自激振荡式冲击钻井工具在吉木萨尔地区的应用
2014-06-28王海涛张伟王国斌李君代梦莹
王海涛 ,张伟 ,王国斌 ,李君 ,代梦莹
(1.长江大学,湖北 武汉 430100;2.中国石油新疆油田公司勘探公司,新疆 克拉玛依 834000)
吉木萨尔凹陷位于准噶尔盆地东部隆起,二叠系芦草沟组致密油层在整个凹陷均有分布,存在上下2个“甜点”体,资源量丰富,勘探潜力大,是新疆油田重要的资源接替区域和“新疆大庆”建设的主战场。但吉木萨尔凹陷芦草沟组致密油埋藏较深,三叠系、二叠系地层胶结致密,研磨性强,可钻性差,机械钻速低,钻井周期长,严重影响了该区域的勘探进程。尽管脉冲空化射流钻井、等离子通道钻井、冲击钻井、粒子射流钻井、超高压喷射钻井、控压钻井等技术可以提高钻探效率[1-8],但这些技术在现场应用中均存在一定的不足[9],如粒子射流钻井技术设备复杂、投资大,超高压喷射钻井技术需要提供高压泥浆泵。自激振荡式冲击钻井工具综合了冲击振动钻井[10]和脉冲钻井[11]2 种技术的优点,通过加载冲击载荷改善岩石受力状态,强化井底井场净化,能够有效地提高机械钻速。为此,在吉木萨尔地区应用了自激振荡式冲击钻井工具,且提速效果显著。
1 作用机理
1.1 工作原理
1)机械冲击:该工具通过钻头驱动短节与钻头配合安装,钻井液高速流经自激振荡器,形成流体压力脉动作用于冲击传递杆,产生机械冲击力传递至钻头,对钻头施加5~20 kN,40 Hz左右的低幅高频周期性机械冲击力,使钻头所承受的连续钻压产生波动,振动载荷可使岩石的破坏强度相对降低,从而提高破岩效果[12]。
2)水力脉冲:钻井液高速流经自激振荡器,产生的流体压力脉动向下传递,经钻头水眼喷出,形成脉冲射流作用于井底,强化井底清洗,改善井底岩石的受力状况,降低岩石破坏强度[13]。
1.2 技术特点[14]
1)工具结构简单,能量利用效率高,压力损耗小,密封元件耐油、酸、碱,耐温200℃,安全性和稳定性高。2)自激振荡式水力元件产生的“小振幅、高频率”钻头冲击力,使钻头对地层的适应性增强,可有效防止PDC钻头黏滑和自锁现象,有利于在非均质地层钻进。3)工具对钻头和钻具结构没有特殊要求,不改变现有钻井工艺。4)采用优质耐冲蚀材料制成,水力振荡工件工作寿命长。
1.3 使用要求
1)钻进时要求送钻均匀,当发现井底蹩跳较严重时,应适当减小钻压,待蹩跳现象消除后再逐渐增大钻压。2)尽可能使用无固相或低固相、低黏度钻井液。3)当发现钻开地层中含有H2S等有害气体可能会对井下工具损害时,在井控允许的情况下,及时把工具起至地面。4)如果使用牙轮钻头,推荐采用3个不等径喷嘴,同时尽可能增大最大喷嘴和最小喷嘴直径的差值,钻头水眼推荐按照图1排列。
图1 牙轮钻头水眼排列方式
2 现场应用及效果
目前现场使用的工具规格一般有3种[14],新疆油田主要使用JB-ZJXC-178和JB-ZJXC-230型号。自2011年以来,自激振荡式冲击钻井工具在新疆油田的7大区块共推广应用17井次,总进尺9 216 m,平均机械钻速6.08 m/h,整体提速36.80%;预探井共应用7井次,总进尺5 010 m,平均机械钻速5.03 m/h,其中在吉木萨尔地区预探井共试验应用了4井次(JB-ZJXC-230型号),应用井段的机械钻速提高27.96%~110.61%(见表1)。该工具安全性和稳定性高,现场应用效果良好[15]。
表1 自激振荡式冲击钻井工具应用效果对比
2.1 吉251井
