石油工程专业毕业论文-小井眼钻井技术的发展和应用

摘要:随着油气生产费用的提高, 以及石油工程领域不断向边远地区扩展和钻井 工艺技术水平的提高, 钻小井眼井开采油气的优越性更加明显,使得小井眼钻井 技术成了继水平井钻井技术之后的叉一研究热点。目前,在国内外该技术已应用 于水平井、深井钻井中,如侧钻小井眼多分支水平井等,国外已开始用连续管钻 小井眼。通过对调研资料的统计,小井眼技术有以下几个研究和发展方向:小井 眼钻头与马达的研制;小井眼完井与井控技术;小井眼钻机研制。

关键词:

小井眼

钻井

Abstract:

With the cost of oil and gas production ingcease and petroleum

engineering fields to rtmote areass and the expansion od drilling technology levelincreasec,Slim hole drilling oil and gas exploration superiority was enen more apparent. Make slim hole drilling technklogy hasbecome followoing Horizontal Diylling technoloqy fork atter a hotspot.At present,domestic and foreign technology has been used in the horizontal and deep drilling, such as side slimhole drilling multi-branch horizontal wells. aborad has begun consecutive slim hole drilling pipe.Based on the statistical data study,Slim technoloqy has the following research and development directions :Slim bit and motor decelopment;Slim Comoletion and wellcontrol technlloqy;Slimhole drilling rig deceloped.

Key Words:

Slim

Drilling





引言 ……………………………………………………………………………3 一. 9 0 年代 以来, 国内外小 井眼钻井技术 得 发 展方向何趋势…… ……… 3 二. 主 要 技 术 发 展应 用 情 况 … … … … …… …… … … … … …… … … … … 4 (一) 国内主要技术发展应用情………………………………………………4 (1)井身结构 ……………………………………………………………………5 (2) 钻进方式……………………………………………………………………5 (3)小井眼钻机 …………………………………………………………………7 (4) 钻头……………………………………………………………………… 11 (5) 井下马达系统 ……………………………………………………………12 (6) 减小钻柱振动何疲劳破坏技 ……………………………………………13 (7) 射流冲击 …………………………………………………………………13 (8) 震击技术 …………………………………………………………………13 (9) 小井眼连续取心技术 ……………………………………………………14 (10)小井眼水平井钻井系统 …………………………………………………16 (11)钻井液 ……………………………………………………………………17 (12)小井眼钻井水力参数优化 ………………………………………………17 (13)小井眼完井技术 …………………………………………………………18 (14)小井眼固井技术 …………………………………………………………19 (15)小井眼井下测量仪器 ……………………………………………………20 (二)技术发展应用情况 ………………………………………………………20 (1)钻机…………………………………………………………………………20 (2)钻头…………………………………………………………………………20 (3)其他配套井筒工具…………………………………………………………22 (4)小井眼井身结构及钻具组合………………………………………………22 (5)小井眼井控…………………………………………………………………23 (6)钻井液和完井………………………………………………………………25 结束语 参考文献 ………………………………………………………………………25 ……………………………………………………………………26

引言 近年来,国内各有天液开始重视和研究小井眼钻井技术。 小尺寸 PDC、 TSD 及金刚石钻头已在我国大不分油田推广应用。随着我国小井眼钻井井数的增多。 小井眼早期井涌预警、检测技术液越来越受到重视。在钻井液和完井液技术上, 国内各油田根据各自地层特征进行了专项研究, 其体系配方基本能够达到到安全 钻进和保护油气层的目的。国内不少学者在小井眼水力学方面也做了很多工作, 但大多数石对国外模式的修正。 大庆油田完成的 287 口井,在其平均井深比全部 开发井的平均井深多 129.4m 的情况霞,平均机械钻速基本持平,平均钻机月速 却提高了 7.17%,获得的效益非常明显。胜利油田小井眼套管开窗定向侧钻技术 已步入了答规模的应用阶段。新疆油田和大港油田在深层(>4000m)成功地钻 成了部分小井眼井 一.90 年代以来,国内外小井眼钻井技术的发展方向和趋势 近 10 年,随着油气生产费用的提高,以及石油工程领域不断向边远地区 扩展和钻井工艺技术水平的提高,钻小井眼井开采油气的优越性更加明显,使得 小井眼钻井技术成了继水平井钻井技术之后的叉一研究热点。截至目前,世界上 已钻成小井眼井上万口,最大垂直井深超过 6000m。小井服钻井、深井钻井忠, 如侧钻小井眼多分支水平井等,国外术已应用于水平井、深井钻井忠,如侧钻小 井眼多分支水平井等,国外已开始勇连续管钻小井眼。

场占 地面积

钻井 钻井设备 工作 人员 小型化、 重量 轻, 利用偏远 井场各项费用 适合于开发 钻井费用 钻井岩屑量 其他

减少 60%节约 一口 2500m 各类油气藏, 钻 井 成 本 深的井其岩 但 不 适 用 于 15%~40% , 边 屑魏 60t, 高气井,可用 常 远和交通空难 规 为 于采矿行业 的连雪取心 井

