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中東Z油田一開地層可鉆性預(yù)測和個(gè)性化PDC鉆頭的應(yīng)用

2024-02-29 07:24:48壽翔
關(guān)鍵詞:鉆性機(jī)械鉆速井段

壽翔

成都百施特金剛石鉆頭有限公司(四川成都 610041)

0 引言

扎格羅斯前陸盆地位于伊朗西南部、伊拉克北部、敘利亞東北部和土耳其的東南部。扎格羅斯盆地的北邊界和東北邊界位于伊朗和伊拉克,為扎格羅斯疊瓦帶的第一逆斷層。該盆地油氣資源非常豐富,大油氣田主要集中在伊朗、伊拉克和敘利亞三國。Z 油田是扎格羅斯沖斷帶的一個(gè)北西-南東向的長軸背斜構(gòu)造,地質(zhì)儲量為480×106桶[1]。

Z 油田完鉆井深較深,垂深約5 000 m。全井需鉆穿10 多套地層,地質(zhì)條件和壓力體系復(fù)雜,設(shè)計(jì)套管層次多達(dá)六開,作業(yè)挑戰(zhàn)很大。前期探井建井周期普遍超過300 d。尤其是一開作業(yè)階段,由于其井眼尺寸大(660.4 mm 或609.6 mm)、井段最長(1 900 m 左右)、施工難度大、鉆井周期長(100 d 左右),嚴(yán)重影響了全井的建井周期。另外,勘探初期對Z油田地層的巖石力學(xué)特征和鉆頭選型研究工作較少,現(xiàn)場使用的鉆頭類型和型號多且雜,針對性不強(qiáng),鉆頭機(jī)械鉆速低、進(jìn)尺少、起下鉆趟數(shù)多,使用效果不佳??紤]到后續(xù)將進(jìn)入大規(guī)模開發(fā)階段,一期布井就達(dá)21 口,因此,對Z 油田一開地層可鉆性進(jìn)行相應(yīng)的研究,并針對其地層特性和作業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行專門的個(gè)性化鉆頭設(shè)計(jì)和應(yīng)用,對于提升鉆頭表現(xiàn)、減少全井鉆井周期、節(jié)約鉆井成本很有必要。

1 Z油田一開井段地層可鉆性預(yù)測

Z 油田目前均是直井井型,其中一開井段自150 m起,完鉆井深2 050 m左右,段長約1 900 m,鉆遇地層包括:阿赫賈里,泥巖、泥灰?guī)r為主,多砂巖、粉砂巖的夾層,段長約1 800 m;賈其薩朗,泥灰?guī)r、硬石膏、泥巖、鹽巖,地層軟硬交錯(cuò),段長約100 m(未穿)。雖然前期已經(jīng)打了數(shù)口探井,但是并沒有專門對區(qū)塊地層的巖石力學(xué)參數(shù)和可鉆性等方面的研究,對現(xiàn)場作業(yè),特別是鉆頭的選擇和使用缺乏科學(xué)的理論指導(dǎo)。

1.1 巖石可鉆性模型

地層的可鉆性定義為巖石破碎的難易性,一般用它來衡量巖石在井底抵抗鉆頭破碎的能力,是地層抗鉆能力的綜合體現(xiàn)。對地層可鉆性的研究主要是以大量巖心實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的,它需要選取不同層位、不同地質(zhì)時(shí)代的巖心,在室內(nèi)儀器上測定其微鉆頭的可鉆性數(shù)據(jù)。這種方法在實(shí)際應(yīng)用中存在較多限制性:①由于巖心水份蒸發(fā),應(yīng)力釋放,使得巖心力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能完全反映地下高溫高壓的實(shí)際情況;②受取心資料的局限性,難以反映非均質(zhì)地層巖石特性的變化;③室內(nèi)測試的數(shù)據(jù)是離散和孤立的,無法有效反映層間以及整個(gè)井剖面巖石可鉆性變化情況,不能夠建立起巖石可鉆性連續(xù)的變化剖面;④需要花費(fèi)大量的人力和財(cái)力[2-8]。由于戰(zhàn)爭、經(jīng)濟(jì)、政治等諸多原因,Z 油田巖心數(shù)量很少,而且主要取自底部儲層井段,非常難以獲取進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

國內(nèi)外大量的研究結(jié)果表明,巖石力學(xué)特征與聲波速度有良好的相關(guān)性,聲波時(shí)差越大,巖石可鉆性級值就越小。根據(jù)前人的研究成果,本文依照相關(guān)的計(jì)算模型[9-11],根據(jù)測井資料預(yù)測了地層的可鉆性,并在此基礎(chǔ)上對鉆頭選型提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

