复合钻井技术在天然气井的应用及效果分析.docx
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复合钻井技术在天然气井的应用及效果分析
复合钻井技术在天然气井的应用及效果分析
沈双平马喜张秉毅
概述:
长庆气田自开发以来,经过长庆钻井人十几年的不懈努力,已经形成了一套适合钻探鄂尔多斯盆地天然气井的特色技术,气井机械钻速从勘探初期的2米/小时已提高到6米/小时,但是,钻具失效表现的越来越突出,严重制约着钻井生产的顺利完成,并且机械钻速提高的幅度越来越小,为了很好地解决钻具失效问题和提高机械钻速,加快钻井速度,依目前的应用技术,难度很大,如何提高钻井速度,降低钻井成本,是摆在我们技术人员面前的一项技术难题。
2001年以来我们采用复合钻井技术,达到了以下目的:
1、加快了钻头破岩效率,提高了机械钻速;
2、改善钻具受应力的状况,减少钻具失效;
3、缩短钻井周期,节约钻井成本。
2003年共投入新螺杆47根,修复螺杆23根,在23个钻井队77口井上进行了复合钻井技术试验与推广,下面就2003年复合钻井技术的应用情况进行分析:
一、2003年复合钻井的应用情况
1、常规与复合钻井对比,见表一
常规与复合钻井对比表表一
钻井方式
钻井口数
钻井进尺(米)
平均机械钻速(米/小时)
平均钻井周期(天)
复合段进尺(米)
复合段钻速(米/小时)
复合钻井
75
256872.5
6.18
36.21
117912.34
10.44
常规钻井
64
203792
5.66
34.93
76420.18
6.14(36口)
对比
0.52
1.28
3.30
注:
此表不包括苏里格和榆林区块气探项目组的井,统计到2003年11月30日完成井上交资料
2、分区块复合钻井与常规钻井技术指标统计,见表二
分区块复合钻井与常规钻井技术指标统计表表二
区块
钻井方式
年份
钻井口数
钻井进尺(米)
平均
机械钻速
(米/小时)
平均
井深
平均钻井周期
相近井段进尺
相近井段
钻速
中北部
复合
2003
32
109046.5
6.48
3407.70
31.83
48213.54
10.12(32口)
2002
10
34166
6.89
3416.60
31.13
12635.37
10.84
常规
2003
32
102321
6.08
3305.00
34.85
35486.88
6.73(16口)
2002
32
107169
6.65
3349.03
34.25
7.85
对比
0.40
3.02
3.39
南部
复合
2003
24
91039
6.16
3793.29
44.36
49039.31
10.63(26口)
2002
7
26852
5.94
3836.00
43.13
11696.78
10.34
常规
2003
1
3775
5.35
3775.00
44.33
8733.48
6.58(4口)
2002
4
18908
4.67
3781.60
56.38
6.42
对比
0.66
0.03
4.05
榆林二厂
复合
2003
19
56787
5.71
2988.79
33.29
20659.49
10.81(19口)
常规
2003
24
70807
5.04
2950.00
35.16
32199.84
5.50(16口)
2002
23
67144
4.84
2918
40.26
对比
0.67
1.87
5.31
注:
此表不含中北部乌字号井,不含榆林区块气探项目组的井位
从表二中可以看出,复合钻井在各区块比常规钻井机械钻速高,缩短钻井周期。
中北部区块机械钻速比上年有所下降,其原因是2003年与2002年相比,该区域的井位大量向东向南移动,地层的可钻性变差,从而导致机械钻速下降;南部区块复合钻井的钻井周期比常规钻井略长,其原因是唯一的一口常规钻井试验了液力推力器,既保护了钻具,又延长了钻头的使用时间。
3、单井分井段复合钻井钻头使用情况,见附表一
二、复合钻井钻头使用分析
钻头分析
1、复合钻井对钻头的影响
复合钻井与常规钻井分井段钻头统计,见表三
复合钻井与常规钻井部分井分井段钻头统计表表三
区块
钻井方式
钻井井段(米)
统计井口数/钻头尺寸(mm)
所用钻头数量(只)
平均单只钻头进尺(米)
平均单只钻头纯钻时间(小时)
平均
机械钻速
(米/小时)
中北部
复合钻井
500-1800
16/241
20
952.30
57.96
16.43
1800-2400
17/241
18
487.44
65.50
7.44
2400以上
6/241
6