< 1200 地区的钻井, 8~10 ㎡ 钻 机 和 其 他 人/d 辅助设备不 足 200t

地区, 这个比例 700~1200t 高达 70%

表 1-1 小井眼钻井技术情况表 目前小井眼钻井技术比较发达的国家有:美国 Amoco 公司、BakerHughes 公司、Nabors 工业公司、英国 BP 公司等。近年来,国外公司为了配合小井眼钻 井,开发和研制了一系列适合小井眼钻井的配套设备,主要集中在钻头及马达、 固井、井控、取心、小井眼水平钻井等方面。研究发展的小井眼先进技术归纳起 来有:带有顶部驱动的小井眼钻机;井下动力钻具;采用井控专家系统控制和预防 井喷;采用连续取心钻机进行小井眼取心作业,采用高强度固定齿的新型钻头。 目前小井眼钻井技术已比较成熟, 工具设备配套齐全, 已有可用于 76.2mm (3in) 井跟的钻井工具,以及多种连续取心钻机和混合型钻机。挪威还准备向北海 南部深层的高温、高压气藏发展小井眼钻井。 近年来,国内各油田也开始重视和研究小井眼钻井技术。小尺寸 PDC、TSD 及金刚石钻头已在我国大部分油田推广应用。随着我国小井眼钻井井数的增多。 小井眼早期井涌预警、检测技术也越来越受到重视。在钻井液和完井液技术上, 国内各油田根据各自地层特征进行可专项研究, 其体系配方基本上能够达到安全 钻进和保护油气层的目的国内不少学者在小井眼水力学方也做了很多工作, 但大 多数石对国外模式的修正。 大庆油田完成的 287 口井,在其平均井深比全部开发 井的平均井深多 129.4m 的情况下,平均机械钻速基本持平,平均钻井月速却提 高了 7.17%。获得的效益非常明显。胜利油田小井眼套管开窗定向侧钻技术已步 入了大规模的应用阶段,新疆油田和大港油田在深层(>4000m)成功的钻成了 部分小井眼井 通过对调研资料的统计,小井眼技术有以下几个研究方向和发展方向:小井 眼钻头与马达的研制;小井眼完井与井控技术;小井眼钻机研制。根据大港油田 的实际情况, 大港油田小井眼钻井技术的发展方向有: 老井加深小井眼钻井技术; 老井侧钻小井眼或小井眼水平井钻井技术;钻探边井小井眼钻井技术

二.主要技术发展应用情况 (一). 国外主要技术发展应用情 为了解决小井眼给钻井带来的诸如钻头性能差、机械钻速低、钻井液体系不 当导致当量循环密度高和立管压力高及井涌不能及时发现等问题,着重研究了一

系列关键技术。 (1) 井身结构:外公司采用的典型小井眼井身结构如表 1-2.

BP 公司 1000m 井 常规井 井眼尺寸/mm 444.5 311.1 315.9 套管尺寸/mm 339.7 244.5 139.7 Amoco 公司 2400 井 常规井 井眼尺寸/mm 444.5 311.1 215.9 套管尺寸/mm 339.7 142.9 114.3 钻杆 小井眼井 井眼尺寸/mm 215.9 152.4 111.1 套管尺寸/mm 177.7 127.0 93.9 小井眼井 井眼尺寸/mm 158 120.6 85.9 套管尺寸/mm 139.7 98.0 73.9

Naborsm 公司 3000m 小井眼井 井眼尺寸/mm 311.1 209.6 155.6 104.8 套管尺寸/mm 244.5 177.8 127.0 93.9 钻杆

Texaco 公司 3000m 小井眼井 井眼尺寸/mm 311.1 215.9 139.7 103.2 77.0 套管尺寸/mm 244.5 177.8 127.0 93.9 69.9

表 1-2 国外小井眼钻井技术发达国家典型小井眼井身机构 (2)钻进方式:井眼钻进方式有旋转钻进、井下马达钻进、连续钻进。外各 石油公司已开发了多种小井眼钻井系统。图 1-1 为 Shell 公司和 Bake Hughes 公司联合开发的一种小井眼钻井系统,该系统使用改进固定式钻头和高强度 钻杆,包括先进的井涌监测系统。该系统钻机可选择改进的常规钻机、专用 小井眼钻机、修井机和连续管钻机。

为改进的连续取心扩用钻井系统,Amoco 公司开发的水力学模型和井涌监 测系统及井涌控制技术, 利用高性能的油管再加上改型的矿用钻井系统,钻深可 达 1400ft(4270m)。 为连续管钻井系统,可与井下马达钻井系统配合使用,提高起下钻速度,并 维持井下马达起下井眼时的连续循环。 (3)小井眼钻机:前,专用的小井眼钻机不多,改进的小井眼钻机仍占多 数,原因主要是这类设备缺乏设计规范和公认的标准,加之常规钻机能力过剩, 在很大程度上抑制了小井眼石油钻机发展。 国外小井眼钻机类型有小型常规石油 钻机、采矿式连续取心钻机、修井机、连续管钻机和专用小井眼钻机。20 世纪 60 年代之前,国外不少公司使用常规钻机钻小井眼井,70 年代末开始进行小井 眼钻机研制及钻机改进, 年代后出现了特制专用的小井眼钻机。 90 瑞典、 美国、 德国、加拿大、比利时、意大利、澳大利亚和罗马尼亚等国家均开发应用了新型 小井眼石油钻机,并取得了较好的使用效果和钻井经济效益。 一般来说,国外小井眼钻机采用常规旋转钻井设备,如前开口井架、液压绞 车、三缸泥浆泵、防喷器组、固相控制设备、取心装置等等,另加其他先进的自 动化装置。 固控设备的配置要比常规井高一级别,在常规固控设备转良好的前提 下,再地面设备减少损坏、降低循环压耗得有效办法。 国外小井眼钻机特点有:①设备体积小,占地面积少;②设备一机多能,既 可钻井又可修井, 所用钻柱既可钻小井眼又可连续取心;③采用专用小型测试装 置;④现代华程度高。具有代表性的国外公司小井眼钻机主要有:①意大利 Soilmec 公司推出的 G-100、G-100HD、G-150、G-200 和 G-250 型系列小井眼钻 机,是目前世界上惟一的小井眼钻机系列。图 1-4 为 G-100 钻机总成。该系列钻 机选用 4 台隔音柴油机作动力, 采用液压驱动形式,利用 4 台液压马达同时驱动 顶驱,充分满足小井眼钻井工艺的需要。钻机用长冲程千斤顶液缸、滑轮组合可 伸缩式轻便井架代替常规绞车、游动系统和井架。该钻机可用于钻晓井眼井、水 平井、斜井和丛式井,还可用于修井作业,目前已取得美国专利和国际专利权。 新系列小井眼钻机技术参数及使用情况见表 1-3、表 1-4

表 1-3 钻机型号 大钩静载荷/kN 钻井动载荷/kN 液压动力功率 /kW 顶驱动力功率 /(kN·m) 顶驱行程/m

Soilmec 公司新型小井眼钻机系列技术参数 G-100 891.8 588.0 367.6 36 15 G-100HD 1107.4 735.0 514.7 36 15 G-150 1332.8 882.0 661.7 36 16 G-200 1783.6 1225.0 882.3 36 16 G-250 2205.9 1470.0 1102.9 36 16