巖石可鉆性模型為:

式中:Kd為巖石的可鉆性極值,無量綱;Δt為聲波時(shí)差,μs/m。

1.2 巖石可鉆性分析

根據(jù)可鉆性計(jì)算模型,基于Z 油田探井的測井?dāng)?shù)據(jù),建立了Z油田一開井段地層的可鉆性剖面,如圖1所示。該井段地層可鉆性有如下特點(diǎn):

圖1 Z油田一開地層可鉆性圖版

1)可鉆性極值整體上呈現(xiàn)出隨著井深增加而升高的趨勢,即越向地層深處鉆進(jìn),難度越高。

2)阿赫賈里地層1 000 m以上可鉆性整體較好,但是曲線中普遍出現(xiàn)峰值較大的分散井段,這是由于上部較軟的泥巖、泥灰?guī)r地層中頻繁出現(xiàn)砂巖夾層所致。1 000 m以下,隨著泥巖的逐步壓實(shí),其可鉆性逐漸變差,砂巖夾層的可鉆性峰值差異并不明顯。

3)賈其薩朗地層可鉆性明顯要差于阿赫賈里地層,且數(shù)值上的波動范圍更大,這是地層中質(zhì)硬的硬石膏和質(zhì)軟的泥巖軟硬交錯(cuò)所導(dǎo)致。

針對該地層可鉆性的特點(diǎn),鉆頭設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)滿足的要求包括:①具有較好的穩(wěn)定性,能夠平穩(wěn)穿越諸多硬夾層而不損壞;②具有較強(qiáng)的攻擊性,不僅能夠在上部可鉆性較好的地層提速搶進(jìn)度,還能夠在鉆達(dá)深部可鉆性較差的地層時(shí)仍然保持較好的鉆速。

2 Z油田一開鉆頭使用情況

2.1 鉆頭使用情況

收集到前期已鉆的4口探井一開井段的鉆頭使用情況,見表1。據(jù)統(tǒng)計(jì),全井段最多使用22只鉆頭,入井次數(shù)最多高達(dá)28趟;單只鉆頭平均進(jìn)尺最低不到80 m,單趟鉆的平均進(jìn)尺最低甚至不到70 m??梢? 口探井均存在鉆頭使用數(shù)量多、鉆頭起下鉆次數(shù)多、單只鉆頭和單趟鉆的平均進(jìn)尺低、平均機(jī)械鉆速低等問題。

表1 Z油田一開鉆頭使用數(shù)據(jù)匯總

2.2 鉆頭使用分析

對一開鉆頭每趟鉆的起鉆原因進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),并且按照具體原因分類進(jìn)行分析(表2、圖2):①鉆頭原因,包括機(jī)械鉆速慢、鉆頭使用壽命到等;②鉆具組合原因,包括更換鉆具組合、鉆具失效、鉆具損壞等;③其他原因,包括鉆機(jī)設(shè)備維修、泵壓異常等。從表2 和圖2 可以看出,鉆頭原因是導(dǎo)致Z油田4 口探井一開頻繁起鉆的最主要原因,特別是因?yàn)闄C(jī)械鉆速慢起鉆,在全部起鉆原因中占比超過40%。可見,鉆頭表現(xiàn)的不理想直接延長了鉆井周期,增加了鉆井成本,拖延了勘探開發(fā)進(jìn)度。

表2 Z油田一開鉆頭起鉆原因統(tǒng)計(jì)

圖2 Z油田一開鉆頭起鉆原因統(tǒng)計(jì)

