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

向良煒,任鵬舉,李 波,庹海洋,胡國金

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

0 引言

近年來,隨著渤海地區勘探開發力度的加大,對于非常規地層的開發成為研究的熱點。相對于渤海地區常見的砂泥巖地層,火成巖因其較高的硬度和強度,地層鉆進難度大,導致機械鉆速低,鉆井效率低。因此,對火成巖地層鉆進措施的研究成為渤海地區油氣開發的重中之重[1-4]。

為提高渤中34-9區塊東營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[5-14],即“旋沖馬達+PDC鉆頭”的鉆具組合形式,提高了火成巖井段的機械鉆速,同時緩解了深部地層PDC鉆頭黏滑振動現象,還有效解決了馬達造斜鉆具滑動鉆進過程中產生的托壓難題,從而提高海洋鉆井時效,降低海洋鉆井成本。

盡管旋沖鉆井破巖技術已經相對成熟,但是關于其在火成巖地層中的表現的研究相對較少。該文以渤中34-9油田為例,簡述了旋沖鉆井技術的基本原理與優勢特點;以研究區域多口井的現場數據為依據,闡述了現場工具組合的使用注意事項,鉆井作業時關鍵參數的選取,通過不同井的現場數據對比表現了旋沖鉆井技術的提速效果。

1 旋沖鉆井技術簡介

1.1 旋沖馬達組成

圖1所示為旋沖馬達示意圖。旋沖馬達是旋沖鉆井技術的主體工具,主要由上接頭、馬達動力總成、馬達驅動軸總成(可調彎角外殼)及液力錘機構等組成。旋沖馬達下端接鉆頭,上接鉆鋌。

圖1 旋沖馬達示意圖Fig.1 Schematic diagram of rotary percussion motor

1.2 技術原理

1)流體勢能轉化為動能

馬達動力總成由定子和轉子組成,通過渦輪運動使液流產生壓力降,從而將水動力轉換為推力作用于驅動軸總成,將轉子的行星運動轉換為鉆頭的旋轉運動向下鉆進。

2)定向功能

可調彎角外殼提前設定好所需高邊位置,在向下鉆進的過程中產生特定的井斜與方位。

3)軸向沖擊實現體積破碎

液力錘機構中的凸輪/滾輪機構相對運動,滾輪循環經過凸輪高低處產生一次振動作用于工具,即一個軸向沖擊動作,這種高頻軸向沖擊力與馬達總成提供的扭矩有效結合,雙重作用使巖石發生剪切破壞與沖擊破壞,實現巖石的“體積破碎”[15-17],提高破巖效率。

2 技術應用研究

通過對渤中34-9油田探井鉆井作業的分析研究,后續生產井多采用旋沖鉆井方式,較常規馬達的鉆具組合大幅度提高了機械鉆速。以BZ34-9-A井二開為例,分析了旋沖鉆井技術的應用情況。BZ34-9-A井是該區域內一口常規定向井,設計井深3 831 m,垂深3 405 m,設計為三開井身結構(如圖2所示)。BZ34-9-A井所開發的構造地層巖性復雜,整套地層發育有砂巖、泥巖、含礫砂巖和火成巖等,尤其是二開地層包括的東營組和沙河街組共發育有342 m的火成巖地層,地層抗壓強度大,可鉆性差,機械鉆速低。根據前期開發經驗,二開地層采用PDC鉆頭配合旋沖馬達鉆進。

圖2 井身結構示意圖Fig.2 Sketch of shaft structure

2.1 旋沖馬達與鉆頭的配合方式

旋沖馬達通過高頻軸向沖擊增強鉆頭的破巖效率,提高機械鉆速。其主要的應用選型參數包括沖擊力和沖擊頻率。液力錘中的凸輪/滾輪機構相對運動,帶動沖擊噴嘴撞擊沖擊閥盤,從而產生沖擊力,沖擊力由沖擊噴嘴在沖擊腔內產生的液壓阻尼作用決定;沖擊頻率由凸輪/滾輪機構的類型及動力總成的轉子轉速決定。

2.1.1 旋沖馬達的配置

1)沖擊噴嘴

旋沖馬達分為密封式沖擊噴嘴和溝槽式沖擊噴嘴2種形式。密封式沖擊噴嘴在沖擊腔內產生較高的液壓阻尼作用,沖擊力相對較小;而溝槽式沖擊噴嘴在沖擊腔內產生較低的液壓阻尼作用,允許更快的下行沖擊動作,沖擊力相對更高。

2)凸輪/滾輪機構

凸輪/滾輪機構分為3頭和4頭,頭數越多,凸輪轉速越高,沖擊滾輪的頻率越高。

旋沖馬達不同配置的使用效果見表1。

表1 旋沖馬達配置效果表Table 1 Rotary percussion motor configurationeffect table

2.1.2 旋沖馬達與鉆頭的配合方式

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

2)牙輪鉆頭破巖機理為鉆頭的沖擊產生破碎坑,進而造成地層的沖擊破碎。相對低頻的軸向沖擊允許相對較長的下行沖擊作用時間,使得地層被吃入更多;配以相對較大的沖擊力,可以最大程度實現鉆頭對地層的沖擊壓碎。

針對研究區域,主要應用PDC鉆頭,因此選擇密封式沖擊噴嘴的4頭旋沖馬達。

2.2 鉆井參數優選

鉆進過程中的鉆井參數主要包括排量、鉆壓和轉速。

2.2.1 排量的優選

旋沖馬達需要保持一定的沖擊頻率以輔助破巖。沖擊頻率的計算方法為:

(1)

