探开发向深层、深水和复杂地质条件转移，比例将进一步上升。－2－前言前言－3－前言－4－提高钻井速度1.减少钻机资源的占用2.缩短井壁侵泡时间①提高钻井效益②大幅度降低钻井成本①防止地层发生周期性坍塌②有效解决井壁失稳等复杂3.减少侵泡油气层时间①利于发现和保护油气层②大幅度提高采收率提高钻井速度是我国东部老油田稳产提效及加快西部深层复杂油气藏勘探开发速度、安全钻井、提高单井油气产量、降低“吨油”成本、提高钻探效益的迫切需要，也是提升我国钻井工程技术服务核心竞争力的迫切需要。钻井提速的意义所在：深低海非超深超高温超高压复杂地质条件超硬强研磨低/超低渗长水平段技术集约化低成本钻完一体化深水环境恶劣装备密集化高投入高风险自动化程度高页岩气致密气煤层气技术集成化钻完一体化面对“深、低、海、非”勘探开发新形势，在打成井的基础上，如何用最高效经济的方式打快井、打好井是钻井工程面临的关键难题。－5－前言钻井提速钻井工程永恒的主题！深层油气钻探日趋活跃，现有提速技术拓展应用受限，深部硬地层面临“钻速慢、周期长、成本高”的瓶颈，亟需革命性的提速技术；塔里木库车山前巨厚砾石层、四川九龙山砂砾岩等强研磨地层钻速极慢，亟需高效破岩新技术。中石油每年6000米超深井数前言－6－前言国内钻井技术整体水平（仍以“买+学”为主，原始创新少）钻井提速是钻井技术水平的一个重要指标，世界钻井技术的发展历程在很大程度上体现了钻井提速技术的发展过程。－7－前言－8－钻井速度指标：机械钻速ROP=钻井进尺纯钻时间行程钻速=钻井进尺纯钻时间+起下钻时间=ROP×纯钻时间纯钻时间+起下钻时间m/hm/h钻机月速=钻井进尺钻井工作时间×720=ROP×纯钻时间m/台月钻井工作时间×720周期钻速=钻井工作时间建井时间钻机月速×=钻井工作时间钻井工作时间+搬安时间钻机月速×m/台月最常用！－9－基于比能的钻井优化技术影响钻速因素及提速途径钻头优选与个性化设计提速新工具新方法一二三四提速案例（库车山前）五报告提纲－10－（一）影响钻速因素分析影响钻速因素地层条件人为因素技术水平•地层压实程度（埋深、抬升）•岩性（UCS、可钻性，研磨性等）•地层倾角（造斜率）•地层非均质性•地应力（压力系统）•复杂特殊地层（盐、煤、断层等）•……•组织管理•现场操作•人员水平•……•钻机装备与配套工具•破岩方式与破岩工具•钻井（水力）参数优选•钻井方式（不同循环介质）•钻井液体系及性能•井身结构与钻具组合•……可控因素（技术水平+人为因素）+不可控因素（地层条件）如同“齿轮系统”，每个因素都会影响钻速，共计50多个因素，且复杂多变－11－（二）提速途径探析提速不是简单的提高ROP，其最终目的是缩短钻井周期，降低吨油成本！ROP↑≠周期缩短≠成本降低ROP↑前提：安全、经济（除非必需）•直接提速常规技术–井身结构优化技术–高效PDC钻头–优选参数钻井–气体钻井/空气锤钻井技术–欠平衡钻井–PDC+井下动力钻具复合钻井–高压喷射钻井–优质钻井液技术–旋冲钻井•直接提速新技术–超高压喷射钻井技术–旋转导向和垂直钻井技术–颗粒冲击钻井技术–清洁钻井液技术最关键直接提速措施:生产组织与管理提速间接提速技术•减少事故与复杂,缩短钻井周期技术•压力预测技术•非常规井身结构设计•NDS技术•电磁波MWD技术•井口连续循环系统•控压钻井技术•新型钻具•……（二）提速途径探析－12－钻头优选与个性化设计最优化钻井（钻井参数优选）井下动力钻具提速（复合钻井等）井底降压提速（欠平衡/气体钻井）减振降耗工具（减阻降扭）提升钻机装备能力提高钻速的钻井液改变单一旋转破岩方式（水射流、PID）优化作业模式（批钻、工厂化作业）基于大数据的钻井综合提速技术途径直接