埕海24井大尺寸井眼钻井技术

近几年来,随着海上油气勘探开发向深部和复杂地址条件地区的发展,深井的数量越来越多,大尺寸井段(井眼直径在311.1mm以上的井段)也越来越长,在一些地区钻井设计中φ444.5钻头钻至井深达2000～3000m。深井上部大直径井段钻井速度慢的问题日益显现,主要存在问题有:钻具、钻头、钻井装备与大直径井眼的工艺要求不相适应;大尺寸钻头种类较少,地层匹配性较差;钻头尺寸较大,机械破岩能量明显不足。本文结合埕海24井的实钻资料,对埕海24井大尺寸井段中存在的技术问题进行探讨。

1.基本情况:

埕海24断块明化镇组位于大港滩海张东断层下降盘,夹持于东西向的张东断层及其对掉断层之间的“Y”字型断块构造。埕海24井是一口四开井,设计井身4100m,二开、三开段井身结构如下

二开:Ф444.5mm×2118.00m+Ф339.7mm×2115.52m

三开:Ф311.1mm×3456.00m+Ф244.5mm×3454.00m

￠444.5mm井眼从308m到2118m长达1810m。￠311.2mm井段1336m。

二开、三开大尺寸井段钻遇地层从上至下依次为:第三系明化镇组、馆陶组、东营组、沙河街组和二叠系、石炭系。在施工中通过研究临井资料、优选钻头、钻具组合,随时根据地层情况调整钻井参数和泥浆性能,确保了该井段的顺利施工,提高了机械钻速。埕海24井二开井段用时10天1.25小时,纯钻时间195小时,使用钻头4只,平均机械钻速9.28m/h。三开井段用时30.5天,纯钻时间432.73小时,平均机械钻速3.09m/h。

2.施工难点

2.1￠444.5mm井眼段施工难点

(1)井壁失稳

上第三系明化镇地层,胶结疏松,岩性主要为泥岩与砂质泥岩、细砂岩。砂岩易缩径泥岩吸水后强度降低易坍塌,起下钻发生的机械碰撞和钻进循环时冲刷井壁,都会引起井壁失稳。不规则的井壁将会给电测、下套管、固井施工增加难度。

(2)蹩跳钻严重

东营组泥岩埋藏较深,压实作用大,可钻性差。钻头尺寸较大,破碎岩石的能量减小,难以吃入地层,破岩方式主要以研磨为主,而不是体积破碎。随着大尺寸井段的加深,牙轮钻头的蹩跳现象尤为突出。

(3)井身质量难控制

地层软硬交错,易发生井斜。塔式钻具的纠斜性能对钻压特别敏感,这就存在着钻压小进尺慢,钻压大井容易打斜的矛盾。所以防斜打直,确保井身质量是一个很大的难题。

(4)钻具易发生疲劳破坏

大尺寸钻头跳钻时产生的轴向应力和径向应力较大,钻头和钻具尺寸相差较大,钻杆扭转震动强烈,易造成钻头损坏、钻杆磨损加剧以及迅速的疲劳破坏。

2.2￠311.2mm井眼段施工难点

(1) 二叠系有80m的煤层,掉块多,容易坍塌。

(2) 奥陶系顶部膏质泥岩遇水膨胀给钻井施工和钻井液处理带来一系列难题。

3.钻井技术措施

3.1￠444.5mm井段快速钻进措施

(1)钻头与钻井参数优选

二开井段穿越明化镇、馆陶组、东营组一段。明化镇地层较软,采用铣齿钻头既可以提高机械钻速,又能节约成本。东营组深灰色泥岩较硬,为防止跳钻宜选用滑动轴承金属密封的镶尺钻头。