表 1-4 Soilmec 公司新型小井眼钻机系统使用情况 钻井速度 钻井方式 操作人员 正常条件下,一口 2300~3000m 井,需 190h 顶驱钻井 钻机大班人员 4 人,即钻井领班、柴油机司机、电工和勤杂 工每个钻井班需要司钻和井架工各 1 名 钻井成本 钻井统计结果表明,与常规大直径钻杆钻井相比,晓 钻机钻 井总成本下降 24%,钻井和钻机移运时间减少 30%, 每口井的 非生产时间从 450h 下降到 120h;Soilmec 公司认为,用 G 系 列小井眼钻机钻井,节省钻井总成本最多可达 40% 环境污染 柴油机采用隔音措施,现场实测噪音为 82db,对周围环境危 害较小;此外,由于小井眼钻井的钻井液用量和钻屑量均较 少,对环境的污染也较小 钻井综合效 益 与常规钻机相比,用小井眼钻机钻井,钻井成本减少 50%~75%,下套管成本减少 13%,完井费用减少 37%,占用 井场面积减少 70%,钻机拆装移运时间减少 60%~70%,钻小 井眼评价井,建井费用减少达 50%,钻井综合效益显著 实施地区 已经在意大利北部的米兰、威尼斯、热那亚三角地区以及西 西里岛的油气田地层中钻完 18 口井

Soilmec 公司小井眼钻机优点:钻井速度快,技术经济指标先进,自动化程

度高,工作安全可靠。钻井成本低,移运性好,对环境污染程度小。②法国钻 井承包商 Forsol 用拖车装钻机 W-Napach 小井眼钻井取得了成功。这种高度自 动化钻机有一个 19.5m 高的桅杆式井架,一个筒式操作系统和 408KW 顶部驱 动装置,该钻井可钻井深 2438m,只需常规钻井 1/3 的工作人员,整部钻机及井 下设备仅 15 辆车便可搬运。1994 年 4 月法国在巴黎盆地还使用了 Foraslim 小 井眼钻机,其主要技术参数见表 1-5. G-100 钻机总成:1-伸缩式井架;2-顶部驱动;3-挡砂滚筒;4-液压动力总 成;5-液压油罐;6-半拖车;7-具有机械安全锁紧的液压水平千斤;8-钻台液 压吊车;9 容器平台;10-钻杆(套管) ;11-储存钻铤;12-液压油冷却器;13鼠洞上的液压卡;14-BOP 小车;15-伸缩底座;16-动力大钳;17-值班表

型号

额定钻深 /m

井场面积 井架额定 底座高度 /㎡ 850 载荷/t 100 /m 6

绞车功率 /kw 441

人数

Foraslim

3500 表 1-5

1

Foraslim 小井眼钻机主要技术参数

型号

重量/t

操作高度 /m

提升能力 /mm 3.5

井眼直径

井深/m

Diamec-700 5 Diamec-1000 表 1-6 6.5

51-52

700

5

51-52

1066.8

瑞典微型小井眼钻井主要技术参数

瑞典石油勘探公司 (Microdrill 公司) 70 年代末到 80 年代初, Gotland 于 在 岛使用装有小型防喷器的 Diamc-700 小井眼液压钻机了 207 口井径 2~3 英寸、 井 深 217~2666m 的小井眼井,比常规钻井节省费用 75%,主要技术参数如表 1-6 所示。 年代末, 80 该公司又研制了 MD-1500 钻机和 MD-2000 钻机, 改进的 MD4 小井眼钻机重量 13t 左右, 使用螺杆钻具, ∮85.7mm 井眼可连续取心至 3200m。

④表 1-7 为低成本的美制 Kenting 井眼钻机性能参数 型号 额定钻深 井场面积 大钩载荷 作业高度 钻井液系 人数 /m Kenting 3500 ㎡ 850 表 1-7 /t 100 /m 26 统? 50.88 3

美制 Kenting 井眼钻机性能参数表

⑤Amoco 公司和 Nabor 公司小井眼石油钻机。Amoco 公司和 Nabor 公司共 同研究开发了 Rigl70 型小井眼石油钻机,它最主要的特点式钻机上配有数控系 统(DCS)和专家井空系统(XWC).DCS 系统手机钻机上液压传感器、压力差 传感器、应变仪、位置传感器、磁性流量仪、热电偶转速仪、钻机液池液面传感 器、温度传感器的数据,该系统还包括数据收集计算机和监测器、司钻监测器、 人机联作系统数据控制软件。 专家井控系统包括阿莫科公司处理数据控制系统中 数据的专利软件,这套井控专家系统能够判断是否发生了井涌。是否通知司钻, 以便司钻可用采取合适的井控措施,如果司钻在预定的时间段(10s)中没有做 出反应,井控专家系统会自动采取井控措施。井控专家系统液可用随时停用,以 便完全有司钻进行控制。主要技术参数及结构特点:大钩载荷 975KN,轿车功 率 165KW,井架高 26.2m,全液压驱动,钻井液净化系统为清洁器和离心机。自 动送钻装置是一个承载能力 725KN 的液缸,固定在井架上面,送钻性能较好。 采用两档速顶驱和计算机井控装置。设计制造的岩心搬运机,可进行连续取心作 业优点:实验证明,钻机和钻井成本均较低,环境污染少,钻井性能好。 ⑥欧共体小井眼石油钻机。欧共体 Thermie 规划 Eurosim 项目,为降低成本 和减少环境污染,适用小井眼钻井开发油田,同时研究开发了小井眼石油钻机。 主要技术参数及结构特点:大钩载荷 1000KN,绞车功率 600KW,采用顶驱钻 井,最高转速 600r/min.采用 SH111、SH66 高强度钻杆,配备了取心装置、录井 和测井装置、井涌监测仪和报警系统。优点:在不同地理环境和不同地质条件钻 井,环境污染最低。 ⑦英国钻井设备公司研制的小井眼钻机, 采用液力驱动, 大钩载荷 980KN, 钻深能力 3000m,配有新式钻杆排放系统和先进检测仪器,既可钻井又可取心。 只需三名钻工。 (4)钻头

