應(yīng)用數(shù)字技術(shù)優(yōu)化鉆頭選型降低鉆井成本

1、應(yīng)用數(shù)字技術(shù)優(yōu)化鉆頭選型降低鉆井成本 胡澤萍 編譯胡湘炯 審校摘 要  本文闡述了在意大利的多倫特、斯格諾油田，如何運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)優(yōu)選鉆頭,以顯著降低鉆井成本。譯自 SPE/1ADC 52877引  言位于意大利中部多倫特·斯格諾油田的蒙特恩1井，設(shè)計(jì)井深2350米,鉆到上白堊紀(jì)含亞平寧酸氣的石灰?guī)r，穿過(guò)一系列夾層，巖性預(yù)測(cè)及相關(guān)套管深度和尺寸參見(jiàn)圖1。該地區(qū)地質(zhì)狀況復(fù)雜，砂巖和泥巖上覆有中新世逆掩斷層，使得鉆頭設(shè)計(jì)比較困難，最靠近的鄰井是瑪沙利亞·韋斯利1井，蒙特恩1井的設(shè)計(jì)主要基于該井的記錄。作業(yè)商最初設(shè)計(jì)42天鉆至設(shè)計(jì)井深，不包括下套管和完井作業(yè)。

2、81/2井段是最具挑戰(zhàn)性的，也是本文的主題。該地區(qū)通常的做法是將套管下到中新世的底部，以防止下部上新世高壓地層發(fā)生井涌?，斏忱麃?#183;韋斯利1井表明將套管下到1100米中新世泥灰?guī)r可以有足夠的安全系數(shù)保證安全鉆進(jìn)。 作業(yè)商也了解到主油藏石灰?guī)r可以“裸眼完井”。這些措施將縮小井眼，大幅度降低成本。作業(yè)商設(shè)計(jì)19天鉆過(guò)該井段，包括全部非鉆進(jìn)作業(yè)。 根據(jù)預(yù)測(cè)，1100-2110米之間的81/2井段由致密的中新世石灰?guī)r和含上新世膠結(jié)石英砂巖的淤積泥巖夾層組成。瑪沙利亞·韋斯利1井鄰井的對(duì)應(yīng)段是用三個(gè)121/4和四個(gè)81/2牙輪鉆頭鉆進(jìn)，見(jiàn)表1所示。僅考慮鉆進(jìn)和起下鉆時(shí)間，鉆完該段用了1

3、6.7天，按照目前匯率成本為623000美元。第一個(gè)121/4 IADC 517型鑲齒鉆頭，用于鉆過(guò)上新世地層的石灰?guī)r/泥巖段。 起出后大部分切削刃損壞，看起來(lái)象是斷齒。第二個(gè)121/4 1ADC 437 鑲齒鉆頭鉆完上中新世底部的80米地層和中新世中部的泥巖/砂巖地層，其它的鉆頭鉆完了中新世中段和下段的泥巖/砂巖。這些鉆頭起出后，切削結(jié)構(gòu)幾乎完好無(wú)損?；谏鲜隹紤]和巖性描述,顯示81/2井段的最好辦法是：下入鉆速高的PDC鉆頭鉆過(guò)中新世泥巖段，但是，第一個(gè)121/4鉆頭的磨損情況表明，上中新世地層的石灰?guī)r不適于用PCD鉆頭，因此應(yīng)選擇一只牙輪鉆頭。圖1 地質(zhì)柱狀圖表1 瑪沙利亞·韋

4、斯利1井部分鉆頭記錄尺寸IAD C水眼下入起出進(jìn)尺小時(shí)鉆速泥漿巖性磨損分級(jí)121/45172×161×1511441321177424.21WBMLS68BT A0E JD PR121/44472×161×1513211477156374.22 WBM SH-LS140(T.B.G.) 121/45171×162×15 1477179331678.54.03 WBMSH 180(T.B.G.) 81/2116 3×14 17931959

5、166642.59 WBMSH 280(T.B.G.) 81/21161×142×121960213917954.53.28 WBMSH 150(T.B.G.) 81/21161×142×12 21392239100392.56  WBM  SH-LS 240(T.B.G.)81/25173×16223922531443.5 WBMSH-LS 010(T.B.G.)  LS石灰?guī)r SH泥巖 T牙齒