表1 埕海24井444.5mm钻头使用情况

钻头型号 使用井段 机械钻速 纯钻时间 钻头评价

SKG124(旧) 308-1196 32.35 27.45 钻头外径磨损2mm,轴承间隙增加2mm

GA114 1196-1703 11.38 44.6 钻头外径减少1mm,牙尖磨损1/2

SKG124 1703-2020 7.89 40.1 钻头外径减少2mm,牙尖磨损1/3

GJ515 2020-2118 2.85 34.4 钻头牙齿掉1个,外径减少1mm

从表1可以看出上部地层采用铣齿钻头,机械钻速比较高。从现场使用情况来看,钻头使用40小时后轴承仍然良好,可以适当的延长使用时间。大尺寸井眼钻进,提高机械钻速的有效途径就是优选钻井参数。钻压过大蹩跳严重,也不利与防斜;钻压过小又达不到破岩的目的。在转速的选择上应避开共振现象;排量使用既要考虑环空返砂速度,又要避免冲刷井壁。在蹩跳段通过多次尝试优选的钻井参数是钻压50-70KN,转速50-60r/min,排量58-60L/s。

(2)井壁稳定

平稳操作,避免定点循环,勤划眼修复井壁。在钻井液中加入适量防塌剂和坂土浆,增强钻井液的抑制性,使井壁具有有效的支撑能力,解决地层剥落掉块和巩固井壁的作用。上述措施的落实使得二开井段井眼较规则,井径扩大率仅有1.67%。

(3)井身质量控制

二开井段未使用扶正器,采用03.2mmDC×51.53m+631×410×0.48m+165.1DC×131.46m的塔式钻具组合,井底井斜0.76°,最大3°。钻压的大小对塔式钻具的纠斜有很大的影响,这就面临着钻压太小钻时太慢的问题。上部井段井斜如果没有控制住,对下部的施工十分不利。建议以后施工可采用塔式钟摆钻具组合,增强纠斜作用。

3.2 ￠311.2mm井段技术措施

(1)钻头优选

表2 埕海24井311.2井眼钻头使用情况

编号 钻头型号 下入井深/m 起出井深/m 进尺/m 纯钻/h 机械钻速/(m/h)

1 HJ517G 2118 2258 140.05 49.33 2.84

2 P5371 2258.05 2628 370.02 42.5 8.71

3 P515 2628.07 2635.26 7.19 5 1.44

4 HJT517G 2635.26 2690.5 55.24 28.33 1.95

5 P273MF 2690.5 2847.3 156.83 70.37 2.23

6 P6362 2847.33 2919.53 72.2 38 1.90

2a P5371 2919.53 3252.19 332.66 78.93 4.21

7 HJT537G 3252.19 3256.49 4.3 6.17 0.70

8 P5381 3256.49 3339.05 82.56 37.6 2.20

9 HJT517G 3339.05 3399.23 60.18 49 1.23

10 HJT517G 3399.23 3456 56.77 27.5 2.06

埕海24井三开井段共使用钻头9只,东营组和沙河街组地层较熟悉,使用PDC钻头可以大大提高机械钻速,在PDC钻头的选择上经过本井和滨海1井的试验,胜利钻井院产的P5371更为适合。本井使用的一只P5371共下井2次,进尺702.68m,纯钻时间121.43,机械钻速5.79m/s,适应地层从东营组、沙河街组到二叠系的泥岩、页岩及煤层的钻进。针对石炭系地层情况不熟悉,井下情况多变的特点,在石炭系采用了HJT517钻头钻进,钻至3346m-3349m井段有角砾岩,跳钻严重,对钻头损害较大。3#钻头P515在二叠系上部使用,进尺仅有7.19m,起出钻头分析认为钻头为翻新的旧钻头。7#钻头HJT537进尺仅有4.3m,机械钻速0.7m/h,不适合石炭系上部地层的钻进。

从本段的钻头使用情况来看,三开井段的钻头优选应该为:

