CN109281612A - 一种高速旋冲钻井防斜钻具组合 - Google Patents
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Abstract
本发明属于钻探技术领域，涉及一种高速旋冲钻井防斜钻具组合，主体结构包括PDC钻头、旋转冲击钻井工具、井下动力钻具、无磁钻铤、第一钻铤、扶正器、第二钻铤和钻杆，各部件依次连接构成防斜钻具组合，钻进时，井下动力钻具向PDC钻头和旋转冲击钻井工具提供高转速动力，旋转冲击钻井工具在钻井液作用下，形成对PDC钻头的液力冲击，实现高效冲击破碎岩石，将岩石较高的静切削强度转化为小钻压冲击作用下较小的动切削强度；PDC钻头直接与井底岩石接触，实现破碎井底岩石，延伸井眼；较高的转速及冲击载荷有效弥补小钻压对机械钻速的消极影响，实现小钻压钻进条件下，有效控制井斜的同时，提高机械钻速。
Description
技术领域：
本发明属于钻探技术领域，涉及一种高速旋冲钻井防斜钻具组合，特别是一种石油、天然气钻井过程中，长直井段易斜地层防斜打快钻进施工的高速旋冲钻井防斜钻具组合。
背景技术：
钻井过程中，井斜是井身质量评价的关键因素，而井身质量是评价整个钻井工程质量最重要的指标之一，对后续固井、采油等工程措施的质量和安全产生重要影响，是油气资源高效勘探开发的重要保障。如何在直井段快速钻进的情况下，特别是在地层倾角大、岩性变化大的地层中钻进时，有效防止井斜，保证井身质量，是目前钻井施工面临的关键难题之一。目前针对直井段井斜问题，形成了多套防斜打直技术，包括自动垂直钻井技术，钟摆防斜、满眼防斜、偏心钻柱防斜钻具组合设计技术等。其中自动垂直钻井设备自动化程度及控制精度要求较高，对机械机构设计、井下电子元器件长期稳定工作提出严峻挑战，因此其技术门槛高，高效稳定的自动垂直钻井工具长期被国外公司垄断，导致使用及维护成本高；钟摆钻具组合防斜效果对钻压极其敏感，适用于小钻压钻井，极大影响钻井机械钻速；而满眼钻具组合则是通过增加底部钻具刚度防止钻柱弯曲井斜，这种钻具组合设计方式极易造成卡钻等井下事故；偏心钻柱旋转过程中造成底部钻具的有害振动将严重影响钻具寿命及钻井行程钻速。CN200820080665.8公开了一种适合复杂地层防斜钻具组合，防斜钻具组合自下而上螺纹连接顺序是钻头的上端连接下部钻铤，下部钻铤上端连接可控变径稳定器(AGS-1)，可控变径稳定器(AGS-1)上端连接中部钻铤，中部钻铤上端连接变径稳定器(VGS)，变径稳定器(VGS)上端连接上部钻铤，上部钻铤上端连接钻杆，应用该钻具组合能实现大钻压钻进，防斜打快，有效控制井身质量，减少井下复杂与事故，有效提高机械钻速和缩短钻井周期，钻具结构简单，利于井下安全；200820302247.9一种组合式液力推力器防斜钻具，其包括钻头、液力推力器、钻铤和钻杆；钻头、液力推力器、钻铤和钻杆相互连接在一起，其结构合理而紧凑，使用方便，简化了钻具结构，在直井钻井过程中，能施加较大的稳定钻压，抗弯防斜，提高钻速，因此降低了井下风险，保证了井身质量，延长了钻具、钻头的使用寿命，还减少劳动强度，节约钻井周期费用；但是专利CN200820080665.8本质上来讲，防斜钻进过程中，其主要关键部件为专利中所提到的可变径扶正器，通过控制泵的启动、停止次数及顺序实现稳定器变径功能，进而实现防斜目的，首先可变径稳定器结构复杂、工作寿命受限、使用及维护成本较高，一般井队现场并不配备可变径稳定器；其次，井下环境复杂、恶劣，特别是在井下振动强烈的层段钻进时，易造成可变径稳定器机械结构或密封器件失效，失去防井斜能力，且对变径稳定器连续调节时，需经常开、停泵，极不利于工作泵的安全稳定工作，同时耗费较高时间成本，有效行程钻速得不到提高；专利200820302247.9主要是将液力推力器引入防斜钻具组合，但该专利没有就其应用何种液力推力器、液力推力器原理以及液力推力器在其所提出的防斜钻具组合中的实际工作作用并没有详细说明，就其技术方案来看，其所述液力推力器主要作用为减震、抑制钻压剧烈波动，可以实现稳钻压钻进，起到保护钻头，提高钻头行程钻速的作用，但稳钻压并不是降低了钻进钻压，使用该类型钻具组合时，在较硬地层，相对而言，仍需要大钻压钻进，钻压增大的同时，井斜风险随之增大，此时，防斜效果将大打折扣。