6、 B軸承 G保徑圖2是最初的鉆頭設(shè)計(jì)，要求用一只81/2 IADC-447型牙輪鉆頭鉆過(guò)300米的石灰?guī)r，一只81/2 IADCM332型PDC鉆頭鉆過(guò)中新世泥巖。第一個(gè)牙輪鉆頭應(yīng)以4.5m/h的鉆速鉆完致密的石灰?guī)r，PDC鉆頭應(yīng)以5m/h鉆完全段。預(yù)計(jì)該段可以用9.6天鉆完，總成本約266000美元。       圖2 鉆井進(jìn)度曲線(xiàn)為這一目的，作業(yè)者向幾個(gè)鉆頭廠商提供了瑪沙利亞·韋利斯1井的電纜測(cè)井資料。這些資料先后用多種軟件分析。所有鉆頭廠商起初設(shè)計(jì)要求用一個(gè)或兩個(gè)牙輪鉆頭鉆過(guò)上中新世和一個(gè)鉆速高的PCD鉆頭鉆過(guò)中新世中

7、段。但是，一個(gè)鉆頭廠商提議用一只PDC鉆完全段。基于這些結(jié)果和計(jì)算分析，作業(yè)者選中了一個(gè)特殊鉆頭生產(chǎn)商的結(jié)果，這是由于它對(duì)預(yù)測(cè)下部無(wú)約束壓縮的可靠性。該程序計(jì)算出中新世石灰?guī)r的無(wú)約束壓縮強(qiáng)度值為10000-20000psi。 其聲波數(shù)據(jù)傳輸值為45-60/ft，如圖3。該程序建議這些石灰?guī)r可以用PDC鉆頭，只要它堅(jiān)固足以破壞地層強(qiáng)度。作業(yè)者最初懷疑這一建議。但簽訂了一個(gè)共擔(dān)經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)的協(xié)議后，作業(yè)者決定使用該鉆頭。鉆頭公司不得不研究切削刃技術(shù)以便能經(jīng)受研磨性石灰?guī)r的磨損，并在保持高鉆速的同時(shí)防止下部泥巖段井斜和泥包。      

8、0;        鉆頭進(jìn)展鉆進(jìn)中新世中等強(qiáng)度石灰?guī)r時(shí)，牙輪耐用性通常是鉆頭性能的決定性因素。底部鉆具組合和鉆頭的震動(dòng)經(jīng)常導(dǎo)致堅(jiān)固的切削刃破裂，使切削結(jié)構(gòu)不能有效地鉆進(jìn)后續(xù)的泥巖。對(duì)上部石灰?guī)r通常加大鉆壓以減輕底部鉆具及鉆頭的震動(dòng)。相對(duì)而言，石灰?guī)r下部的泥巖段適用低鉆壓，且鉆進(jìn)最快。它具有好的水力流型以利于有效清潔鉆頭，鉆頭頂部有足夠空間以利于快速鉆進(jìn)泥巖時(shí)容納大量巖屑。為獲得在石灰?guī)r中的耐用性和泥巖中的高鉆速，決定選擇較低鉆壓的PDC鉆頭,選擇較低鉆壓的鉆頭意味著在石灰?guī)r地層中切削件必須耐用，在泥巖中鉆頭有出色的清潔特征。

9、在實(shí)驗(yàn)室里，用每一新切削件刨切賽里拉白色花崗巖（抗壓強(qiáng)度約為25000psi），改變切削深度和其它參數(shù)以改變極值載荷,在一定時(shí)間范圍內(nèi)引發(fā)切削件破壞。每一次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到切削件破壞或破壞巖石的預(yù)定上限。由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分散性， 所以實(shí)驗(yàn)了許多切削刃。 有兩個(gè)切削刃在卡圖沙實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)中（“甲”和“乙”），性能明顯優(yōu)于其它切削刃，被選中用作控制現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。在此之后，三個(gè)切削刃在卡圖沙實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)。“甲”和“乙”是具有新特征的切削件，在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的性能很好。而“丙”是目前不易磨損的標(biāo)準(zhǔn)切削件，它已是商業(yè)產(chǎn)品作為對(duì)比的基準(zhǔn)?？▓D沙的地層包括幾段石灰?guī)r，其聲波傳輸時(shí)間為s/ft。在卡圖沙共鉆進(jìn)