地层 推荐钻头

东营组 P5371 HJT517

沙河街组 PDC

二叠系 P5371

石炭系 HJT517

(2)复合钻进

在三开井段采用采用了 钻头+直马达钟摆钻具,针对PDC和牙轮钻头分别采用两种钻具组合:

311.1mmPDCBIT×0.46m+244mm0.5°MOTOR×9.37m+F/V×0.53m

+203.2mmNMDC×8.5m+311mmSTAB×2.07m+203.2mmDC×17.09m+631×410×0.48m+165.1mmDC×52.65m +127mmHWDP×27.48m+127mmDP

钻压:40-60KN,转速:60r/min,排量:50-55L/s

Φ311.1mmROCKBIT×0.3m+244mm0°MOTOR×9.55m+F/V×0.53m

+203.2mmNMDC×8.5m+311mmSTAB×1.68m+203.2mmDC×43.03m

+631*410×0.48m+165.1mmDC×131.46m +127mmHWDP×27.16m+127mmDP

钻压:120-180KN,转速:60r/min,排量:50-55L/s

高效钻头加螺杆钻具进行复合钻进能够大幅度的提高钻井速度,缩短建井周期,已经得到了普遍认可,但也存在着许多不安全的因素。使用螺杆钻具使钻头的磨损加剧,因牙轮钻头和PDC钻头的破岩机理不同,当使用牙轮钻头和螺杆时,牙轮钻头将比正常使用损坏的快,可将牙轮钻头使用时间和转速相乘与正常使用的牙轮钻头相比较,适当缩短钻头的使用时间。尽量采用不带扶正器的平式马达,尽量采用较大排量,保证钻井液有较好的携砂性和性。

3)煤层和膏质泥岩层钻进措施

本井二叠系煤层达80m之多,曾从井口返出直径150mm的煤块,因此煤层的防塌也十分重要。主要从钻井液和工程两个方面采取措施,钻井液密度先按设计定初值,在根据钻进中的实际情况进行调整。钻井液防塌性能好,严格控制失水,起钻前用高粘钻井液封闭易塌井段。从工程上主要是控制煤层段的钻进速度,在煤层段起下钻时严格控制速度,避免抽吸拔活塞。在奥陶系顶部3432m-3439m井段钻遇7m的膏泥岩,发生了钙侵,泥浆密度变化0.02,粘度从32上升到36,泥浆出现泡沫,平台通过采取加消泡剂和烧碱维持泥浆性能,同时注意钻速的变化,及时调整钻井参数,控制机械钻速,若机械钻速减小,立即上提钻具划眼。

4.认识与建议

(1)根据上部地层的特点,同类型井444.5mm大尺寸井段可以采用两只SKG124加GJ515钻穿,从本井的钻头使用情况来看,钻头可以适当增加使用时间。在蹩跳段优选的钻井参数为钻压50-70KN,转速50-60r/min,排量58-60L/s。建议尝试使用大尺寸减震器,降低跳钻,延长钻头使用寿命。

(2)在快速钻进的同时,应严格控制井斜。根据本区块资料对比,在444.5mm井段塔式钟摆钻具组合是一种较为简单有效的防斜方式,在应用中取得了理想的效果。

(3)对于埕海24断块,东营组到二叠系可以采用P5371+直螺杆钟摆钻具,既有利于防斜,又能大大提高机械钻速。推荐使用HJT517钻穿石炭系的角砾岩。使用牙轮+螺杆钻具组合时,可将牙轮钻头使用时间和转速相乘与正常使用的牙轮钻头相比较,适当缩短钻头的使用时间,避免发生井下事故。

(4)煤层钻进控制钻速,起下钻避免抽吸拔活塞,泥浆严格控制失水。

(5)在膏岩层钻进应及时的调整泥浆性能,制定有效的防卡措施。

(6)本井使用的钻具仍为常规的127mm钻杆和203.2mm钻铤,建议采用φ139.7mm钻杆和228mm钻铤,以充分的解放水力能量和机械能量。