對出井鉆頭的內(nèi)、外圈齒磨損程度按照IADC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了評定,以數(shù)字1~8 表示,數(shù)字越小表示磨損越輕微。齒磨損程度不大于原齒1/8 時(shí)評定為“1”;齒磨完或完全崩損、斷掉評定為“8”。對每趟鉆鉆頭的起鉆井深、內(nèi)圈齒磨損評級、外圈齒磨損評級進(jìn)行了匯總統(tǒng)計(jì),如圖3 所示。從圖3 可以看出,雖然入井的鉆頭數(shù)量和趟數(shù)很多,但是大部分鉆頭切削齒的磨損情況整體并不嚴(yán)重,普遍都在3 級以下。只有少數(shù)鉆頭出井時(shí)切削齒磨損程度較為嚴(yán)重,甚至達(dá)到了8 級的報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn),其磨損特征是崩齒、斷齒,且絕大多數(shù)嚴(yán)重磨損發(fā)生在1 400 m 以下井段,即阿赫賈里中下部和賈其薩朗地層中,這與之前計(jì)算得出的井段地層可鉆性剖面波動規(guī)律是一致的。切削齒磨損評級為“1”的鉆頭不一定就比評級為“8”的鉆頭表現(xiàn)更好。原因在于:①由于磨損評級只能客觀且專注地描述切削齒的磨損狀況,對于鉆頭整體和其他部件、水利結(jié)構(gòu)等并無涉及,這些方面還需要對照IADC 標(biāo)準(zhǔn)中專門的特征代號進(jìn)行描述和評估。②結(jié)合上文“機(jī)械鉆速慢”是各井最主要的起鉆原因來看,恰恰是因?yàn)殂@頭選型或者使用的不合理,導(dǎo)致切削齒無法正常地吃入地層,不能夠有效地工作,鉆頭在入井后較短的時(shí)間就起出,無法發(fā)揮其應(yīng)有的作用,從而出井的鉆頭切削齒磨損普遍較輕。

圖3 Z油田一開鉆頭內(nèi)、外圈齒磨損評級統(tǒng)計(jì)

收集到部分鉆頭出井的照片,結(jié)合出井鉆頭IADC 磨損評價(jià)中對切削齒以外其他部分的評價(jià)特征可以看出:牙輪鉆頭密封失效、軸承損壞(圖4)、PDC 鉆頭泥包(圖5)比較普遍。由于井眼尺寸大、夾層和軟硬交錯(cuò)地層多,牙輪鉆頭在工作時(shí)扭矩很高,軸承和密封容易在短時(shí)間內(nèi)失效。而具備加工大尺寸PDC 鉆頭的廠家數(shù)量、能力有限,限制了PDC 鉆頭的使用,加之鉆頭的設(shè)計(jì)和選型不合理,PDC 鉆頭在該井段以泥巖、泥灰?guī)r這種較黏且易發(fā)生泥包的地層中切削效率低,清洗效果差,并未充分發(fā)揮出其優(yōu)勢。基于以上原因,針對Z 油田一開井段地層特點(diǎn)和工況,專門設(shè)計(jì)一款個(gè)性化的PDC 鉆頭,對于提速提效而言非常重要。

圖4 牙輪鉆頭失效示意圖

圖5 PDC鉆頭泥包

3 個(gè)性化PDC鉆頭的設(shè)計(jì)

3.1 個(gè)性化PDC鉆頭的技術(shù)目標(biāo)

結(jié)合地層巖石可鉆性特征和前期探井施工過程中反映出的各種問題,個(gè)性化PDC 鉆頭預(yù)期的技術(shù)目標(biāo)如下:

1)對鉆頭的力平衡設(shè)計(jì)和能量平衡設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化,保證鉆頭能夠安全穿越夾層和軟硬交錯(cuò)地層,確保鉆頭能夠取得較高的進(jìn)尺。

2)對鉆頭的布齒方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),保證鉆頭能夠擁有較強(qiáng)的攻擊性,提升鉆頭的機(jī)械鉆速。

3)對鉆頭刀翼結(jié)構(gòu)和水力分布進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),保證巖屑的及時(shí)沖洗、運(yùn)移,在井隊(duì)現(xiàn)有的機(jī)泵條件下防止鉆頭泥包,提高鉆井效率。

3.2 鉆頭設(shè)計(jì)與優(yōu)化

目前PDC 鉆頭的本體材料主要有兩種:一種是鑄造碳化鎢粉以及浸漬金屬高溫?zé)Y(jié)而成的胎體鉆頭;另一種是合金鋼經(jīng)過機(jī)械加工成型的鋼體鉆頭。與胎體鉆頭相比,鋼體鉆頭刀翼強(qiáng)度高、韌性好,能夠承受更大的扭矩,同時(shí)擁有更大的排屑槽面積和更深的水道設(shè)計(jì),利于巖屑排出。因此選擇鋼體作為鉆頭本體材料。