10、1200到1500英尺。第一部分的特點(diǎn)是泥巖中帶有硬石灰?guī)r夾層，而后者是泥巖/石灰?guī)r，接下來(lái)是大量石灰?guī)r和白云巖床。81/2 IADC-M332 PDC鉆頭被選中在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上作切削件試驗(yàn)，鉆頭含三種型號(hào)，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)切削件及兩個(gè)試驗(yàn)件。切削件的排列經(jīng)過(guò)仔細(xì)篩選以使每一個(gè)都有大約相同的靜態(tài)破裂幾率。并確保每一切削刃從中心到邊緣分布均勻以使鉆頭的錐體頂部、臺(tái)階和外周環(huán)境相同。混合牙輪試驗(yàn)的結(jié)果大體上與實(shí)驗(yàn)室結(jié)果一致。明顯看出“甲”刃是最持久的，因此它被選中用于鉆中新世地層。確保成功的第二個(gè)要求，是通過(guò)平衡水眼或排屑槽及排除巖屑的能量實(shí)現(xiàn)鉆頭清潔。均勻分布排出的巖屑量也是必要的。例如，成功的做法意味著主切

11、削刃排出巖屑體積比例與第二個(gè)及第三個(gè)產(chǎn)生的比例相同。為提高在泥巖中的效率，選中了獲得專(zhuān)利的拋光切削刃。高壓鉆井模擬器的一系列實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)顯示，通過(guò)平衡流量及每一刃產(chǎn)生的巖屑，在泥巖中不再堵塞，鉆速比未經(jīng)平衡水力參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)鉆頭快得多。 圖3，瑪1井巖石強(qiáng)度計(jì)算蒙特恩1井81/2 IADC-M423型PDC鉆頭被選中用于該試驗(yàn)， 因?yàn)樵撱@頭的剖面和分布使最小沖擊力負(fù)荷的穩(wěn)定性增強(qiáng)，當(dāng)新鉆頭長(zhǎng)時(shí)間在上中新世石灰?guī)r地層鉆進(jìn)時(shí),不會(huì)過(guò)度磨損。作業(yè)者在能否一趟鉆完全段的懷疑中，同意試一下其性能。按照計(jì)劃,該鉆頭一次入井鉆過(guò)浮鞋，上中新世石灰?guī)r和中新世泥巖到1686米。水眼為：4×11和2×

12、;12/32 以平衡水力參數(shù)。底部鉆具組合如下：鉆頭近鉆頭穩(wěn)定器短鉆鋌扶正器2根鉆鋌穩(wěn)定器10根鉆鋌震擊器4根鉆鋌配合接頭12根加重鉆桿。泥漿比重為1.181.20SG。鉆頭鉆過(guò)石灰?guī)r/泥巖夾層的瞬時(shí)鉆速為4-35m/h，平均機(jī)械鉆速為10.25m/h。該段有扭矩變化和鉆柱遇阻。為控制這些情況，要不斷調(diào)整鉆井參數(shù)，見(jiàn)圖4。作者希望強(qiáng)調(diào)的是對(duì)鉆井參數(shù)的良好控制是必要的。以避免夾層構(gòu)造應(yīng)力引起的跳鉆。鉆頭公司工程師的現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)對(duì)于獲得鉆頭高性能也是很重要的。由于地質(zhì)原因起鉆后又下到同一深度，鉆過(guò)剩余的中新世泥巖到2283米,由于氣體顯示限制了鉆井參數(shù)，盡管降低了參數(shù)，但鉆頭第二次下井的瞬時(shí)鉆速為2-

13、35m/h，平均為6.15m/h。鉆頭起出狀況良好，切削刃和基體少量磨損。這一應(yīng)用使作業(yè)者以7.1天鉆完該段，包括兩趟起鉆，比鄰井縮短了9.6天作業(yè)時(shí)間。該井比作業(yè)者的設(shè)計(jì)提前了4.5天，比鉆頭公司的設(shè)計(jì)提前了2.5天。該井的鉆井成本約200,000美元，比鄰井節(jié)約成本423,000美元，比鉆井公司的起初設(shè)計(jì)節(jié)約66,000美元。蒙特恩1井的電測(cè)數(shù)據(jù)用同一軟件分析，并與鄰井巖石強(qiáng)度比較。為便于比較，作業(yè)調(diào)整了瑪沙利亞·韋斯利1井的電測(cè)井深以與蒙特恩1井相對(duì)應(yīng)，如圖5。分析表明，蒙特恩1井石灰?guī)r段夾有比瑪沙利亞·韋斯利1井多的泥巖夾層。81/2段地層的厚度為310米，比瑪沙利亞·韋斯利1井厚18米。分析也表明蒙特恩1井石灰?guī)r聲波數(shù)據(jù)傳輸值在45-60s/ft的范圍變化。這些石灰?guī)r的計(jì)算無(wú)約束壓縮強(qiáng)度與瑪沙利亞·韋斯利1井的相同，這在上中新世石灰?guī)r地層的底部更明顯。結(jié)  論(1)計(jì)算機(jī)程序的新