①牙轮钻头: 期小井眼钻井, 一般使用小尺寸牙轮钻头。 但其不适应高转速, 钻头轴承磨损快,进尺少,寿命短,为此,国外采用改进的钨合金镶齿(TCI) 牙轮钻头,如:美国贝克休斯公司研制出的能适应转速为 200r/min 的 98.4mm 牙 轮钻头, 具有较厚的锥形外壳和直径较小的轮轴,具有较高的锁紧能力和转速能 力,钻头长度由常规的 146mm 减小到 121mm,增强了侧钻能力,减小了井底钻 具弯曲时钻头损坏程度,寿命增加了 30%-40%. ②单牙轮钻头: 通过增加牙轮钻头轴承直径增加钻头寿命。阿曼油田在水平 井忠(中硬地层)适用 IADC437 单牙轮钻头,水平钻进平均机械钻速达 60ft/h. 加拿大适用的 41/8 1n IADC637 单牙轮钻头钻研磨性硬砂岩,16.25h 内钻进

105ft,相当于 2 只 IADC737 三牙轮钻头的总进尺。从目前发展情况,单牙轮钻头 将会成为一种适用于在各种各样的地层忠钻小井眼的低成本高效率的钻井工具。 ③金刚石钻头。60 年代以后,许多钻井承包商发现适用 PDC 聚晶金刚石钻 头配合液力加压器和井下马达,钻头寿命是同尺寸牙轮钻头的 4.6 倍。于是金刚 石钻头以其适用时间场、进尺多、机械钻速高、不易出井下事故,逐步被人们采 纳。 尤其在小于∮152.4mm 的井眼全面钻进中。 牙轮钻头已逐渐被金刚石钻头锁 取代。以 DBS 公司、热稳定聚速,可用于连续取心和与螺杆钻具配合使用,能 减轻钻头在钻井过程忠产生的强烈振动,提高钻井效率。新型的 PDC 聚晶金刚 石钻头、热稳定聚晶金刚石钻头(TSP)钻头和天然金刚石钻头。这三种钻头能 适应高转速, 可用于连续取心和与螺杆钻具配合适用,能减轻钻头在钻进过程中 产生的强烈振动,提高钻井效率。新型的 PDC 聚晶金刚石钻头和 TSD 金刚石钻 头,对深层、中硬地层钻井及扩眼效果很号,在降低扭矩、钻头冷却方面比普通 的 PDC 和 TSD 钻头效果好。穹形设计的金刚石钻头,在耐磨结构上更紧凑,更 适用于较硬岩石。 壳牌公司经验表明, 采用小型聚晶金刚石钻头不重要阻制钻压。 Amoco 公司开发除了避免小型聚晶金刚石过早损坏的抗涡旋转钻头,在穿透能 力方面取得了突破性进展。 小型聚晶金刚石将成为小经验技术的一个发展方 向。 ④混合型 PDC/TSP 钻头。 美国 Maurer 工程公司为美国能源部研制了一种混 合型 PDC/TSP 高效钻头, PDC 切削齿置于齿前排上, 以高速度钻软地层, TSP 而 切削齿置于 PDC 切削齿的后排,用于钻那些通常会损坏 PDC 切削齿的硬夹层。

该钻头在特定的大功率马达带动下能有效破岩,试验中在 低强度地层钻速 100~150ft/h,在密西西比灰岩地层钻速为 1~12ft/h。 ⑤小井眼连续取心钻头。在连续取心作业中,1000~3000m 的井,59%使用 金刚石取心钻头,目前国外 1000m 以上的井眼井段多用连续取心钻头。硬质合 金钻头应用于小井眼取心还在继续研究,这种钻头成本低廉。BP 公司一直用聚 晶金刚石和 tripdax 设计取心钻头来改进小井眼的取心性能和钻进速度。国外还 研制丁能提高取心质量的双体钻头,这种钻头可通过绳索打捞器,改变钻头塞而 改变钻头性能,使钻头可进行全面钻进或取心钻进。 (5)井下马达系统 目 前 国 外 已 有 高 、 中 、 低 三 种 转 速 ( 500~1000r/min ) 和 多 种 直 径 (38.1~171.5mm)的小井眼井下马达,其抗高温性能已经超过了 200℃。为了解 决钻柱振动问题,以便将更多的能量传递到钻头上,提高钻进效率,同时海配套 使用了井下液力加压器,使得钻头寿命更长,在许多地层钻进都比转盘钻进快 3~5 倍,钻井成本可降低 50%~70%。该系统也常与连续油管钻机配合使用。 美国 Maurer 工程公司为美国能源部研制的大功率小井眼泥浆马达,输出功 率和转速石常规泥浆马达的 2 倍,所研制的 3 3/8in 小井眼泥浆马达,输出功率 为 73 马力, 而常规泥浆马达的输出功率仅 28 马力。 适用这种大功率泥浆马达时, 只要钻机配置的泥浆泵能够输出该泥浆马达所需的高循环压力,配合 PDC/TSP 高效钻头,能使钻速提高 2 倍 Anadrill Schlumberger 公司和 Ahell U.K 研究开发 机构开发了一套仪表化的井下导向马达以提高地质导向的效果。 该工具石在动力 端和轴承外壳之间插入一个带近钻头传感器、电路、动力源和电磁遥测系统。该 马达将钻井和地层评价测量相结合,可进行井斜、马达转速、温度、伽马射线和 两个电阻率测量。 仪表化马达具有已各双弯弯外科系统,其中固定弯外壳被直接 安置在马达轴承的上部, 而地面可调节弯外壳被装在传感器短节和马达的动力端 之间。 设计这种固定和可调弯外壳系统组合可使钻具具有多种造斜率,最大可超 过 15°/100f (6)减小钻柱振动和疲劳破坏技术 主要采用的配套工具及技术有:抗偏转的 PDC 钻头、柔性转盘或顶驱钻机 减小扭转振动、钻井液马达和液力加压器、耐疲劳新型钻杆接头。

①液力加压器。配套使用井下液力加压器,可增加钻头寿命,在许多地层钻 进都比转盘钻进快 3~5 倍,钻井成本可降低 50%~70~。现在已出现了串联的液 力加压器,目前最多到三级,其作用原理与单级相同,当然在二、三级液力加压 器上可作用更大的钻压,见表 1-8 与表 1-6. 规格 /mm 最大 推进力 /kN 95.25 120.63 50 166.5 150 150 4000 8000 1500 1500 14.9 38.1 最大操作 压力/pa 最大扭矩 /(N·m) 最大冲程 /mm 孔/mm 最大拉 力 /kN 400 500