目前钻井防斜中，可实现的被动防斜技术包括增加底部钻具组合刚度、控制钻进参数(钻压)、动力钻具小钻压防斜快打、钻具钟摆力防斜等，另外还有使用自动垂直钻井工具的主动防斜技术。其中增加底部钻具组合刚度可以通过增加扶正器数量来实现，但易出现卡钻等井下复杂；控制钻井参数，特别是减小钻压，防斜作用明显，但会大大降低机械钻速，综合成本高；长直井段应用最为广泛的防斜办法主要是动力钻具小钻压防斜快打、钻具钟摆力防斜、自动垂直钻井工具，自动垂直钻井工具长期被国外垄断，工具租用成本高；动力钻具小钻压防斜快打和钻具钟摆力防斜常联合使用，是较为传统有效的防斜技术。在上述被动防斜技术中，钻压的大小直接影响防斜效果，如何在进一步减小钻压的同时，降低对机械钻速的消极影响是目前被动防斜钻具组合设计中面临的主要问题，因此迫切需要开发一种较低成本的高效防斜快速钻井方法，防控井斜，保证井身质量。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计提供一种石油、天然气或其他钻井过程中，直井段防斜打快的高速旋冲钻井防斜钻具组合设计及施工方法，该方法具备钟摆钻具组合的轻压吊打防斜能力，同时结合“高速井下动力钻具+旋转冲击钻井工具+PDC钻头”高速旋冲钻井提速技术优势，实现长直井段易斜地层防斜打快，在保证井身质量的同时，提高机械钻速。
为了实现上述目的，本发明所述高速旋冲钻井防斜钻具组合的主体结构包括PDC钻头、旋转冲击钻井工具、井下动力钻具、无磁钻铤、第一钻铤、扶正器、第二钻铤和钻杆，各部件依次连接构成防斜钻具组合，其中PDC钻头能用牙轮钻头代替，用于破碎井底岩石，延伸井眼；旋转冲击钻井工具在钻井液作用下，形成对PDC钻头的液力冲击，实现高效冲击破碎岩石，将岩石较高的静切削强度转化为小钻压冲击作用下较小的动切削强度；井下动力钻具向钻头提供高转速动力，较高的转速同样可弥补小钻压对机械钻速的消极影响；无磁钻铤中内置MWD用于检测井斜变化；第一钻铤作为钻进钻压的主要来源，而且提供底部钻具组合刚度；扶正器的结构参数需根据所钻井眼尺寸、钻柱结构参数以及所要实现的防斜或纠斜能力等，通过杨勋尧法计算确定，无磁钻铤中内置MWD用于检测井斜变化，通过所检测的井斜变化趋势调整钻压，从而调节高速旋冲钻井防斜钻具组合钟摆力，达到防斜、控斜目的；当井斜增加时，通过减小钻压来增加钟摆力，增加钻头低边方向侧向切削力，从而降低井斜。
本发明采用该钻具组合实现高速旋转钻井的具体过程为：钻进时，井下动力钻具向PDC钻头和旋转冲击钻井工具提供高转速动力，旋转冲击钻井工具在钻井液作用下，形成对PDC钻头的液力冲击，实现高效冲击破碎岩石，将岩石较高的静切削强度转化为小钻压冲击作用下较小的动切削强度；PDC钻头直接与井底岩石接触，实现破碎井底岩石，延伸井眼；较高的转速及冲击载荷有效弥补小钻压对机械钻速的消极影响，实现小钻压钻进条件下，有效控制井斜的同时，提高机械钻速。
本发明所述高速旋冲钻井防斜钻具组合的扶正器个数为1～2支，旋转冲击钻井工具采用自激振荡式旋转冲击钻井工具，井下动力钻具采用螺杆钻具，第一钻铤和第二钻铤均采用螺旋钻铤；311.2mm井眼钻进过程中，当扶正器为1支时，采用的钻具组合为“Φ311.2mm PDC钻头×0.4m+自激振荡式旋转冲击钻井工具×1.48m+Φ244.5mm螺杆钻具×9m+Φ229mm转换接头×0.9m+Φ203.2mm无磁钻铤×9m+Φ203.2mm螺旋钻铤×(9～18)m+Φ308mm扶正器×1.8m+Φ203.2mm螺旋钻铤×18m+Φ177.8mm螺旋钻铤×135m+转换接头+Φ139.7mm钻杆”；当扶正器有2支时，，第二扶正器设置在无磁钻铤和第一钻铤之间，采用的钻具组合为“Φ311.2mm PDC钻头×0.4m+自激振荡式旋转冲击钻井工具×1.48m+Φ244.5mm螺杆钻具×9m+Φ229mm转换接头×0.9m+Φ308mm扶正器×1.8m+Φ203.2mm无磁钻铤×9m+Φ308mm扶正器×1.8m+Φ203.2mm螺旋钻铤×18m+Φ177.8mm螺旋钻铤×135m+转换接头+Φ139.7mm钻杆”。
