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中速涡轮工具在砾石层钻进应用分析

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  摘  要:塔里木油田山前,PDC钻头和牙轮钻头单趟进尺少、垂钻工具容易失效;上部地层属高陡构造,地层倾角大,钻进容易井斜。博孜301井311.2 mm井眼应用新型中速涡轮工具+孕镶钻头,同时配套双钟摆钻具组合的钟摆力进行防斜,利用MWD随钻检测技术对井斜进行随钻检测技术对砾石层钻进进行提速。试验表明该配套技术在巨厚砾石层中钻进,明显地提高了趟钻进尺和机械钻速,为山前大段砾石层的钻井提供了经验借鉴,并展示了良好的应用前景。
  关键词:博孜区块;中速涡轮;孕镶钻头;砾石层
  中图分类号:TE24              文献标志码:A
  0 前言
  博孜301井是塔里木盆地库车坳陷克拉苏构造带克深区带博孜3号构造上的一口评价井,由于本区块含砾石层较厚,可钻性较差,为该井钻井提速到来困难。2 850 m以上地层使用垂钻工具加PDC钻头或高效牙轮钻头都未能解决钻具蹩跳问题,单只PDC钻头纯钻时间较短,钻头复合片损坏,垂钻工具早期损坏,随钻测斜工具早期失效,为更换工具频繁起钻,单趟进尺平均不足250 m,未能有效提高机械钻速。博孜301井为了提高单趟进尺和机械钻速,311.2 mm井眼钻井中特引进中速涡轮+孕镶钻头提速工具进行提速。
  1 中速涡轮介绍
  涡轮工具主要部件是涡轮,每一级涡轮由一个定子和一个转子组成。涡轮由铸钢制作,涡轮上具有很多弯曲的叶片,定子和转子的叶片形状基本一样,只是叶片的弯曲方向相反。由于一级涡轮所能输出的功率太小,因此涡轮工具通常都是由成百级结构完全相同的涡轮串联组合而成。为了承受较大的轴向负荷,内部装有止推轴承。此外,在主轴还设置中间轴承,起扶正主轴的作用。涡轮工具钻进时流量、压力降、输入功率是合理使用涡轮钻具,使其在高效率情况下工作,保证快速钻进的重要条件。要充分利用泵功率,采用大排量、高泵压;根据岩层的软硬,合理选择钻压;使用孕镶钻头进行提速钻进;为了克服普通涡轮钻具存在的缺点,研制出多節涡轮、大扭矩、带减速器新型涡轮钻具。
  该新型涡轮工具转速可控制在800 r/min以内;铸钢定转子不易磨损,整机寿命达到1 000 h;输出功率稳定,不随工作时间变化,输出功率及扭矩比其他同尺寸、同级数的涡轮钻具至少大30%;能耐高温、高压,适用于高温高压井(≤350℃);其压降随载荷增加而降低;转速高,工作时需要的钻压较小,反扭矩小,造凿出来的经验井壁光滑,有利于随钻测量工具平稳工作;适宜所有泥浆类型(特别是油基泥浆);涡轮钻具壳体上不带任何扶正器。
  使用新型涡轮钻具前钻井队必须能配备能承受35 MPa高压的泥浆泵和地面高压循环系统;泥浆应具备良好的的性能,减少井壁掉块,维护井壁稳定性;适合在砂岩、砾岩井段中提速钻进,不适合泥岩地层。
  2 运用实例
  博孜301井311.2 mm井眼选用新型267T1-TCF.M1中速涡轮工具+孕镶钻头,该267T1-TCF.M1涡轮工具外径267 mm,启动排量20 L/S,在其工作排量40.00 L/S~50.00 L/S的条件下转数达到630 r/min~700 r/min,可产生8.57 MPa~12.35 MPa的工作压降;当扭矩达到7 731 N·m~11 135 N·m时可造成工具的制动;在温小于250℃井温下钻进,该涡轮工具寿命可达600 h;同时选用12 1/4``DD3560M 孕镶钻头、MWD随钻测斜工具和钟摆钻具组合进行配套技术提速。钻具组合如下:12 1/4"孕镶钻头+267T1-TCF.M1涡轮钻具(630×630)+转换接头(631×NC61)+9"浮阀(NC61×NC61)+9"定向接头(NC61×NC61)+9"钻铤×1根(MWD测斜仪)+309 mm扶正器+9"钻铤1根+308 mm扶正器+钻铤。