表 1-8

液力加压器主要技术参数表

②工具接头。经验证实,小井眼可以勇 NC26 与 PACDSI 工具接头及非 API 的 SLH90 与 AOH 接头,应注意避免工具接头损坏,主要参数见表 1-9. 工具接头 外径/mm 内径/mm 扭转屈服 /(N·m) NC26 PACDSI 85.7 79.4 44.4 38.1 9248 7945 上扣扭矩 /(N·m) 4624 3972

表 1-9

工具接头参数表

(7)射流冲击器:在小井眼钻井过程中,配套使用射流冲击器,利用冲击 一回转联合钻进既可以提高钻井速度, 又可以防止井斜, 从而达到提高钻井质量, 降低钻井成本的目的,如图 1-7. (8)小井眼打捞、雷击技术 目前已根据需要研制出了多种适合小井眼的打捞筒和震击器等, 如用于打捞 ∮83.2 和∮89.6mm 钻具的∮104mm 打捞筒, 高压小井眼用各种尺寸井下循环接 头/液力倒扣接头,液压及裂缝圆盘接头以及安全接头。耐高压用的震击器有单 作用和双作用液力震击器, 可受压也可拉伸, 现已研制出∮150.4~∮160mm 井眼 用的∮121.6mm 双作用液力震击器,∮150.6mm~∮112mm 井眼用的单作用液力

震击器。主要技术参数见表 1-10.

尺寸/mm

震击器类型

最大震击器 最大(放气) 震击器冲程 负荷/kN 冲击/kN 80 200 /mm 120 152

88.9 120.7

FC Jar King

150 360

表 1-10 (9)小井眼连续取心技术

震击器主要技术参数表

1

小井眼连续取心技术源于矿业连续取心技术,实质上就是绳索式取心。现在 已经能在 104.8 mm 或更小的井眼中取心,并采用钻柱抗振技术来提高岩心收获 率。Amoco 是最早采用薄壁钻杆和电缆可回收岩心筒连续取心钻井系统的。该 系统采用顶部驱动旋转外平钻杆,得到的连续岩心可达 12.19 m 长,在开发井中 平均取心收获率达 98.3%。图 1-8 为 Amoco 公司小井眼取心井下钻具组合。一 般来说,小井眼连续取心装备包括取心钻机、取心钻杆、取心钻头、岩心筒和其 他所需工具。 钢丝绳连续取心钻机。 钢丝绳连续取心钻机比油田使用的同样钻深能力的钻 机轻、小、结构简单,不用常规岩心筒而用绳索式岩心筒,能够连续取心,克服 常规石油钻机和常规岩心取心时需频繁起下钻的缺点。 这类钻机既能全面钻进又 能进行连续取心。 取心钻杆。 一种薄壁无缝钢管, 机械强度没有同直径的常规钻杆大, 外径小、 长度短、重量轻,具有外平内加厚接头,由于环空间隙很窄,这种钻杆在裸眼井 中可取回式技术套管使用, 甚至作永久性套管固井,然后用直径更小的矿业取心 钻杆继续取心。 取心钻头。小井眼连续取心作业中要保持较高的钻速,应选择适合地钻压、 高钻速的天然金刚石取心钻头、TSD 取心钻头或 PDC 取心钻头。天然金刚石取 心钻头又分为孕镶和表镶两种。取心钻头的切削面很窄一般只有 38.1~25.4mm.Total 公司为 149.225mm、107.95mm 和 76.2mm 井眼选择的钻头转 速分别 350、450~500 和 600r/min.

取心岩心筒。连续取心筒与常规岩心筒一样,也由内筒和外筒组成。但与常 规岩心筒不同的是, 其内筒可以用钢丝绳打捞筒取出来,再将另一个内筒投入钻 柱继续取心。为防止起出内筒时发生抽汲作用,通常是一边起内筒,同时一边向 钻柱内泵送泥浆。连续取心岩心筒及期内筒和单筒岩心的长度一般为 3、6、9、 12、13.5、15m,最长的达 27m。 整体式取心马达。 整体式取心马达可进一步提高收获率, 因为在取心作业中, 防止了内筒的旋转, 横向振动的减少使岩心能平稳地进入内筒。外岩心简是由一 个直接连在其顶部的井下钻井液马达驱动, 如图 1-9.为了保证小井眼钻井的安全, 国外已改进和完善了小井眼井控防喷装置和除气器,研制出了先进的以探测进、 出井钻井液流量为基础和以声波反射原理为基础的地层溢流检测系统, 国外的井 控装备有:全封、半封闸板防喷器和钻柱内防喷工具、动平衡压井所需除气装置 和管汇,并储备有性能良好的重泥浆。Amoco 公司开发了小井眼井控专家系统 (图 1-10)利用计算机进行现场连续监测。 , 此外 Smedving 公司研制了 “Gas Kick Detect”系统,Baker Huges INTEQ 公司研制了“Kick Detect”系统等。Shell 公 司的井涌早期检测系统能测出 163 升的侵入量。 (10)小井眼水平井钻井系统:①小井眼水平井钻井系统。SlimDril 公司已 研制出一套低成本小井眼水平钻井系统(如图 1-11),包括: (a)钻头。带有保 径齿和天然金刚石或热稳定聚晶金刚石(TSD)基体的 HT-1 钻头钻水平井,钻 速为 20~30ft/h; (b)容积式液压马达。一种专门用于小井眼水平井的高性能马 达输出功率石常规小井眼马达的 2 倍,可提高使用寿命和机械钻速; (c)钻柱。 由于该钻井系统采用高速马达 (400~800r/min) 配合 TSD 钻头, 可以使用光钻杆, 而不必使用昂贵的抗压钻杆;此外还包括定向、循环接头、地面记录陀螺、导向 或随钻工具,蒙乃尔钻铤、旁通接头。图 1-12 为小井眼水平侧钻钻头。 小井眼定向钻井导向工具。 可用于钻小井眼水平井的定向钻井导向系统包括 导向马达、MWD 和稳定器,利用该系统可在造斜段和直井段不需要起下钻的情 况下控制钻头轨迹。该系统有两种类型来进行导向钻进,一是定向组合,二是转 盘。在定向钻井情况霞,钻柱不旋转,钻头通过井下马达来驱动。现在主要使用 的导向系统石带有弯外壳的螺杆钻具和带稳定器的马达,见图 1-13. (11)钻井液