392.20
65.48
5.99
常规钻井
500-1800
16/241
22
867.15
79.05
10.82
1800-2400
23/241
29
464.20
87.63
5.30
2400以上
34/241
42
356.44
98.10
3.63
南部
复合钻井
500-1800
18/241
23
947.99
54.96
17.25
1800-2400
18/241
19
583.52
64.85
9.00
2400以上
11/241
16
337.97
59.08
5.72
常规钻井
500-1800
4/241
5
836.69
77.78
10.75
1800-2400
4/241
4
596.88
105.38
5.66
2400以上
10/241
17
318.08
85.93
3.70
榆林
复合钻井
500-1600
4/241
4
1010.50
55.85
18.09
1600-2100
4/241
4
541.26
81.65
6.63
2100以上
3/241
4
335.37
63.93
5.25
500-1600
9/216
10
764.27
57.47
13.30
1600-2100
4/216
4
364.52
56.82
6.41
2100以上
常规钻井
500-1600
16/216
20
870.32
93.21
9.34
1600-2100
19/216
20
483.61
113.62
4.26
2100以上
19/216
23
343.26
106.95
3.21
从表三和附表一中可以看出,复合钻井Ф241mm钻头钻井进尺比常规钻井高。
通过统计对比,在中北部区块复合钻井Ф241mmHA517
类钻头平均单只进尺比常规钻井高174.98米,复合钻井中Ф241mmHA537类钻头平均单只进尺比常规钻进多21.33米,在南部区块复合钻井Ф241mmHA517类钻头平均单只进尺比常规钻井高200.39米,复合钻井中Ф241mmHA537类钻头平均单只进尺比常规钻进多48.08米。
复合钻井Ф216mm钻头钻井进尺比常规钻井低,在榆林区块复合钻井Ф241mmHA517类钻头平均单只进尺比常规钻井Ф216mmHA517类钻头多163.29米,复合钻井中Ф241mmHA537类钻头平均单只进尺比常规钻进Ф216mmHA537类钻头少7.99米,复合钻井Ф216mmHA517类钻头平均单只进尺比常规钻井少106.05米,复合钻井Ф216mmHA537类钻头平均单只进尺比常规钻进多117.47米。
复合钻井Ф241mm钻头平均单只钻头纯钻时间比常规钻井短,复合钻井Ф216mm钻头平均纯钻时间比常规钻井纯钻时间短,在中北部区块复合钻井Ф241mmHA517类钻头平均单只钻头纯钻时间比常规钻井短20.13小时,复合钻井Ф241mmHA537类钻头平均单只钻头纯钻时间比常规钻进短27.54小时,在南部区块复合钻井Ф241mmHA517类钻头平均单只钻头纯钻时间比常规钻井短21.05米,复合钻井Ф241mmHA537类钻头平均单只钻头纯钻时间比常规钻进短27.85小时。
在榆林区块复合钻井Ф216mmHA517类钻头平
均单只钻头纯钻时间比常规钻井短36.37小时,复合钻井Ф216mmHA537类钻头平均单只钻头纯钻时间比常规钻进短32.44小时。
在复合钻井中,64.8%的牙轮钻头因旷动起出,发生了两起钻头牙轮落井事故,这两起牙轮事故都是井队在泵压升高的情况下不及时起钻强行硬钻造成的。
螺杆装配时的不同心度对牙轮钻头的破坏极大,2003年使用的螺杆发现一根。
复合钻井中钻头使用时间的缩短其原因是:
由于螺杆的高转数造成了钻头的先期损坏,特别是HA537类钻头厂家推荐转数低,使得该型钻头的在复合钻井中钻头的寿命大幅度的缩短;从常规钻井和复合钻井对应看HA系列钻头还存在质量不稳定因素。
复合钻井中试验使用了1只史密斯Ф241mmFi28V钻头,其进尺为1432.5米,纯钻时间为116小时,平均机械钻速12.35米/小时,单只进尺和纯钻时间均高于国产钻头,但机械钻速偏低,综合成本偏高。
复合钻井中试验使用了1只江西Ф241mmGY437F钻头,其进尺为320.52米,纯钻时间为8.90小时,平均机械钻速36.01米/小时,单只进尺和纯钻时间均低于HA437钻头,但综合成本偏高。
2、不同地层对钻头寿命的影响
刘家沟以上地层使用复合钻进时,钻头平均单只进尺比常规钻进高,但刘家沟以下的地层较硬,加之螺杆的高转数,使钻头上产生的震动增加,加速了对钻头的损坏,这也是HA537类钻头寿命缩短的又一原因.