式中:Fre為沖擊頻率,Hz;轉子轉速=單位排量轉子轉速×排量Q,r/min。

(2)

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

2.2.2 鉆壓的優選

旋沖鉆具凸輪/滾輪的嚙合要求鉆壓大于某個閾值,稱為最小嚙合鉆壓(pMWE)。根據旋沖馬達工具應用手冊,最小嚙合鉆壓包括工具重量產生的壓力pw、凸輪與滾輪相對運動產生的附加摩擦壓力pf以及開泵時鉆頭壓力損耗pbit這3部分,公式如下:

pWoBmin=pMWE=pw+pf+pbit

(3)

式中:pWoBmin為實際鉆進時鉆壓的最小值,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定的破巖功效,根據《鉆井工程概論》可知,排量與鉆頭水眼壓降關系如下:

Q=N/pb

(4)

式中:Q為排量,L/min;N為鉆頭水功率,kW。

則實際鉆進時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系曲線Fig.4 The relationship curve between minimum mesh weight on bit and displacement

2.2.3 轉速的優選

旋沖馬達對頂驅轉速沒有特殊要求,與常規馬達的應用一致,只需要符合正常鉆井需求且不超過頂驅限扭即可。

2.3 鉆井液應用要求

1)旋沖馬達鉆具流道面積較小,因此,井底巖屑堆積、井段卡阻嚴重而需要長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鉆具。

2)旋沖鉆井產生的巖屑較小,鉆井液應具備良好的攜巖能力和潤滑能力,以使井底巖屑及時清離,避免巖屑在旋沖馬達或鉆頭處堆積,導致機械鉆速變慢以及鉆頭蹩卡現象。

3)儲備不同粒度的隨鉆堵漏材料,在旋沖鉆進過程中使用的堵漏材料粒徑要求小于6 mm,優選顆粒度中型的小于50 μg/L的堅殼類堵漏材料。嚴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,再進行堵漏。

2.4 應用效果分析

2.4.1 鉆進過程

BZ34-9-A井從開始組合入井旋沖馬達及配套PDC鉆頭,到鉆達中完井深2 816 m,再到旋沖馬達及鉆頭出井,旋沖馬達累計進尺579 m,累計入井時間103.25 h,累計循環時間65.25 h,純鉆時間10.50 h,平均機械鉆速55.14 m/h。所鉆地層為館陶組、東營組和沙河街組,其中東營組主要由火成巖組成,可鉆性差。泥漿比重為1.32～1.39 sg,起鉆后鉆頭磨損評級為0-1-WT-A-I-X-NO-TD。

2.4.2 時效分析

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

圖5 火成巖井段機械鉆速對比圖Fig.5 Comparison of rate of penetration in igneous rock section

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

為近一步探究旋沖馬達使用性能,選取BZ34-9-A井和BZ34-9-D井東營組和沙河街組整個井段機械鉆速進行對比(如圖6所示)?？梢钥闯?東營組火成巖使用旋沖馬達較常規螺桿鉆具機械鉆速提高34%,沙河街組使用2種鉆具機械鉆速大體相似,東營組其他巖性使用2種鉆具機械鉆速大體一致。

圖6 東營組和沙河街組機械鉆速對比圖Fig.6 Comparison of rate of penetration between Dongying Formation and Shahejie Formation

2.5 旋沖馬達優勢

2.5.1 提高機械鉆速

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

圖7 機械鉆速對比圖Fig.7 Contrast diagram of rate of penetration

表2 機械鉆速數據表Table 2 Rate of penetration data

從表2可以明顯看出,應用旋沖馬達鉆進的井無論是滑動鉆進還是旋轉鉆進,機械鉆速都明顯高于常規馬達鉆具;而且旋沖馬達鉆進的全井段平均機械鉆速(75.13 m/h)遠高于常規馬達鉆具(56.64 m/h)。

2.5.2 緩解PDC鉆頭黏滑振動及滑動托壓問題

研究區域以較軟的砂泥巖地層為主,主要應用PDC鉆頭進行鉆進。對于火成巖夾層,常規馬達鉆具往往需要增大鉆壓吃入地層以達到更好的切削效果;然而高鉆壓造成了井下PDC鉆頭黏滑振動加劇,導致鉆頭磨損嚴重。旋沖馬達通過凸輪運動使井底鉆具產生周期性沖擊振動,向鉆頭傳遞高頻沖擊力,減少了鉆具與井壁之間的黏滑現象,緩解了PDC鉆頭的黏滑振動,有效保護了鉆頭。圖8所示為A2井和A6井出井鉆頭照片,可以看出A2井與A6井的滑動與旋轉鉆進的進尺較為接近。

圖8 A2井和A6井出井鉆頭照片Fig.8 Photo of drill bit in well A2 and well A6

從圖8比較可以看出,使用旋沖馬達的A2井PDC鉆頭磨損要比A6井少。經過后續測量評估,A2井出井鉆頭外徑為Φ311.15 mm,現場評級為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,現場評級為1-1-WT-A-I-X-NO-TD,不建議再入井。

同時,旋沖馬達通過液力錘機構產生高頻軸向沖擊力,軸向運動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,而軸向振動使得工具高頻動起來,降低了摩擦阻力,從而降低摩阻并改善鉆壓傳遞,緩解了滑動鉆進過程中的托壓問題。

3 結論

1)在火成巖地層,旋沖鉆井技術是提高機械鉆速及降低鉆井成本的有效手段之一。

2)旋沖鉆井技術具有提高機械鉆速、緩解PDC鉆頭黏滑振動和降低摩阻緩解托壓的優勢。

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

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