采用甲酸盐无固相剪切稀释钻井液,国外已配置出密度为 1.3~2.3g/cm?的无 固相高密度钻井液 (CBF) 体系, 9 口井上得到成功应用, 在 解决了井眼不清洁、 冲蚀和泥页盐塌问题,见表 1-11.Shell 公司页开发出了适合钻高温高压小井眼深 井的低固相高密度甲酸盐水基钻井液体系。 (12)小井眼钻井水力参数优化 国外水力参数设计分析软件有多种, LANDMARK 软件, “幂率模式” 如 其 计算水力参数精度高, 误差小于 6%, 完全满足小井眼水力参数设计与分析需要。 (13)小井眼完井技术 名称(单位) CBF 加重的 CBF(I) 阳离子聚合物 A/(kg/m ?) 预凝淀粉/(kg/m?) ?乙基纤维素 HEC/(kg/m?) KC1/(kg/m?) CaC1/(kg/m?) PV/(mPa·s) YV/(kg/m?) 10s 凝胶/(kg/m?) API 失水/(mL) 密度/(kg/m?) 4.28 5.70 0 108.59 0 1 0.05 0 13 1066.49 4.28 5.70 2.85 108.59 0 10 0.25 0.05 12 1066.49 加重的 CBF (II) 4.28 5.07 2.85 62.99 304.95 11 0.30 0.05 10 1258.22

表 1-11

阳离子聚合物盐水钻井液(CBF)体系性能表

采用油管代替套管完井, 在国外小井眼井中占有很大的比重 (美国约为 2/3) , 其完井方式有小井眼单管完井、小井眼双管完井、小井眼三管完井) 。Stekoll 石 油公司采用的小井眼完井眼完井系统。Halliburton 气举井单筒完井系统选择 89.6mm 油管,允许日产油 79 m?,或日产气 14.15×100000 m?.

根据小井眼单管完井技术要求,Baker 石油工具公司研制了一种由三个主要 产品组成的综合无接头完井系统,包括: 生产桥塞。 可用电缆坐入的一种可回收式桥塞,代替具有传统锁定和接头的 回收桥塞,在井内提高了灵活性; 可回收小井眼跨越式封隔系统。 能够跨越和隔离套管内生产或注水井段 91.4 m 以上,并保持足够大的内径以允许过油管膨胀工具、枪等通过。该系统由挠性 管或电缆下入,适合于长、短生产井段进行选择性或永久性层位封隔,可通过工 具孔灵活地下入过油管膨胀工具,从跨越式封隔系统以下的层位开采; 可消失式桥塞。 作为尾管的一部分并且仅用在初期完井阶段的可消失式桥塞 省去了井内电缆的起下,也可在欠平衡井内完井作业中使用。 (14)小井眼固井技术 提高小井眼井质量的方法有 4 种,一是从水泥的设计上考虑,把固井施工中 井漏的可能性减到最小; 二是使用偏心钻头钻井,钻出比钻头名义尺寸更大的井 眼,增加水泥环厚度;三是在完井厚精心施工,使井眼畅通无阻,调整好泥浆性 能,把大肚子井眼中的沉砂清理干净,防止憋泵;四是使用先进的工具,目前小 井眼注水泥工具有:①浮动工具:②锁销式泵入工具;③多级注水泥工具;④篮 式和封隔式(填料式)水泥鞋。 (15)小井眼井下测量仪器 小井眼测井工具。 Schlumberger 油田服务公司为代表开发的小井眼测井工 以 具包括电阻率测量、 核测量和声波测量小井眼测井工具。电阻率测量工具包括双 侧向测井工具 (MDLT) 小井眼微电阻率探头 、 (SRMS) 和感应电阻串工具(IRT)。 MDLT 工具可提供深的和浅的侧向测井曲线,SRMS 探头可测量微电阻率,IRT 工具可提供感应电阻率曲线、16in 短~正常曲线和自然点位(SP) 。小井眼核测 量工具包括地层伽马-伽马工具(FGT)、 基岩密度工具(HLDT)和储层饱和度工具 (RST)。PGT 和 HLDT 工具可测量补偿体积密度、密度补偿值和井径。PST 工具 可穿过油管或管进行地层评价。 声波测量的小井眼工具包括声波测井工具 (SLT) 和两个检波器组合。 小井眼测试工具.Schlumberger 油田服务公司开发的小井眼测试工具包括地 层压力测量、 地层流体采样和中途测试。 该工具的外径为 3 3/8 in, 可用于 4 1/8~8

in 井中的有线地层测试。 该公司开发的 2 1/2 机械式系统(MSTS)可用于 3~4 1/2 in 的裸眼或套管井中进行中途测试, 通过膨胀跨越式封隔器可以在一次起下作业时 进行多个层位的测试。 小井眼 MWD 工具。英国 Geolink 有限公司开发的∮73mmUltra-Life 随钻测 量系统可安装在带有接头的钻杆或连续油管上, 用于小井眼重入钻井中的测井作 业。该系统与外径较小的定向钻井装置匹配,在侧钻作业时,不必切割和起出套 管与衬管, 无论是使用带有接头的钻杆还是使用连续油管进行侧钻作业,采用这 种新型随钻测量系统均可节省 40%的钻井费用。 该系统采用模块化结构和传感器, 耗电少,采用专利螺纹结构,工具长度短,可在现场维修,便于对井底动力钻具 进行灵活设计, 能满足短半径钻井及小井眼常规钻井的技术要求 Union Pesources 和 Anadrill/Schlumberger 开发的可回收带伽马的小井眼 MWD 系统可在内径 2.19in、外径 3 1/2in 的钻杆中运行,适用 4 3/4~12 1/4in 井眼中,并可在连续油 管中应用。 Anadrill 公司开发了 Sliml MWD,利用泥浆正脉冲遥测技术将信息实时 传输到地面。Sperry-Sun 开发了一套三轴 MWD 振动传感器以检测对 BHA 的井 下振动和判断井下钻柱的动态。三轴加速度仪可测量横向、轴向和纵向振动,同 时可用于测量钻头、跳动等,然后进行一些校正以改善钻井效率和钻头寿命,从 而减少 BHA 的机械失效。法国的一家公司 Ceoservices SA 开发了一套新的 E.M.MWD 系统,它是利用电磁波来传输信号。该工具包括二个部分:上部称之 为发射体短节,大约长 11.5ft;下部石承载钻铤或工具载体,长度大约为 19.7 ft, 用来承载 MWD(被称之为运载工具)的活动部件,并具有无线的作用,运载工 具包括电路和传感器。 (二)技术发展应用情况 钻机:我国目前还没有真正的小井眼顶部驱动钻机。 钻头 国内已研制了 152.4mm 牙轮、PDC、双心/偏心 BDC 钻头、无活动件钻头及 单牙轮,但牙轮钻头寿命与国外同类产品相比有差距。小尺寸的 PDC、TSD 及 金刚石钻头已在我国大部分油田推广使用,特别是川石·克里斯坦森公司的偏心 BDC 钻头,1990 年应用以来,已创造了多项国内小井眼钻井记录。这种钻头适 合深井高研磨性硬地层,耐高温达 120℃,偏心切削特性又为井眼扩大井径、提