  该井2018年8月4日涡轮工具入井前首先对工具的压降进行了测试,测试排量10 L/s、15 L/s、20 L/s,对应压耗为2.5 MPa、4 MPa、7 MPa,压降属于正常范围,涡轮工作正常。
  下钻到底分台阶提高排量磨合涡轮,8月5日2:00达到钻进排量后开始复合钻进,钻压10 kN~60 kN,转盘转数50 r/min~70 r/min,泵压30 MPa~31 MPa,排量37 L/s;8月14日00:20钻至井深3 207.20 m井斜增大,循环清洗井筒起钻,14:30涡轮钻具和钻头出井。钻进期间由于泥浆黏度很快由70 s上升到120 s,不得不循环调整泥浆性能。
  涡轮钻井段2 850 m~3 207.20 m,进尺357.20 m,纯钻160.27 h,平均机械钻2.23 m/h。出井岩屑以杂色小砾岩、砂砾岩为主,钻进过程中钻具运行平稳没有出现蹩、跳钻现象;期间3次短起下钻及长起钻都非常顺利,无挂卡现象;钻进中井斜从0.79°(井深2 889 m)缓慢上涨到2.85°(井深3 204.3 m),由于井斜增大决定起钻。出井钻头孕镶钻头磨损均匀,钻头保径部分完好,中完电测显示该段井眼井径非常规则。
  3 总结与分析
  通过该国产中速涡轮工具+孕镶钻头及配套提速技术在博孜301井上部砾石层中钻进提速中的应用,分析了该工具在砾石层中钻进的优点和缺点,从而提出改进的方面,以提高砾石层钻进提速的效果。
  (1)中速涡轮工具和孕镶钻头使用寿命长,钻遇砾石层钻具运行平稳,能够很好地保护钻头和工具,能够增加钻头的纯钻时间。
  (2)涡轮工具配合孕镶钻头,钻出的井眼更规则平滑。
  (3)提高了行程钻速,减少了起下钻次数,提速效果明显。博孜301井涡轮钻具+孕镶钻头单趟完成357.00 m进尺,平均机械钻速2.23 m/h,比该井上趟钻高效牙轮钻头多完成进尺123.08 m;与同区块4口井使用高速涡轮+孕镶钻头的22趟钻的平均机械钻速1.72 m/h和平均趟钻进尺194 m对比,机械钻速提高了29.65%,趟钻进尺提高了84.1%。
  (4)由于涡轮钻具外观不带扶正器,可选择双钟摆钻具结构进行防斜打直;同时井下动力钻具配合高效钻头技术通过轻压吊打来实现 “防斜打快” 的目标。
  (5)267T1-TCF.M1涡轮钻具最佳工作排量为45 L/s~50 L/s,相应转速为630 r/min~700 r/min,而现场实际钻进排量为33 L/s~37 L/s,理论转速为462 r/min~518 r/min,可见排量影响涡轮转速,而钻井现场施工泵压达到30 MPa的情况下,钻井排量未能达到涡轮的额定工作排量,从而影响了工具性能的发挥,所以配备使用高压循环设备是使用好涡轮工具的前提条件。
  (6)继续摸索一套适应涡轮工具钻进的泥浆维护方法,稳定泥浆中固相含量和其他性能的稳定,以提高纯钻时率。
  (7)加强涡轮钻具轴承等易损件使用寿命的研究,提高钻具使用寿命,降低钻井综合成本。
  参考文献
  [1]谭春飞.深井超深井涡轮钻具复合钻井提高钻速技术研究[D].中国地质大学(北京),2012.
  [2]谭春飞,蔡镜仑.利用涡轮钻具提高深井钻速的试验研究[J].石油钻探技术,2003,31(5):30-32.
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  [4]薛鹏.涡轮钻具定转子轴向间隙调整的可视化研究[D].中国石油大学,2009.
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