本发明所述高速旋冲钻井防斜钻具组合中单扶正器和双扶正器的安装位置及最优的钻具组合结构可保证较小钻压防斜钻进条件下，具有较高的机械钻速；高速旋冲钻井防斜钻具组合应用双扶正器设计形式相对于单扶正器，底部钻具具有较大的抗弯刚度，在初始井斜较小条件下防斜能力更强，由于高速旋冲钻井防斜钻具组合井底钻头工作方式为高速旋转冲击钻进，降低钻压的条件下，相对常规垂直钻井钻具组合，仍能保持较高的机械钻速，有效防斜的同时保证钻井速度。
本发明与现有技术相比，利用所确定的高速旋冲钻井防斜钻具组合结构，在控制钻压防斜钻进条件下，充分发挥高速旋转冲击钻井高效破岩提速技术优势，克服小钻压对机械钻速的负向影响，实现长直井段易斜地层防斜打快。
附图说明：
图1为本发明所述单扶正器高速旋冲钻井防斜钻具组合的主体结构原理示意图。
图2为本发明所述双扶正器高速旋冲钻井防斜钻具组合的主体结构原理示意图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：
本发明所述高速旋冲钻井防斜钻具组合的主体结构包括PDC钻头1、旋转冲击钻井工具2、井下动力钻具3、无磁钻铤4、第一钻铤5、扶正器6、第二钻铤7和钻杆8，各部件依次连接构成防斜钻具组合，其中PDC钻头1能用牙轮钻头代替，用于破碎井底岩石，延伸井眼；旋转冲击钻井工具2在钻井液作用下，形成对PDC钻头1的液力冲击，实现高效冲击破碎岩石，将岩石较高的静切削强度转化为小钻压冲击作用下较小的动切削强度；井下动力钻具3向钻头提供高转速动力，较高的转速同样可弥补小钻压对机械钻速的消极影响；无磁钻铤4中内置MWD用于检测井斜变化；第一钻铤5作为钻进钻压的主要来源，而且提供底部钻具组合刚度；扶正器6的结构参数需根据所钻井眼尺寸、钻柱结构参数以及所要实现的防斜或纠斜能力等，通过杨勋尧法计算确定，无磁钻铤4中内置MWD用于检测井斜变化，通过所检测的井斜变化趋势调整钻压，从而调节高速旋冲钻井防斜钻具组合钟摆力，达到防斜、控斜目的；当井斜增加时，通过减小钻压来增加钟摆力，增加钻头低边方向侧向切削力，从而降低井斜。
本发明采用该钻具组合实现高速旋转钻井的具体过程为：钻进时，井下动力钻具3向PDC钻头1和旋转冲击钻井工具2提供高转速动力，旋转冲击钻井工具2在钻井液作用下，形成对钻头1的液力冲击，实现高效冲击破碎岩石，将岩石较高的静切削强度转化为小钻压冲击作用下较小的动切削强度；PDC钻头1直接与井底岩石接触，实现破碎井底岩石，延伸井眼；较高的转速及冲击载荷有效弥补小钻压对机械钻速的消极影响，实现小钻压钻进条件下，有效控制井斜的同时，提高机械钻速。
本发明所述高速旋冲钻井防斜钻具组合的扶正器个数为1～2支，旋转冲击钻井工具2采用自激振荡式旋转冲击钻井工具，井下动力钻具3采用螺杆钻具，第一钻铤5和第二钻铤7均采用螺旋钻铤；311.2mm井眼钻进过程中，当扶正器为1支时，采用的钻具组合为“Φ311.2mm PDC钻头×0.4m+自激振荡式旋转冲击钻井工具×1.48m+Φ244.5mm螺杆钻具×9m+Φ229mm转换接头×0.9m+Φ203.2mm无磁钻铤×9m+Φ203.2mm螺旋钻铤×(9～18)m+Φ308mm扶正器×1.8m+Φ203.2mm螺旋钻铤×18m+Φ177.8mm螺旋钻铤×135m+转换接头+Φ139.7mm钻杆”；当扶正器有2支时，，第二扶正器9设置在无磁钻铤4和第一钻铤5之间，采用的钻具组合为“Φ311.2mm PDC钻头×0.4m+自激振荡式旋转冲击钻井工具×1.48m+Φ244.5mm螺杆钻具×9m+Φ229mm转换接头×0.9m+Φ308mm扶正器×1.8m+Φ203.2mm无磁钻铤×9m+Φ308mm扶正器×1.8m+Φ203.2mm螺旋钻铤×18m+Φ177.8mm螺旋钻铤×135m+转换接头+Φ139.7mm钻杆”。
