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第四章钻头选型分析
第一节钻头选型方法简介
第二节现场已使用的钻头分析
第三节钻头损耗原因分析
第四节最优钻头选型
第五章结论
致谢
参考文献
第一章引言
钻井工程中,钻头是破碎岩石形成井眼的主要工具,它直接影响着钻井速度,钻井质量和钻井成本。
在特定的艰难地层中,如果能对地层岩性研究,使用与之相匹配的最优钻头选型,迅速钻完一口井,那将会使整个钻进过程中,起下钻次数少、建井速度快、钻井成本降低。
因此,选择使用好特定的钻头钻相应的地层,就具有特别重要的意义。
冀东油田自2007年发现南堡油田以来,各项开采工作进入实质阶段,最重要的、投入最多的钻井项目上。
在钻井钻进过程中,遇到了各种技术难题,其在馆陶组钻遇的玄武岩和底部的砂砾岩、沙河街组的玄武质泥岩和砂砾岩互层,出现了地层坚硬难钻,其研磨性较强,蹩跳钻现象明显,钻头使用寿命低,玄武岩地层夹层的不稳定性,导致易塌易漏等一系列复杂问题。
其中关键的问题是钻头的选择,这些地层对于钻头的磨损十分明显,崩齿较多,并且蹩跳钻严重,钻头消耗较大,对钻井质量和进度产生不良影响,并大大提高了钻井成本。
面对这一严重问题,井队根据已钻地层的和邻井的相应井段钻进钻头使用情况,认真分析总结经验,从地层的岩性可钻性分析出发,逐步建立能与之地层相匹配的钻头型号。
从2008年7月12号2008年8月12号在冀东南堡和高尚堡油田区块中原勘探局钻井三公司70118队实习,通过这次实习,对本专业的知识在实践中的应用有了进一步的了解,对地层可钻性及相应的钻头选型有较深入的了解。
在实习过程中,做好本职工作的同时收集了相关的资料用于做毕业设计,通过此次钻头选择型专题研究,提高了自己的综合能力,为以后的工作奠定了基础。
第二章冀东油田区块底砾岩玄武岩性分析
冀东油田位于渤海湾北部沿海,油田勘探开发范围覆盖唐山、秦皇岛、唐海等两市七县。
南堡陆地已发现并投入开发了高尚堡、柳赞、老爷庙三个主要油田,年原油生产能力150万吨,年天然气生产能力6000万吨。
现首要介绍下老爷庙,高尚堡,南堡油田区块的区域地质概况,特定的底砾岩和玄武岩地层的岩性和可钻性分析。
第一节冀东油田主要区块地质地层概况
2.1.1南堡区块地质概况
一、地理区域位置及储量
南堡区块油田位于河北省唐山市境内曹妃甸港区,地质上为渤海湾盆地黄骅凹陷北部的南堡凹陷,属中石油冀东油田公司勘探开发范围。
据数据显示,冀东南堡油田已发现四个含油构造,基本落实三级油气地质储量(当量)10.2亿吨,其中探明储量4.0507亿吨,控制储量2.9834亿吨,预测储量2.0217亿吨,天然气地质储量折算油当量1.1163亿吨。
二、地层概况
下面以南堡油田南堡1号构造1-1区构造高部位,南堡油田1-4平台的南堡118-X2井的地层资料为例,说明下该区块的地质地层情况。
见下表2-1:
表2-1南堡118-X2井地层资料
地质时代
层位
底界深度
m
层厚
主要岩性描述
第四系
平原
300.00
砂岩
上第三系
明化镇
2043.00
1743.00
灰色泥岩,浅灰色细砂岩,浅灰色泥泥质粉砂岩,
灰黄、棕红色泥岩
馆陶
2708.00
665.00
灰黑色玄武岩,深灰色泥岩,灰色泥岩,粉砂质泥岩,
浅灰色细砂岩,砂砾岩、沙砾岩
此井在上第三系馆陶组出现了灰黑色玄武岩、泥岩、及底部的砾岩等难钻岩层,根据现场钻井资料,三使用专用的三牙轮钻头出现了牙齿崩落,轴承松动蹩钻跳钻等现象,其主要是对钻头的磨损较为严重,钻头更换频繁,上下钻繁锁。
