1、二一六年三月 钻井综合提速技术探析 中国石油集团钻井工程技术研究院 程荣超 ,15010061667 石油与天然气工业 （环境） 中一项为增储上产 （最终目标） 而开辟保持从地表到地下目的层通道 （功能 1） 和采集所钻地层及井下信息 （功能 2）的入地工程 （性质） 地层的不确 定性 环境的隐蔽性、多变性 工作费用的 高额性 高 难 度 高 风 险 高 投 入 可与上天工程相媲美 高 技 术 四高 注： 钻井工程投入约为石油工业总投入的 40%左右，占勘探投入的 70-90%，占开发投入的30%-50%；随着国内油气勘探开发向深层、深水和复杂地质条件转移，比例将进一步上升。 2 前 言 前
2、言 3 前 言 4 提高钻井速度 1.减少钻机资源的占用 2.缩短井壁侵泡时间 提高钻井效益 大幅度降低钻井成本 防止地层发生周期性坍塌 有效解决井壁失稳等复杂 3.减少侵泡油气层时间 利于发现和保护油气层 大幅度提高采收率 提高钻井速度是我国东部老油田稳产提效及加快西部深层复杂油气藏勘探开发速度、安全钻井、提高单井油气产量、降低 “ 吨油 ” 成本、提高钻探效益的迫切需要，也是 提升我国钻井工程技术服务核心竞争力的迫切需要。 钻井 提速的意义所在： 深 低 海 非 超深 超高温 超高压 复杂地质条件 超硬强研磨 低 /超低渗 长水平段 技术集约化 低成本 钻完一体化 深水 环境恶劣 装备密集
3、化 高投入高风险 自动化程度高 页岩气 致密气 煤层气 技术集成化 钻完一体化 面对“ 深、低、海、非 ”勘探开发新形势，在打成井的基础上，如何用最高效经济的方式 打快井、打好井 是钻井工程面临的关键难题 。 5 前 言 钻井提速 钻井工程永恒的主题！ 深层油气钻探日趋活跃，现有提速技术拓展应用受限，深部硬地层 面临“ 钻速慢、周期长、成本高 ”的瓶颈，亟需革命性的提速技术； 塔里木库车山前巨厚砾石层、四川九龙山砂砾岩等 强研磨地层 钻速极慢，亟需高效破岩新技术。 中石油每年 6000米 超深井数 前 言 6 前 言 国内钻井技术 整体水平（仍以“ 买 +学 ”为主，原始创新少） 钻井提速是钻
4、井技术水平的一个重要指标，世界钻井技术的发展历程在很大程度上体现了钻井提速技术的发展过程。 7 前 言 8 钻井速度指标： 机械钻速 ROP = 钻井进尺 纯钻时间 行程钻速 = 钻井进尺 纯钻时间 +起下钻时间 = ROP 纯钻时间 纯钻时间 +起下钻时间 m/h m/h 钻机月速 = 钻井进尺 钻井工作时间 720 = ROP 纯钻时间 m/台月 钻井工作时间 720 周期钻速 = 钻井工作时间 建井时间 钻机月速 = 钻井工作时间 钻井 工作时间 +搬安时间 钻机月速 m/台月 最常用！ 9 基于比能的钻井优化技术 影响钻速因素及提速途径 钻头优选与个性化设计 提速新工具新方法 一 二
5、三 四 提速案例（库车山前） 五 报 告 提 纲 10 （一）影响钻速因素分析 影响钻速因素 地层条件 人为因素 技术水平 地层压实程度（埋深、抬升） 岩性（ UCS、可钻性，研磨性等） 地层倾角（造斜率） 地层非均质性 地应力（压力系统） 复杂特殊地层（盐、煤、断层等） 组织 管理 现场操作 人员水平 钻机装备与配套工具 破岩方式与破岩工具 钻井（水力）参数优选 钻井方式（不同循环介质） 钻井液体系及性能 井身结构与钻具组合 可控因素（技术水平 +人为因素） +不可控因素（地层条件） 如同“ 齿轮系统 ”，每个因素都会影响钻速，共计 50多个 因素，且复杂多变 11 （二）提速途径探析 提速
6、不是简单的提高 ROP，其最终目的是 缩短钻井 周期，降低吨油成本！ ROP 周期缩短 成本降低 ROP前提：安全、经济（除非必需） 直接提速常规 技术 井身结构优化技术 高效 PDC钻头 优选参数钻井 气体钻井 /空气锤钻井技术 欠平衡钻井 PDC+井下动力钻具复合钻井 高压喷射钻井 优质钻井液技术 旋冲钻井 直接提速 新技术 超高压喷射钻井技术 旋转导向和垂直钻井技术 颗粒冲击钻井技术 清洁钻井液技术 最关键直接提速措施 : 生产组织与管理提速 间接提速 技术 减少 事故与复杂 ,缩短钻井周期技术 压力 预测技术 非 常规井身结构设计 NDS技术 电磁波 MWD技术 井口 连续循环系统 控