提速（二）提速途径探析－13－包括但不限亍以下十类直接提速方法（二）提速途径探析－14－1、钻头“钻头不到，油气不冒”，钻头直接接触地层，是影响钻井破岩效率最直接、最关键的因素近年来，随着材料、加工及个性化设计能力的不断提高，钻头技术发展日新月异，设计理念突破常规，新型钻头层出不穷，对于提升钻井破岩能力起着至关重要的作用破岩方式现状及发展趋势代表性技术接触式钻头切削齿材质要求高PDC逐步取代牙轮钻头设计更具针对性和个性化功能更全，增强钻头耐磨性、可导向性地层适应性更强史密斯的Stinger，ONYX360，Spear（页岩气水平井一趟钻），KCR微芯等；贝克休斯的Kymera（可定向）、IREV™孕镶钻头（多层金刚石）、StayCool多维切削齿钻头等NOV的SpeedDrill（定向+同心扩眼）、SeekerS系列、Helios抗高温切削齿Varel的Imax+孕镶金刚石钻头（双切削齿）哈里伯顿的MegaForce™、EnergyBalance钻头国外钻头技术发展现状超硬材料技术：广泛应用脱钴技术，大幅度提高了脱钴净度和脱钴深度。脱钴深度已达到0.5毫米至0.6毫米。在不牺牲硬度和冲击强度的前提下，改善了PDC钻头的抗研磨性。钻头制造技术：采用粉末铺层等方法制备聚晶金刚石复合片材料，使硬质合金体的硬度呈非均匀分布，形成硬度梯度，从而提高表面硬度，改善自锐性能。3D打印技术：通过一次成型的制造工艺，显著增强钻头应对极端环境的能力。齿形设计技术：多家公司创新推出了设计新颖、性能更优的切削齿。（二）提速途径探析1、钻头锥形PDC切削齿，改变了PDC切削齿一直以来的平面结构，将其安装在钻头切削面的中心，起定心作用，可增强钻头的稳定性，延长钻头使用寿命，同时提高机械钻速；可旋转的ONXYPDC切削齿，解决了PDC切削齿在一个方向磨损的问题，有效发挥切削齿的潜能，延长了钻头的使用寿命；波纹顶面复合片，则是通过特殊设计的波状轮廓金刚石顶面有效降低复合片表面的摩擦力，减少切削过程中产生的热量，从而提高破岩的机械比能。（二）提速途径探析1、钻头双级扩孔钻头：较PDC速度平均提高40%牙轮&PDC复合钻头：扭转震荡减少50%锥形切削齿：硬地层冲击强度10倍，寿命11倍……牙轮钻头耐温能力和寿命不断增强贝克休斯先锋地热钻头，最高工作温度288℃斯伦贝谢Kaldera钻头，160℃高温高硬岩下连续工作77小时PDC钻头对硬地层、复杂地层的适应性不断提高ReedHycalog公司超硬热稳定PDC钻头在抗压强度280MPa的砾岩地层成功应用，钻速达到14.9m/h，提速118%个性化钻头蓬勃发展（二）提速途径探析－17－2、最优化钻井国外已将优化钻井作为一项系统工程，涉及钻井各个环节，由后优化向科学化迈进国内仍然用于基于最优钻速方程的钻井（水力）参数优化，差距较大国际上优化钻井技术发展历程（二）提速途径探析－18－2、最优化钻井钻井（水力）参数：表征钻进过程中可控因素（设备、工具、钻井液以及操作条件）的重要性质的量，如钻头类型、钻井液性能参数、钻压、转速、泵压、排量、钻头喷嘴直径、钻头水功率等。钻井参数优选：指在一定的客观条件下，根据不同参数配合时各因素对钻进速度和钻头寿命的影响规律，采用最优化方法，选择合理的钻进参数配合，使钻进过程达到最优的技术和经济指标。不同参数对钻速的影响规律钻压（三个阶段）转速（指数增大）牙齿磨损（钻速下降）水功率（清岩+破岩）（二）提速途径探析－19－2、最优化钻井钻井参数优选步骤：确定标准→建立目标函数→在各种约束条件下寻求目标函数的极值点→满足极值点条件的参数组合即为最优参数（钻头最优磨损量、最优钻压和最优钻速）。