吉251井3 010~3 346 m井段应用自激振荡式冲击钻井工具提速,钻遇烧房沟组、韭菜园组、梧桐沟组地层。钻具组合:φ216 mm MCXT516-7钻头×0.23 m+自激振荡式冲击钻井工具×1.46 m+φ159 mm钻铤×18.36 m+φ214 mm 稳定器×1.59 m+φ159 mm 钻铤×202.05m+4A1×410 接头(0.45m)+φ127mm 钻杆×3109.31 m+411×410 接头(0.63 m)+411×410 旋塞(0.50 m)+411×520接头(0.49 m)+φ133 mm方钻杆。钻进参数:钻压40~60 kN, 转速 60 r/min, 排量 22 L/s, 泵压 12~14 MPa。钻井液密度为1.44~1.48 g/cm3。工具使用时间142 h,进尺336 m,机械钻速2.37 m/h,应用井段平均钻时为25 min/m,比邻井吉25井平均钻时31 min/m缩短19.35%(见图2)。吉251井在烧房沟组地层使用牙轮钻头、PDC钻头的钻速分别为1.21,1.30 m/h,相同地层使用自激振荡式冲击钻井工具的井段钻速达2.13 m/h,分别提速76.03%和63.85%。
2.2 吉33井、吉34井
吉33井、吉34井是位于准噶尔盆地东部隆起吉木萨尔凹陷东斜坡区相邻的2口预探井,完钻井深相近,且为同一只钻井队伍施工,技术力量、机泵条件、地层岩性、钻头型号和钻进参数等均相同,相互对比性较强。
吉33井1 740~2 600 m井段应用自激振荡式冲击钻井工具提速,钻遇头屯河组、三工河组、八道湾组地层。钻具组合:φ311 mm钻头×0.35 m+自激振荡式冲击钻井工具×1.46 m+φ229 mm 钻铤×17.70 m+φ310 mm稳定器×1.60 m+φ229 mm 钻铤×9.27 m+731×630接头×0.48 m+φ203 mm 钻 铤 ×53.74 m+631×410 接 头 ×0.46 m+φ178 mm 钻铤×108.62 m+φ127 mm 钻杆×2 400 m+φ133 mm方钻杆。所用钻井液的密度为1.35~1.42 g/cm3。
吉34井2 201~2 668 m井段应用自激振荡式冲击钻井工具提速,钻遇三工河组、八道湾组地层。钻具组合:φ311 mm钻头×0.35 m+自激振荡式冲击钻井工具×1.46 m+φ229 mm 钻铤×17.70 m+φ310 mm 稳定器×1.60 m+φ229 mm 钻铤×9.27 m+731×630 接头×0.48 m+φ203 mm 钻铤×53.74 m+631×410 接头×0.46 m+φ178 mm 钻铤×108.62 m+φ178 mm 随钻震击器×9.6 m+φ127 mm钻杆×2 460 m+φ133 mm方钻杆。所用钻井液的密度为1.38~1.42 g/cm3。
选取1 740~2 201 m和2 600~2 668 m井段进行对比发现,工具应用井段的机械钻速分别提高11.20%和57.26%(见表2),提速效果明显。同时,自激振荡式冲击钻井工具具有一定的降斜效果,吉33井和吉34井工具应用井段的井斜角均控制在1°以内(见图3)。
表2 吉33井、吉34井工具应用效果对比
图3 吉33井、吉34井实钻井斜变化
3 结论
1)自激振荡式冲击钻井工具能合理利用井底水力能量增强钻头冲击力,优化井底流场,改善钻头和岩石受力状况,提高钻头破岩效果。
2)自激振荡式冲击钻井工具与牙轮钻头和PDC钻头均可配合使用,性能稳定,质量可靠。
3)自激振荡式冲击钻井工具可以满足现场难钻地层提速技术的需要,吉木萨尔地区应用该工具后,机械钻速有较大提高,钻时和井斜也有明显下降,应用效果较好,建议在该区块进一步推广使用。
4)该工具目前只应用于直井段,具有一定的局限性,建议对自激振荡式冲击钻井工具进行开发研究,以满足斜井段的现场作业需求。
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