3、钻井参数对钻头的影响
在复合钻井中,排量的大小决定了螺杆转数的高低,排量越大转数越高,对钻头的损坏越大。
为了取得较理想的钻速,考虑钻头的设计转数和净化井眼的能力,使用Ф203mm螺杆时,排量一般控制在28-31L/S,使用Ф197mm螺杆,排量控制在26-30L/S,新螺杆取下限,修复螺杆取上限,以便钻头取得较高的进尺。
排量再增大,将导致钻头提前失效,排量再减小,钻井液携砂困难。
泵压的高低决定了井底的净化效果,泵压越高净化效果越好,但螺杆传动轴处密封的承压能力只有7MPa,因此,在井口试螺杆时,在合理排量范围内保证泵压6.5-7Mpa方可入井,即使这样,在井深3000米左右时,泵压偏低,井底净化效果变差,这是复合钻井中深井段HA537钻头使用寿命缩短的又一原因。
复合钻井中钻压控制在150-200KN之间,钻压增大螺杆的转数相对降低,要想取得理想的钻速,在上部井段使用150-180KN的钻压,下部井段使用180-200KN钻压,如果再增加钻压,将导致钻头提前失效。
从使用的效果看,Ф197mm螺杆由于厂家设计的转数在一定排量下偏高,与钻头不相匹配,造成了使用Ф197mm螺杆时,钻头的使用时间相对缩短。
4、复合钻井中最优钻头指标
复合钻井中单只钻头进尺最高为:
G17-12井二开第一只HA517钻头,进尺达1556.08米,其机械钻速为12.62米/小时,也是天然气井所用钻头中进尺最高的钻头。
三、螺杆钻具的使用情况
1、不同型号螺杆使用时间比较
不同型号已失效螺杆使用时间对比表表四
螺杆厂家
大港
立林
潍坊
德州
大港
大修
甘泉修大港
甘泉修潍坊
甘泉修立林
潍坊大修
大港
立林
潍坊
潍坊大修
螺杆尺寸
203
203
203
203
203
203
203
203
203
197
197
197
197
数量
10
10
8
6
8
1
1
4
5
2
1
6
1
平均纯钻
254.66
186.24
172.81
160.13
210.91
252.5
169.17
135.83
39.06
192.88
373
72
17
注:
螺杆尺寸单位为mm,数量单位为根,平均纯钻为小时。
从表四和附表二可以看出,大港Ф203mm新螺杆比其它各厂家螺杆使用时间长,德州新螺杆使用时间最短。
2003年,螺杆最长使用时间为潍坊Ф203mm新螺杆,达到462.97小时。
2、损坏的形式及原因分析
大港螺杆损坏的主要形式:
在钻进过程中无进尺,起出后井口试验不转,主要原因是万向轴断。
其次为传动轴处密封失效;螺杆锭子母扣扣根断裂落井一次。
立林螺杆损坏的主要形式:
在钻进过程中加压无进尺,起出后井口试验不转,其次为传动轴处密封失效和泵压增高。
潍坊螺杆损坏的主要形式:
在钻进过程中加压无力量,起出井口试验个别不转,其他在增大排量的情况下能运转,但力量不足,其原因在于潍坊螺杆中孔配置不合理,需要大排量使用;其传动轴断裂落井一次。
德州螺杆损坏的主要形式:
在钻进过程中无进尺,起出后井口试验不转,主要原因是万向轴断,和钻进过程中加压无进尺,起出后井口试验不转,其次为传动轴处密封失效。
修复后的螺杆无力量,不具备使用价值,其原因是锭子橡胶件在第一次使用后已经严重损坏,锭子橡胶件的质量不过关,潍坊螺杆表现得最突出。
3、使用中应注意的事项
长庆钻井所用的清水聚合物钻井液体系为螺杆的使用提供了良好的工作环境,延长了螺杆的使用时间,天然气井上在深井段转化钻井液后,为了使用好螺杆,主要控制钻井液的含砂量.
钻井参数:
钻压:
150-200KN,
转盘转数:
20-58转/分;
排量:
Ф203mm螺杆28-31L/S,Ф197mm螺杆26-30L/S;
泵压:
在合理排量范围内,井口试运转泵压控制在6.5-7MPa.