C—单位进尺成本，元/米；Cb—钻头成本，元/只；Cr—钻机作业费，元/h；tr—起下钻、接单根时间，h;t—钻头工作时间，h;H—钻头总进尺，m钻头进尺H与钻压、转速、牙齿磨损量等参数的关系钻头寿命t与钻压、转速、磨损量等参数的关系目标函数最优参数组合：理论上：采用迭代方法求解由目标函数、极值条件和约束条件组成的方程组，全局寻优实际中：确定钻头磨损量→求在不同转速下的最优钻压→选取每米成本最低的钻压、转速组合（二）提速途径探析－20－2、最优化钻井水力参数优选步骤：主要任务：获得最大钻头水功率或最大射流冲击力。能否获得上述标准，取决于排量、喷嘴直径和钻井泵的工作状态（与缸套选择有关），因此，水力参数优化设计的主要任务是确定钻井液排量，选择合适的钻头喷嘴直径和泵的缸套直径。设计步骤：确定携岩要求的最小排量→计算循环压耗系数→选择缸套直径，确定额定泵压、排量、功率→最优排量和喷嘴直径计算（计算第一、第二临界井深，各井段的最优排量和喷嘴直径）→各水力参数计算射流的水力特性钻头的水力特性循环压耗的计算地面泵的水力特性水力参数的优化设计（二）提速途径探析3、井下动力钻具－21－复合钻井成为钻井提速的最常用方法之一，PDC+PDM复合钻井方式已经成为深层提速的主体技术之一。尺寸系列化•外径73mm～287.5mm等壁厚耐高温螺杆•NOV的HEMIDRIL螺杆，采用等壁厚和动力筋技术，耐200℃高温长寿命螺杆•Dyna-Drill公司F2000型螺杆，采用硬对硬PDC止推轴承技术，工作寿命300h以上低速大扭矩螺杆•DRECO的TRGDRIL螺杆由单头螺杆与行星齿轮减速器和支撑节组成，实现低速大扭矩，提速31%空气螺杆和导向系统用螺杆快速发展Anadrill地面可调弯壳体螺杆钻具寿命纪录达1000h长寿命、抗高温、大扭矩螺杆（二）提速途径探析3、井下动力钻具－22－涡轮钻具利用钻井液涡流在叶片两面产生的压差转动转子，多级涡轮叠加，产生高转速与转盘旋转复合运动，带动钻头高速旋转。减速涡轮是在轴承节和钻头之间配置减速器，降低涡轮输出转速，增大钻头扭矩，提高钻头破岩能量。钻井液流经涡轮级的示意图涡轮主要包括轴承部分和动力部分动力部分根据需要可以多级组装（二）提速途径探析3、井下动力钻具－23－高转速，动力强劲，配合孕镶PDC在遇耐磨地层可避免硬质合金或牙轮崩掉没有橡胶件，存放时间不受限制，耐高温达在200～300℃工作寿命长，减小起下钻钻具转速低、保护套管稳定的工具面控制，光滑井眼，井眼质量高优点：泥岩地层提速效果不好：克深209，钻速0.41m/h对循环系统要求高：长期高泵压下工作对固控系统要求严格：岩屑细，一级固控要求高缺点：（二）提速途径探析3、井下动力钻具－24－涡轮稳定性：与螺杆钻具对比定向钻井－稳定的工具面控制能力定向钻井－滑动钻进和复合钻进速度可适用的最高循环井下温度：±270℃（二）提速途径探析3、井下动力钻具涡轮钻具国内应用情况：－25－（二）提速途径探析4、辅助破岩工具－26－钻柱的振动被确定为限制机械钻速和进尺提高最为显著的因素之一（深井占比40%），将有效振动能量转化为破岩能量，减振降耗，提高钻头破岩比能，是破岩工具的发展方向之一。地层不均质性、钻头结构形状等因素引起BHA运动不均匀性及钻头载荷不定常性，导致钻柱的动载和振动。钻具振动三种类型，轴向、横向及扭摆振动，其表现特征为跳钻、涡动及粘滑。•扭力冲击器•钻柱减振增压提速工具•衡扭矩工具•APS智能减振工具（AVD）•AVDT深井钻井减振工具等代表性提速工具扭力冲击发生器将泥浆的流体能量转换成扭向、高频（750-1500次/分）、均匀稳定且足够的机械冲击能量并直接传递给专用PDC实现瞬间冲击破岩。理想情况、实际工况、应用扭力冲击工具井