高固井质量创造了条件。 国内 152.4mm 的牙轮及无活动件钻头在现场比较常见, 152.4mm 以下直径钻头多为无活动件钻头, 主要生产厂家有: 大港油田中成钻头 厂、地矿部钻井研究所、胜利油田钻井所、江汉钻头厂、川克钻头厂等。其中大 港中成钻头厂、胜利油田钻井所、江汉钻头厂和川克钻头厂研制的 118mm 和 152.4mm 双心 PDC 和双心 BDC 钻头由于所钻井径可比名义井径大 12~25.4mm, 所以基本能够满足目前小井眼钻井和固井的需要。 中原油田在文侧钻中使用了江 汉钻头厂生产的 117mm YA437DC 单牙轮钻头,使用效果非常好,机械钻速明显 提高。该钻头底部装有一个射流喷嘴,钻头侧部装有一个扩散清洗喷头,射流喷 嘴可拆卸, 选择喷嘴尺寸来调节钻头压降。该钻头牙轮镶装露齿高度加大的楔形 齿,钻头体镶装小直径楔形齿和平头齿加强保径。轴承采用新型 O 型橡胶圈密 封、钢球锁紧牙轮,牙掌轴颈表面强化处理,牙轮内镶焊减磨合金镀银,抗咬合 性好。采用可控压差的压力补充储油密封系统,密封及润滑更可靠,采用可耐高 温 250℃高温抗磨损的新型钻头润滑脂,适用于极软地层。中原油田与川石·克 里斯坦森金刚石钻头有限公司研制开发了用于深部小井眼直径为 149.2 mm 的 S28-248 型偏心 BDC 钻头。 现场应用情况: 偏心 PDC 钻头使用情况如表 12 示。 表 1-12 分 组 1 胡 83 胡 41 濮深 14 2 文 13-196 文 13-48 3 前参 2 濮深 7 S28-248×3 J33×12+J44 ×3 大港油田潜山小井眼钻头使用情况: 大港油田钻潜山奥陶系灰岩小井眼井段 一般在 300m 左右, 为了保证灰岩井段的固井质量, 在板深 702 井、 板深 703 井、 5003~5228 4301~4700 218 399 0.86 0.54 0.71 0.36 井号 Ф149.2 mm 的 S28-248 型偏心巴拉斯(BDC)钻头使用情况 钻头型号× 只数 S28-248 ×5 J33×J44×2 J33×15 S28-248×2 J33V2 4165~4546 4365~4556 4519~4641 3290~3685 3223~3261 井段/m 进尺 /m 381 125 121 395 38 机械钻速 /(m/h) 0.40 0.39 0.25 0.90 0.50 行程钻速 /(m/h) 0.37 0.25 0.13 0.88 0.38

千 12-18 井等井中使用双心钻头钻进,在实际施工中,使用效果不好,进尺少, 钻速低,后改用牙轮钻头钻进,进尺和机械钻速得到了明显的提高,而且在灰岩 井段牙轮钻头由于自身公转造成扩眼效果与双心 PDC 钻头不相上下 (见表 1-13) 。 因此在灰岩井段选用牙轮钻头既能加快钻井速度,而且可以满足固井施工要求。

表 1-13

千米桥潜山Ф152.4mm 小井眼井指标对比表

井号

井段/m

段长 /m

平均 机械 钻速 /(m/h)

行程 钻速 /(m/h)