操作中注意事项:
a.下钻平稳,严格控制遇阻不超过100KN,防止突然遇阻损坏螺杆.
b.下到底后,采用低排量(20-26)、低钻压(20-40KN),磨合钻头和螺杆1小时,再提高排量至要求范围内,逐步加压至150-200KN.
c.送钻平稳,不顿不溜。
d.每次接触井底加压要平稳,且逐步加压。
e.起钻严格控制遇阻吨位不超过100KN,否则,采用循环倒划眼起出,严禁强提硬拔。
f.使用螺杆倒划眼时,使用外钳控制钻具的倒转,严禁在钻具倒转时,将泵一次停死,应分多次停泵,直到泵压为零或钻具不倒转为止,否则,其后果是将钻头倒入井内。
h.下井前,必须检查螺杆的弯曲状况,发现有弯曲或传动轴有不正常现象不得入井。
g.冬季不用螺杆时应将其里面的液体放干净,以防冻坏螺杆。
h.严禁在钻井液中有较大颗粒堵漏材料的情况下使用螺杆,如果井下发生漏失,应起出螺杆后下入其它工具进行堵漏。
2003年由于操作不当造成螺杆损坏有3根,一为冻坏,二为溜钻,三为锯木堵死,还造成了一起钻头落井事故,这是由于复合钻井措施不完善造成的,事故发生后及时进行了修改。
四、复合钻井应用分析
1、机械钻速明显高于常规钻井(见表五)
复合钻井技术在天然气井上经过2001年的试验和2002年、2003年的使用,证明能明显提高钻井速度,经过77口井的使用,证明复合钻井技术可以进一步提高钻头的破岩效率,机械钻速有了明显提高。
从表五中相近井段便可看出这一点。
复合钻井与常规钻井部分井井段钻速对比表五
区块
钻井方式
钻井井段(米)
统计井口数/钻头尺寸(mm)
平均单口井段进尺(米)
平均单口井段纯钻时间(小时)
平均机械钻速
(米/小时)
相近井段时间对比
中北部
复合钻井
500-1800
16/241
1190.38
72.47
16.43
+25.23
1800-2400
17/241
596.18
80.13
7.44
+30.36
2400以上
6/241
420.20
70.16
5.99
+51.02
常规钻井
500-1800
16/241
1192.33
97.7
10.82
-25.23
1800-2400
23/241
585.30
110.49
5.30
-30.36
2400以上
34/241
440.30
121.18
3.63
-51.02
南部
复合钻井
500-1800
18/241
1211.33
70.22
17.25
+27.01
1800-2400
18/241
615.94
68.46
9.00
+36.82
2400以上
11/241
491.56
85.93
5.72
+60.07
常规钻井
500-1800
4/241
1045.86
97.23
10.75
-27.01
1800-2400
4/241
596.88
105.38
5.66
-36.82
2400以上
10/241
540.73
146.00
3.70
-60.07
榆林
复合钻井
500-1600
4/241
1010.50
55.85
18.09
+60.66
1600-2100
4/241
541.26
81.65
6.63
+37.95
2100以上
3/241
447.16
85.23
5.25
+44.24
500-1600
9/216
849.18
63.86
13.30
+52.65
1600-2100
4/216
364.52
56.82
6.41
+62.78
2100以上
常规钻井
500-1600
16/216
1087.9
116.51
9.34
1600-2100
19/216
509.07
119.60
4.26
2100以上
19/216
415.52
129.47
3.21
2、钻具受力状况得到改善
复合钻井与常规钻井钻具失效统计表表六
钻井方式
钻井口数
复合钻进失效次数
全井失效次数
单井平均失效次数
复合钻井
77
0
25
0
常规钻井
90
96
1.07
对比
1.07
注:
不包括苏里格区块
目前所用的钻具国产的偏多,产品质量不稳,平均每口井钻具失效2002年为1.28次,2003年为0.75次,因钻具的疲劳造成短路循环及频频起下钻,这种情况在施工过程中容易发生井下复杂,有时不得不提前转换泥浆体系,影响钻井速度,造成成本消耗增大。
使用复合钻井因转盘转数低,钻压低,大部分的扭矩集中在螺杆上,使钻具的受力状况得到了改善,钻具周期性侧应力的频率降低及频辐减小,钻具的磨损也减少,钻具失效减缓,钻具使用周期延长。