7、 压钻井技术 新型 钻具 （二）提速途径探析 12 钻头优选与个性化 设计 最优化钻井 （钻井参数优选 ） 井下动力钻具提速 （复合钻井等） 井底降压提速 （欠平衡 /气体钻井） 减振降耗工具 （减阻降扭） 提升钻机装备能力 提高钻速的钻井液 改变单一旋转破岩方 式（水射流、 PID） 优化作业模式 （批钻、工厂化作业） 基于大数据的钻井 综合提速技术 途 径 直接提速 （二）提速途径探析 13 包括但不限亍以下十类直接提速方法 （二）提速途径探析 14 1、钻头 “ 钻头不到，油气不冒 ”，钻头直接接触地层，是影响钻井破岩效率最直接、最关键的因素 近年来，随着 材料、加工及个性化设计 能力的
8、不断提高，钻头技术发展日新月异，设计理念突破常规，新型钻头层出不穷，对于提升钻井破岩能力起着至关重要的作用 破岩方式 现状及发展趋势 代表性技术 接触式 钻头 切削齿材质要求高 PDC逐步取代牙轮钻头 设计更具针对性和个性化 功能更全，增强钻头耐磨性、可导向性 地层适应性更强 史密斯的 Stinger， ONYX 360， Spear（页岩气水平井一趟钻）， KCR微芯等； 贝克休斯的 Kymera（可定向）、 IREV孕镶钻头（多层金刚石）、 StayCool多维切削齿 钻头等 NOV的 SpeedDrill（定向 +同心扩眼）、 Seeker S系列、Helios抗高温切削齿 Varel的
9、 Imax +孕镶金刚石钻头（双切削齿） 哈里伯顿 的 MegaForce、 Energy Balance钻头 国外钻头技术 发展现状 超硬材料技术： 广泛应用 脱钴技术 ，大幅度提高了脱钴净度和脱钴深度。脱钴深度已达到 0.5毫米至 0.6毫米。在不牺牲硬度和冲击强度的前提下，改善了 PDC钻头的 抗研磨性 。 钻头 制造技术： 采用 粉末铺层 等方法制备聚晶金刚石复合片材料，使硬质合金体的硬度呈 非均匀分布 ，形成硬度梯度，从而提高表面硬度，改善自锐性能 。 3D打印技术： 通过 一次成型 的制造工艺，显著增强钻头应对极端环境的能力 。 齿 形设计技术： 多家公司创新推出了设计新颖、性能更
10、优的切削齿 。 （二）提速途径探析 1、钻头 锥形 PDC切削齿 ，改变了 PDC切削齿一直以来的平面结构，将其安装在钻头切削面的中心，起定心作用，可增强钻头的稳定性，延长钻头使用寿命，同时提高机械钻速 ； 可 旋转的 ONXYPDC切削齿 ，解决了 PDC切削齿在一个方向磨损的问题，有效发挥切削齿的潜能，延长了钻头的使用寿命 ； 波纹 顶面复合 片 ，则 是通过特殊设计的波状轮廓金刚石顶面有效降低复合片表面的摩擦力，减少切削过程中产生的热量，从而提高破岩的机械比能。 （二）提速途径探析 1、钻头 双级扩孔钻头：较 PDC速度平均提高 40% 牙轮 t 钻头工作时间， h; H 钻头总进尺，
11、m 钻头 进尺 H与钻压、转速、牙齿磨损量等参数的关系 钻头寿命 t与钻压、转速、磨损量等参数的关系 目标函数 最优参数 组合： 理论上：采用迭代方法求解由目标函数、极值条件和约束条件组成的方程组 ，全局 寻 优 实际中：确定钻头 磨损量 求 在不同转速下的 最优钻压 选取 每米成本最低的钻压、转速 组合 （二）提速途径探析 20 2、最优化钻井 水力参数优选步骤： 主要任务： 获得 最大钻头水功率或最大射流冲击力。能否获得上述标准，取决于排量、喷嘴直径和钻井泵的工作状态 （与缸套选择有关），因此，水力参数优化设计的主要任务是 确定钻井 液排量，选择合适的钻头喷嘴直径和泵的缸套直径 。 设计步
12、骤： 确定携岩要求的最小 排量 计算 循环压耗 系数 选择 缸套直径，确定额定泵压、排量 、 功率 最 优排量和喷嘴直径 计算（计算第一、第二临界井深， 各井段的最优排量和喷嘴 直径） 各 水力参数计算 射流的水力 特性 钻头的水力 特性 循环压耗的 计算 地面泵的水力 特性 水力参数的优化设计 （二）提速途径探析 3、井下动力钻具 21 复合钻井 成为钻井提速的最常用方法之一， PDC+PDM复合钻井方式已经成为深层提速的主体技术 之一。 尺寸系列化 外径 73mm 287.5mm 等壁厚耐高温螺杆 NOV的 HEMIDRIL螺杆，采用等壁厚和动力筋技术，耐 200 高温 长 寿命螺杆 Dy