鉆頭冠部設(shè)計(jì)是PDC 鉆頭設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),直接影響鉆頭的布齒和受力[12-14];力平衡設(shè)計(jì)是從鉆頭整體受力方面做出分析、優(yōu)化,降低鉆頭徑向、軸向及扭矩振動,提高PDC 齒切削效率和鉆頭機(jī)械鉆速[15-17]。因井段較長,且地層夾層較多,軟硬交錯(cuò)頻繁,下部地層可鉆性差,因此選擇雙圓弧、中等內(nèi)錐的冠部形狀,保證鉆頭鼻部、外肩部平滑布齒,以提高鉆頭的穩(wěn)定性,確保鉆頭能夠安全平穩(wěn)地穿越硬夾層,有效延長鉆頭壽命。19 mm 主切削齒尺寸、中等密度布齒,心部布置減震齒,肩部采用雙排齒設(shè)計(jì),優(yōu)化力平衡,把不平衡力控制在3%以內(nèi)。

4 個(gè)性化PDC鉆頭的應(yīng)用效果

個(gè)性化設(shè)計(jì)的609.6 mm MS1963UV 型號PDC鉆頭在Z 油田一期首批開發(fā)井中投入使用,使用序列為:一開井段首先下入牙輪鉆頭鉆水泥塞及導(dǎo)管附件,再鉆一定深度的地層之后起鉆更換PDC 入井,見表3。對比同批開鉆的鄰井對照井,個(gè)性化PDC鉆頭取得的成績?nèi)缦拢?/p>

表3 Z油田一開鉆頭使用數(shù)據(jù)匯總

1)大幅度提速。機(jī)械鉆速全面超過之前所有井一開井段的表現(xiàn),提升幅度最高達(dá)109.77%。

2)極大減少鉆頭使用數(shù)量和入井趟數(shù)。各井除去使用牙輪鉆頭鉆塞的第一趟鉆外,Z5 井中僅使用2只個(gè)性化PDC鉆頭、2趟鉆完鉆,Z7井中使用Z5井的2#PDC 重復(fù)入井,首創(chuàng)了1 只PDC 鉆頭鉆完整個(gè)井段的記錄。相比于鄰井普遍使用超過20 只鉆頭和20 多趟鉆的記錄,極大減少了鉆頭使用,縮短了鉆井周期。

3)大幅度提效。“鉆頭的每米成本”(公式2)是現(xiàn)場常用的評價(jià)鉆頭表現(xiàn)和經(jīng)濟(jì)性能的一個(gè)重要指標(biāo),它考慮了鉆頭入井后的整個(gè)行程,比單純對比機(jī)械鉆速和進(jìn)尺數(shù)據(jù)更加全面。通過測算兩口試驗(yàn)井中使用的PDC 鉆頭和對照井鉆頭的每米成本,可知使用個(gè)性化PDC 鉆頭之后,每米成本大幅下降,最高超過32%,節(jié)約了大量的鉆井成本,具有非常顯著的經(jīng)濟(jì)效益,具體數(shù)據(jù)見表4。

表4 Z油田一開鉆頭使用數(shù)據(jù)匯總

式中:Cpm為鉆頭的每米成本,美元/m;Cb為鉆頭費(fèi)用,美元;Ct為井下工具費(fèi)用,美元;Cr為鉆機(jī)費(fèi)用,美元/h;t為鉆頭鉆進(jìn)時(shí)間,h;tT為起下鉆和接單根的時(shí)間,h;H為鉆頭進(jìn)尺,m。

4)鉆頭出井狀況良好。如圖6所示,2只個(gè)性化PDC 鉆頭出井狀況良好,除部分切削齒崩損外,其余均是正常磨鈍;鉆頭整體沖蝕較為輕微,未發(fā)生泥包。鉆頭表現(xiàn)達(dá)到了預(yù)期的技術(shù)目標(biāo)。

圖6 個(gè)性化PDC鉆頭出井照片

5 結(jié)論

1)Z 油田一開井段地層可鉆性整體上呈現(xiàn)隨井深增加而變差的趨勢。地層夾層多、巖性軟硬交錯(cuò)頻繁,可鉆性極值波動較大。

2)個(gè)性化設(shè)計(jì)的609.6 mm MS1963UV型號PDC鉆頭,能夠很好地適應(yīng)該井段,創(chuàng)造了區(qū)塊最快鉆速、最長進(jìn)尺、一只PDC 鉆頭完成整個(gè)井段等多項(xiàng)紀(jì)錄。提速最高達(dá)109.77%,鉆頭每米成本降幅最高達(dá)32.13%,提速增效效果顯著。

3)PDC 鉆頭在該區(qū)塊展現(xiàn)出極佳的應(yīng)用前景,但個(gè)性化PDC 鉆頭存在部分崩齒現(xiàn)象,且在底部硬石膏地層機(jī)械鉆速仍然較慢,因此對鉆頭的設(shè)計(jì)仍需進(jìn)一步優(yōu)化。

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