2003年75口复合钻井在使用螺杆钻进过程中未发生钻具失效,而2003年90口常规钻井共发生钻具失效96次(不含苏里格区块),平均单井发生1.07次。
复合钻井钻具失效比常规钻井降低了1.07次。
如果能全井实现复合钻井,钻具失效将大为改观。
3、缩短了钻井周期
2003年复合钻井与常规钻井钻井周期统计表七
区块
中北部(天)
南部(天)
榆林(天)
复合钻井平均钻井周期
31.81
44.36
33.29
常规钻井平均钻井周期
34.76
44.33
35.16
对比
+3.02
-0.03
+1.87
从表七种可以看出,复合钻井在中北部和榆林区块比常规钻井钻井周期短,南部区块复合钻井的钻井周期比常规钻井略长,其原因是:
首先唯一的一口常规钻井试验了液力推力器,既保护了钻具,又延长了钻头的使用时间,其次2003年南部区块发生的漏失和事故井比去年增多。
2002年22口天然气井复合钻井与常规钻井对比,苏里个区块可缩短钻井周期6.75天,中北部相对可缩短钻井周期3.125天,南部区块可缩短钻井周期13.25天。
2003年75口天然气井复合钻井与常规钻井对比,中北部相对可缩短钻井周期3.02天,南部区块略增加钻井周期0.03天,榆林区块可缩短钻井周期1.87天。
南部区块未能直接缩短钻井周期的主要原因是:
首先唯一的一口常规钻井试验了液力推力器,既保护了钻具,又延长了钻头的使用时间,其次2003年南部区块发生的漏失和事故井比去年增多,严重影响了钻井速度。
如果能全井实现复合钻井,钻井周期将大幅度缩短。
4、复合钻进过程中节约了一台柴油机组柴料消耗。
五、经济效益及分析
1、钻机日作业费计算方式
节约费用的计算应包括以下部分:
a.总产出:
复合钻井段比常规钻井段机械钻速提高所节约的钻井时间,及减少钻具失效节约的钻井时间所带来的效益,从表五可以看出,复合钻井在各井段均能节约钻井时间,对各区块进行统计并汇总,见表八。
各区块复合钻井比常规钻井所节约的钻井时间表八
区块
500-1800米所节约时间
1800-2400米所节约时间
2400米以上所节约时间
中北部
655.98小时(26口)
728.64小时(24口)
561.22小时(11口)
南部
621.23小时(23口)
883.68小时(24口)
780.91小时(13口)
榆林
898.47小时(16口)
151.80小时(4口)
132.72小时(3口)
复合钻井节约的钻井时间5413.93小时,相当于225.58天,减少钻具失效节约的钻井时间为:
77口×1.07次×22小时/口次=1812.58小时,相当于75.52天,总共可节约钻井时间为301.10天。
钻机日作业费按4万元计算,可节约费用1204.4万元。
b.总投入:
增加的螺杆费用,按现用Ф203mm螺杆12万元/套,Ф197mm螺杆10.20万元/套,一套螺杆可修复2次,修复费用2.5万元/次。
螺杆的总费用为34根×12万元/根+13根×10.2万元/根+23根×2.5万元/根=598.10万元。
c.每口井复合钻井所用钻头数量与常规钻井相当,未增加费用。
总效益=总产出-总投入
=1204.40万元-598.10万元=606.30万元
产出投入比=总产出/总投入=1204.40万元/598.10万元=1.97
效益增值率=(总产出-总投入)/总投入×100%=(1204.40万元-598.10万元)/598.10万元×100%=101.37%
用此方式计算,平均每口井节约7.874万元。
通过计算,经济效益是明显的,复合钻井技术具有很好的推广使用价值。
同时,复合钻井过程中节约了油料,减少设备磨损等,复合钻进时使用一台柴油机作业,若按单车运转节约油料估算,每天可节约油料1.5吨,油料按0.22万元/吨计算。
其节约的柴油费用为1.5吨×0.22万元/天吨×643天=212.19万元。
减缓了钻具失效,延长了钻具的使用寿命,减缓了钻具的磨损,降低了钻具的修理次数以及与此相关的拉用费用,这些是无法统计的,但能带来社会效益和经济效益。
2、区块经济效益分析
中北部区块可节约钻井成本:
81.08天×4万元/天+32口×4万元/天×1.07次/口×22/24/次-13根×12万元/根-3根×10.2万元/根-11根×2.5万元/根=235.767万元
平均每口井可节约7.368万元成本。
南部区块可节约钻井成本:
95.24天×4万元/天+26口×4万元/天×1.07次×22/24/次-18根×1
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