2.1.2高尚堡区块地质概况
一、地理区域位置
高尚堡区块地理位置位于河北唐海县、滦南县境内,区域构造属于渤海盆地黄骅坳陷北部。
高尚堡构造带是南堡凹陷陆地范围内的四个主要二级构造带之一,构造范围北部以柏各庄断层为界,东部以鞍与柳先赞构造相连,西为唐海断鼻和老爷庙背斜,南为林雀次桂,有利勘探面积为90K㎡,高尚堡油田整体为一被断层复杂化的披覆背斜构造,高点位于高5—高65井一带,具有北翼陡南翼缓,西部高东部低的特点。
下面以高尚堡深层南区高7断块高17-2井的地层资料为例,说明下该区块的地层分层资料,见下表2-2:
表2-2高17-2井地层资料
290.00
粘土和散砂
明化
1750
1460
灰黄、灰绿色泥岩、浅灰色细砂岩
2020
270
上部泥岩与灰色砂岩互层;
中部砂岩,砂砾岩;
夹黑色玄武岩,底部为大套砂砾岩夹菠层灰色泥岩。
下第三系
东营
2204
384
灰色、浅灰色泥岩与浅灰色砂岩互层
沙一
2905
501
泥岩、砂岩、含砾砂岩互层
沙三
3908
1003
灰绿色玄武质泥岩与浅灰、灰白色砂岩及杂色含砾砂岩。
此井在馆陶组钻遇的黑色玄武岩和底部的砂砾岩、沙河街组的玄武质泥岩和砂砾岩互层,此井在钻进过程当中也表现出,钻头磨损严重。
2.1.3老爷庙区块地质概况
一、地理区域位置
老爷庙油田区块位于河北省唐海县内、渤海湾盆地黄骅坳陷北部南堡凹陷西北部。
是一个受凹陷西北部西南庄边界断层控制的二级构造单元,构造性质为一个继承性发育的滚动背斜。
老爷庙区块钻遇地层自下而上依次为古近系的沙河街组和东营组以及新近系的馆陶组和明化镇组。
目前新近系的明化镇组下段、馆陶组和古近系的东营组是老爷庙区块的主要产油层段。
下面以老爷庙地区庙31x-1井的地层资料为例,说明下该区块的地层分层资料,如下表2-3:
表2-3庙31X-1井地层资料
310.00
2006.00
1696.00
泥岩,细砂岩,泥质粉砂岩,
2881.00
875.00
灰黑色玄武岩,灰色泥岩,粉砂质泥岩,
浅灰色细砂岩,砂砾岩
此区块在馆陶组地层均出现了灰黑色的玄武岩,和不等粒的含砂的砂砾岩。
含石英成分也较多,所以地层研磨性较高,这些地层对于钻头的磨损十分明显,崩齿较多,并且蹩跳钻严重,钻头消耗较大。
另外井队曾因在此区域经验不足导致在2208~2267m段玄武岩出现井下复杂地层坍塌,给井队施工的工作带来了不利影响。
第二节玄武岩及底砾岩研磨性可钻性分析
钻井的过程就是钻头破碎岩石,在地层中钻进的过程。
钻进地层的岩石力学性质,直接与钻头相接触的,如岩石硬度、强度等,直接影响到钻时的速度和成本,是钻井工程师们非常关注的问题,也是岩石力学研究的重要内容。
钻进地层的岩石强度、硬度高低在钻井岩石破碎力学中具体体现为岩石的研磨性和可钻性两个重要的力学性质。
冀东油田南堡区块的底砾岩玄武岩,上部的底砾岩属新生界上第三系馆陶组沉积岩,玄武岩刚属同地质时代的岩浆岩,根据钻井工程岩石力学上的方法,分别研究底砾岩和玄武的研磨性和可钻性。
2.2.1底砾岩和玄武岩
一、底砾岩
位于海浸层位最底部的侵蚀面上的砾岩。
它代表一个长期的沉积间断之后所开始的新的沉积。
底砾岩的特点是:
分布面积不大但较稳定,磨圆度高、分选性好,石英成分含量高,粒度由下至上逐渐变细等。
二、玄武岩
玄武岩是一种基性喷出岩,其化学成分与辉长岩相似,石英SiO2含量变化于45%~52%之间,K2O+Na2O含量较侵入岩略高,CaO、Fe2O3+FeO、MgO含量较侵入岩略低。