钻进 周期 /d

钻 头 用 量/ 只

钻头型号

板深 702

4463.48~4810 346.52

1.42

0.61

23.78

10

H136×1; P623B×1;DBS 偏心×1; 60JB4667×2; HA537×5

板深 703

4196~4600

404

0.79

0.67

25.03

5

S225B×1; 60JB4667×1; P623B×3

千 12-18 千 16-24

4190~4396.43

6.43

1.10

0.92

18.18

3

6H136×1; 60JB4667×2

4306~4650

344

3.04

1.33

10.76

5

HA617×1; 60JB4667×2; HA637×1; HA537×2

(3)其他配套井筒工具 国内已研制成功多种尺寸的小井眼钻井马达。国内牡丹江、高峰等石油机械

厂家开发了小井眼用打捞、震击工具,但工具材料还不过关。国内常规小井眼取 心工具的研制主要以四川油田为主,如川 6-3 等。此外,煤炭部完成了绳索式取 心工具的研制。 (4)小井眼井身结构及钻具组合 大港油田千米桥潜在凝析油气藏已完钻 12-18 井、千 16-24 井完钻井眼尺寸 为∮152.4mm,采用∮127.0 mm 尾管完井,∮177.8mm+∮127.0mm 组合套管作 为生产套管。在后期转为机械采油后,一般采油泵下深在 4000m 以上,即∮ 177.8mm 套管内, 对于油井稳产无不利影响。 该结构既能满足开发要求又能显著 节约钻井成本。为提高钻具强度,增加?砂能力,大港油田在千米桥油田小井眼 钻井施工中采用复合钻具,使用双心钻头的钻具中不允许带随钻扶正器:∮ 152.4mm 双心 PDC(牙轮)钻头+∮121mm 钻铤+∮88.9mm 钻杆+∮127mm 钻 杆。由于下部钻具本身刚小、重量轻,不仅施加钻压的范围受到限制,而且由于 复合钻具本身刚度的不均一性, 正常的钻井参数也受到很大限制,从而导致钻井 效率降低。 (5)小井眼井控 胜利油田由于近年在开发 1000m 左右浅高压气层上应用小井眼钻井较多, 为保证安全钻井于 1999 年试验了随站气侵检测仪。该仪器采用便携式计算机进 行数据处理与分析, 以钻井泵产生的压力波作为检测仪的生源。通过在油田垦气 24-8 是一口在老区开发第三系列明化镇组和馆陶组天然气的生产井,设计井深 1490m 随钻气侵检测仪在该井 1156-1490.5m 井段使用,共检测到 8 各气层,与 气测结果十分吻合,且比气测仪提前 15~20min。目前,随钻气侵检测仪已在 13 口小井眼钻井中推广应用, 均取得了良好效果,该仪器的研究成功对完善我国小 井限和复杂地层钻井井控技术具有较高的意义。但总的来说,国内井涌系统精度 还不够精确,小井眼测井仪器没完全过关,没有达到系列化、规范化。目前国内 大庆、胜利油田已开始发展这项技术。 (6)钻井液和完善液 松辽南部地区的小井眼采用了 PKM 型正电胶钻井液和完井液, 防塌效果好, 同时有效保护了油气层,使该地区钻井优质率达 100%,投产一次成功。表 1-14 石国内应用比较成功的两种小井眼钻井液的基本性能, 分属阳离子聚合物低固相

及 复 合 盐 水 无 固 相 体 系 , 它 们 的 基 本 组 成 分 别 为 : ① 4%~5% 膨 润 土 +0.2%~0.3%FA-367+0.2%CSW-1+1.0%HPAN+ 润 滑 剂 ② 盐 水 +10%~50% 柴 油 +0.2%~0.3%XC+3%氧化沥青+1.0%~1.5%CMS+0.8%~1.2%乳化剂。

表 1-14 钻井液基本性能表 钻井 液类 型 常温 32.5 80℃、 32 16/h .0 物合 物 常温 27 80℃ 23 16/h 17 3 .5 20 3.5 0.5/1 7 1.08 0.5 1.69 1.5/5 8 1.08 0.5 1.63 4 16 8 1.0/2 5 1.07 0.4 1.785 17 7.5 条件 AV/(m Pa·m) PV/(mPa ·m) YP/ Pa θ /Pa 1.5/2 .5 5.6 1.07 FL/ mL D/(g/c n m?) 0.4 4 1.556 K/(pa ·s)

复合 盐水

这两个体系的特点石, 以聚合物为主剂, 配方 1 使用了强抑制性的小阳离子, 配方 2 采用了复合盐水体系,从整体上提高了体系的抑制能力和流变性控制调 节作用;CMS、NH4-HPAN、氧化沥青等效果好、配伍性强的降滤失剂,降滤 失效果得到加强;组成中或有润滑剂,或有油,使体系具备了小井眼钻井液所 要求的润滑性;组成简单,主、辅配剂均为目前常用的处理剂,易于维护,配 合固控设备,能够保持体系的特征。目前大港油田千米桥潜山奥陶系所钻的小 井眼井目的层段基本上都是采用了无固相水基完井液。 大港油田小井眼钻井使用果的钻井液体系是:低固相钾盐聚合物钻井液体系, 曾 用 在 官 50-9KH 井 和 官 21-34-71 井 。 配 方 为 基 浆 ( 1.03g/cm ? ) +4%KCI+0.3%KPAN+2%KHm。该体系较好的满足了小井眼钻井要求,具有携岩 能力高、粘切低、失水小、抑制坍塌能力强、暂堵效果号、渗透率恢复值高等特 点。但该体系使用温度在 70℃上下,属水基钻井液,密度大于 1.00g/cm?。目前

大港油田千米桥潜山奥陶系所钻的小井眼井目的层段基本上都石采用无固相水 基完井液,配方为:水+缓蚀剂+碱式碳酸锌+烧碱,密度 1.00~1.03g/cm?。已经 用该体系钻完了千 16-24 井、板深 702 井、板深 31 井、干 12-18 井小井眼,小井 眼使用过程中基本没因钻井液出现复杂事故。 (7)小井眼钻井水力参数优化 与国外相比, 国内各油田都缺乏小井眼水力学方面的研究,还没有一种成熟 的小井眼水力学模式和水力参数设计软件,一般都是已经国外软件,如松楠地区 小井眼钻井水力参数分析采用了 LANDMARK 软件中的“幂率模式” ,因此还需 加强小井眼钻井水力参数优化及相应软件包研究 (8)小井眼完井 我国目前小井眼跟常规钻井大多还是采用 152.4mm 钻头,完井多采用 127mm 或套管。对于侧钻井,根据原井筒尺寸的不同采用的侧井眼也不同,原 井筒伟 177.8mm 的,多采用 152.4mm 钻头 127mm 或 114.3mm 尾管完井;原井筒 为 139.7mm 的,多采用 118mm 钻头挂 88.9mm 或 73.0mm 无接箍尾管完井。 从总体上看,与国外相比,国内缺乏配套的小井眼钻井设备及工具,限制了 小井眼钻井技术在国内的发展。目前已开发研制的小井眼工具多应用于 6"井眼, 规格型号单一, 同时还存在着后期作业工具与小井眼钻井工具不配套的情况,建 议加强小井眼钻采一体化配套工具的研制。 国内石油企业应加快小井眼装备及配 套工具的发展与应用,从降低钻井作业成本、提高钻速的角度考虑,建议加快小 井眼钻机的改进与研制及高转速小井眼钻头的研究。

结论 在油气钻井过程中, 如何降低钻井工程成本已成为油气田勘探开发的重要课 题, 小井眼钻井能以较少投资获得较高的勘探开发效益, 主要石提高产量或储量, 提高采收率,降低钻井成本,小井眼钻井技术对控制钻井成本具有重要意义,文 章对国内外一些具有代表性的小井眼钻井技术, 尤其是对国内近几年最新的小井 眼钻井技术做了分析评价, 介绍了国外的小井眼钻井应用情况,提出了全井小井 眼、 加深小井眼和侧钻小井眼的概念,并对这些小井眼钻井的优缺点进行了对比 分析,提出了小井眼钻井应注意的问题。

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