13、na-Drill公司 F2000型螺杆，采用硬对硬 PDC止推轴承技术，工作寿命 300h以上 低速 大扭矩螺杆 DRECO的 TRGDRIL螺杆由单头螺杆与行星齿轮减速器和支撑节组成，实现低速大扭矩，提速 31% 空气螺杆和导向系统用螺杆快速 发展 Anadrill地面可调弯壳体螺杆钻具寿命纪录达 1000h 长 寿命、抗高温、大 扭矩螺杆 （二）提速途径探析 3、井下动力钻具 22 涡轮钻具 利用 钻井液涡流在叶片两面产生的压差转动转子，多级涡轮叠加，产生高转速与转盘旋转复合运动，带动钻头高速旋转。减速涡轮是在轴承节和钻头之间配置减速器，降低涡轮输出转速，增大钻头扭矩，提高钻头破岩能量。
14、钻井液 流经涡轮级的示意图 涡轮主要包括 轴承部分 和 动力部分 动力部分根据需要可以多级组装 （二）提速途径探析 3、井下动力钻具 23 高转速，动力强劲， 配合 孕镶 PDC在遇耐磨地层可避免硬质合金或牙轮 崩掉 没有 橡胶件，存放时间不受限制， 耐高温 达在 200 300 工作 寿命长， 减小 起下钻 钻具转速低、 保护套管 稳定的工具面控制，光滑井眼，井眼 质量 高 优点： 泥岩 地层 提速效果不好 ：克 深 209，钻 速 0.41m/h 对 循环系统 要求高： 长期高泵压下 工作 对 固控系统 要求严格：岩屑细，一级固控要求高 缺点： （二）提速途径探析 3、井下动力钻具 24
15、涡轮 稳定性：与螺杆钻具 对比 定向钻井稳定的工具面控制能力 定向钻井滑动钻进和复合钻进速度 可 适用的最高循环井下温度： 270 （二）提速途径探析 3、井下动力钻具 涡轮钻具国内应用情况： 25 （二）提速途径探析 4、辅助破岩工具 26 钻 柱的振动被确定为限制机械钻速和进尺提高最为显著的因素之一 （深井占比 40%），将有效振动能量转化为破 岩能量 ， 减振降耗， 提高 钻头破岩比 能，是破岩工具的发展方向之一。 地层 不均质性 、 钻头结构形状 等因素引起 BHA运动不均匀性 及 钻头载荷不定常性 ，导致钻柱的动载和振动 。 钻具振动三种类型 ， 轴向 、 横向及扭摆振动 ， 其表现
16、特征为跳钻 、 涡动及粘滑 。 扭力冲击 器 钻柱减振增压提速工具 衡 扭矩 工具 APS智能 减振工具 （ AVD） AVDT深井钻井减振工具等 代表性提速工具 扭力 冲击发生器将泥浆的流体能量转换成 扭向、高频（ 750-1500次 /分） 、均匀稳定且足够的机械冲击能量并直接传递给 专用 PDC实现瞬间冲击破岩 。 理想情况 、 实际工况 、 应用扭力冲击工具 井底钻具受力状态对比 扭力 冲击器 27 （二）提速途径探析 4、辅助破岩工具 消除 粘滑、回转、钻头弹跳现象，减少反冲扭力和扭力振荡，井眼光滑； 纯 机械构造，无橡胶元件， 无电子元件，失效后不影响正常钻进； 高频 扭冲力能够提
17、高 PDC剪切岩层效率，增大机械钻速； 延长 钻头的寿命、减少起下钻次数，减少下部钻具组合及的疲劳。 在加 拿大阿尔伯达 州、 美国怀俄明州 和德克萨斯州、元坝地区、青海油田、玉门油田应用效果良好，提速显著。能够 攻克玄武岩，适用于硬 极硬地层。 优点： 常规方式 PDC钻出的起伏不平井筒内表面 扭力冲击工具钻出的光滑井筒内表面 （二）提速途径探析 4、辅助破岩工具 28 塔里木油田集成螺杆与扭冲技术，形成 了台盆区提速技术集成应用方案，实现了哈拉哈塘区块近 7000米 超深井 50天 完钻。 井号 上部井段 （大功率、长寿命螺杆） 下部井段 （扭力冲击器 +U513M） 井深 （ m） 钻井
18、 周期 （ d） 完井 周期 （ d） ROP（ m/h） 井段 （ m） 进尺 （ m） ROP （ m/h） 井段 （ m） 进尺 （ m） ROP （ m/h） 新垦 405 1499.84-5650 4060.2 13.74 5650- 6661 1011 4.55 6785 55.08 59.33 10.69 新垦 8003 1598-5357.9 3757.9 17.05 5357.9-6674 1316.1 5.21 6831 50.87 51.58 12.21 哈 13-5 1519-5487 3968 23.55 5487- 6649 1162 5.57 6832 48.98 49.67 15.18 平均 3928.7 18.11 1163 5.11 6816 51.64 53.52 12.69 3口典型井应用情况 （二）提速途径探析 4、辅助破岩工具 29 减振增压提速工具 （二）提速途径探析 4、辅助破岩工具 30