矿物成份主要由基性长石和辉石组成,次要矿物有橄榄石,角闪石及黑云母等,岩石均为暗色,一般为黑色。
呈斑状结构,气孔构造。
2.2.2研磨性和可钻性
一、研磨性
岩石研磨性是指岩石磨损与其相摩擦的物体的能力。
不同的岩石由于其强度、矿物成分的差异,对钻头的研磨性损坏能力必然不同,因此,研究不同地层对不同材质钻头的研磨性,对于钻头优选、降低钻井成本具有重要的指导意义。
研究岩石研磨性的方法有很多,但为了方便工程应用,一般根据史立涅尔等人根据试验结果,对岩石按照其研磨性进行了分类,如下表2-4:
表2-4岩石研磨性分类表
级别
岩石
淬火钢
硬质合金
研磨性系数
相对研磨性
1
泥岩硫酸盐岩
3.5—12
1—3
0.1—0.3
2
石英15%以上
45
13
4.0
40
3
石英晶质岩石
57
16
4.5
4
石英碎屑岩硬度>
100
90—200
25—60
5.0
50
5
同上,硬度<
200—300
60—90
在实际工作中,地层的研磨性乃是决定钻头工作寿命的一个重要因素,多采用岩层中的矿物的多少和对钻头的磨损能力来判断地层研磨性,决定钻头的类型。
火成岩的研磨性一般中等或较高,取决于岩石中所含长石、石英万分的多少及粒度和多晶矿物间的硬度差,含长石、石英成分少、粒度细、矿物间硬度差小的研磨性小,反之研磨性较高,所以以上玄武发发达地区的研磨性是较高的;
而沉积碎屑的研磨性主要视其石英颗粒的含量及胶结硬度而定,石英颗粒含量较高,粒度越粗,胶结强度越小的岩石,其研磨性较高,反之较小。
底砾岩则属于前者,底砾岩因其含石英成分多,所以其研磨性也较高。
可见玄武岩和底砾岩两者的研磨性都很高,所以一般钻头难以胜任。
二、可钻性
为了便于按进井段选用钻头、预测钻头工作指标,需要有每一段地层可钻性的资料。
目前世界各国通用的取少数岩芯测定值代表一个井段的方法,对不均质的地层来说,不能全面反映该段的情况。
正确的办法是在某段作抽样试验,以求出具有代表意义的可钻性数值,同时也求出反映地层均匀性的误差数值。
这是测定可钻性中一个值得注意的问题。
下面以高尚堡区块高17-26号井为例,得出该区块地层可钻性,如表2-5:
表2-5高17-26井地层可钻性
地层系组
垂深
主要岩性
可钻性级别
备注
1640
泥岩与细砂岩互层、砂泥岩
1.21±
0.64
馆陶组
1980
泥岩、砂岩、玄武岩、底砾岩
2.77±
0.82
遇玄武岩4.0
东营组
2325
砂岩、泥岩互层
3.82±
1.22
沙河街组
3910
泥岩、砂岩、底砾岩
4.19±
0.71
可钻性是表示钻进过程中岩石破碎的难易程度,可见沙河街组的底砾岩比馆陶组的可钻性要高。
同时也可看出含底砾岩玄武岩的地层可钻性比此区块其它岩层要高,并且在馆陶组的玄武岩达到了4.0,相当的坚硬难钻。
第三章井队现场钻头使用概况
从井队在冀东油田所完钻井的施工资料总结来看,井队遇到主要问题就是钻遇到玄武岩和底砾岩时,出现的问题较多。
本章主要介绍井队现场的钻头使用情况资料总结,及结合邻井的钻头使用时的统计资料,分析对比。
并且参阅现场的施工经验总结。
第一节井队所钻井的钻头使用情况
冀东油田某钻井队,进入施工开钻以来,工作区域遍布了老爷庙、南堡、高尚堡区块,在馆陶组和沙河街组均遇到了一般钻头难以正常适应的底砾岩和玄武岩层,现介绍井队施工现场钻头使用情况,及出现的情况分析介绍,下面分别以单口井为例分别介绍:
3.1.1庙31x1井
老爷庙31X1是该井队进入冀东油田的一口预探井,一开始由于对该区块地质情况不是太熟悉,经验不足,根据油田甲方提供的地质设计及施工要求,正常钻进。
该井深2881米,属于小位移双靶定向井,井队在对地层情况还不太熟悉的情况下钻遇了馆陶组的玄武岩,玄武岩井段2208~2267m和2632~2743m,并且在2267~2632m井段出现了含砾不等粒砂岩和底砾岩,不等粒砂岩,且含石英成分也较多,所以地层研磨性较高,这些地层对于钻头的磨损十分明显,崩齿较多,并且蹩跳钻严重,钻头消耗较大。
3.1.2南堡2-11井
南堡2-11井,完钻井深4257米,水平位移2381米,最大井斜56°
,属于五段制大位移三靶定向井,该井比庙31X1井施工难度更大,井队从泥浆和操作上确保该地层的施工安全,调整了泥浆密度,防井漏和地层坍塌,虽然此井只钻遇了3米玄武岩,但遇到了较厚的一套底砾岩地层(3350~3609m),在此地层中井队特意使用两只用于钻玄武岩和底砾岩的三牙轮钻头(HJT617GH),但因地层研磨性强,效果不理想,出井钻头磨损严重,使用时间较短,崩齿严重。
具体情况如下表3-1:
表3-1南堡NP2-11井钻头使用情况
尺寸mm
型号
使用井段m
地层岩石
机械钻速m/h
使用描述
215.9
HJT617GH
3350~3526
底砾岩
3.84
外排齿和保径齿磨秃,轴承完好,巴掌磨损为212mm
3526~3568
2.41
牙轮松动,牙齿磨光
P551
3568~3575
1.30
五刀翼全部磨掉,钻头完全损坏
HJ517G
3575~3609
3.71
牙轮崩齿较多,1#2#各7个,3#5个,巴掌205mm,保径208mm,各磨损2mm,轴承完好
3.1.3南堡1-4井
南堡1-4井,完钻井深3956米,属于直日井,该井井身结构特殊(660.4mmbit*296.25m+444.5mmbit*2411m+311.1mmbit*3956m),在二开在井深1990~2411米井段地层岩性较杂,其地层中部为厚层灰黑色玄武岩和玄武质泥岩,下部为玄武质泥岩、灰色泥岩、玄武岩夹杂色砂砾岩,底部以浅灰色含砾不等粒砂岩为主。
444.5mm钻头钻穿此地层还属首次,既要保证井身质量又要保证安全钻井,其难度是相当大的。
而在三开井深3145米以后,灰黑色玄武岩、灰色凝灰岩、玄武质泥岩交替出现,对于钻头使用、井眼稳定防塌防漏方面上提高了施工标准和难度,钻头消耗较大,磨损严重。
具体情况见下表3-2:
表3-2南堡NP1-4井钻头使用情况
444.5
GA515G
1344~1963
玄武岩
6.6
外排齿磨损严重,两颗牙齿崩落
1963~1996
玄武质岩
0.47
五颗牙齿崩落,牙齿磨光
2002~2268
1.95
牙齿崩落七颗,牙齿磨损严重
2268~2411
2.21
牙齿崩落五颗
311.1
3145~3282
凝灰岩
1.69
一级磨损,2#牙轮和3#牙轮轴承间隙磨损松动
3282~3385
玄武质泥岩
1.97
1#牙轮2个牙齿崩落,2#牙轮6个牙齿崩落,3#牙轮4个牙齿崩落
3385~3455
0.75
3455~3567
1.44
外排齿稍有磨损,钻头掌背磨损1.5mm,3#轴承略有松动,轴承密封缝隙较大。
3.1.4南堡5-6
南堡5-6井设计井深4600米,属于直井,从设计上来看,在馆陶组下部和底部钻遇玄武岩和底砾岩,沙一段顶部、沙二段和沙三段顶部钻遇玄武岩,井他已钻穿馆陶
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