实施例2：
本实施例在Φ311.2mm井眼直井段防斜钻井过程中，采用双扶正器形式的高速旋冲钻井防斜钻具组合，井下动力钻具3选用Φ244.5mm螺杆钻具，旋转冲击钻井工具2选用Φ245mm自激振荡式旋转冲击钻井工具，具体组合方式及施工过程包括：
(1)根据钻井工程设计、地质设计中钻具组合类型设计要求和井身质量要求，易斜地层预测等情况，采用双扶正器高速旋冲钻井防斜钻具组合(如图2所示)入井，加强底部钻具组合刚度，防止井斜，同时利用MWD随钻测量，监视井斜，具体设计为：“Φ311.2mm PDC钻头×0.4m+自激振荡式旋转冲击钻井工具×1.48m+Φ244.5mm螺杆钻具×9m+Φ229mm转换接头×0.9m+Φ308mm扶正器×1.8m+Φ203.2mm无磁钻铤×9m+Φ308mm扶正器×1.8m+Φ203.2mm螺旋钻铤×18m+Φ177.8mm螺旋钻铤×135m+转换接头+Φ139.7mm钻杆”；
(2)钻进过程中，依地层钻进经验，逐渐增加钻压至地层匹配或设计钻压，施加钻压过程中，严密监测井斜变化情况，并根据井斜波动情况指导调节钻进钻压；初始入井增加钻压过程中，保持井斜合理稳定波动，直至施工钻压增加至设计钻压；当井斜出现持续增加趋势时，及时减小钻进钻压来增加钟摆力，增加钻头低边方向侧向切削力，降低井斜，初次钻压减小的幅度可按照目前井段正常钻进钻压的1/2来设定，后续调整幅度可按照上次钻压调整幅度的1/2设定；当井斜已增加至井斜设计标准的80％及以上时，每钻进约一根，测一次井斜；正常钻进或井斜增加幅度小于设计标准的80％时，每钻进一立柱，测一次井斜；依井斜数据稳定时，适时增加钻压，继续提高机械钻速；依井斜数据增加时，适时继续降低钻压，直到井斜变化再次维持合理稳定波动；当继续减少钻压，导致机械钻速小于设计要求时，说明该防斜技术失效。
Claims (3)
1.一种高速旋冲钻井防斜钻具组合，其特征在于主体结构包括PDC钻头、旋转冲击钻井工具、井下动力钻具、无磁钻铤、第一钻铤、扶正器、第二钻铤和钻杆，各部件依次连接构成防斜钻具组合，其中PDC钻头能用牙轮钻头代替，用于破碎井底岩石，延伸井眼；旋转冲击钻井工具在钻井液作用下，形成对PDC钻头的液力冲击，实现高效冲击破碎岩石，将岩石较高的静切削强度转化为小钻压冲击作用下较小的动切削强度；井下动力钻具向钻头提供高转速动力，较高的转速同样可弥补小钻压对机械钻速的消极影响；无磁钻铤中内置MWD用于检测井斜变化；第一钻铤作为钻进钻压的主要来源，而且提供底部钻具组合刚度；扶正器的结构参数需根据所钻井眼尺寸、钻柱结构参数以及所要实现的防斜或纠斜能力通过杨勋尧法计算确定，无磁钻铤中内置MWD用于检测井斜变化，通过所检测的井斜变化趋势调整钻压，从而调节高速旋冲钻井防斜钻具组合钟摆力，达到防斜、控斜目的；当井斜增加时，通过减小钻压来增加钟摆力，增加钻头低边方向侧向切削力，从而降低井斜。
2.根据权利要求1所述高速旋冲钻井防斜钻具组合，其特征在于所述扶正器个数为1～2支，旋转冲击钻井工具采用自激振荡式旋转冲击钻井工具，井下动力钻具采用螺杆钻具，第一钻铤和第二钻铤均采用螺旋钻铤；311.2mm井眼钻进过程中，当扶正器为1支时，采用的钻具组合为“Φ311.2mm PDC钻头×0.4m+自激振荡式旋转冲击钻井工具×1.48m+Φ244.5mm螺杆钻具×9m+Φ229mm转换接头×0.9m+Φ203.2mm无磁钻铤×9m+Φ203.2mm螺旋钻铤×(9～18)m+Φ308mm扶正器×1.8m+Φ203.2mm螺旋钻铤×18m+Φ177.8mm螺旋钻铤×135m+转换接头+Φ139.7mm钻杆”；当扶正器有2支时，，第二扶正器设置在无磁钻铤和第一钻铤之间，采用的钻具组合为“Φ311.2mm PDC钻头×0.4m+自激振荡式旋转冲击钻井工具×1.48m+Φ244.5mm螺杆钻具×9m+Φ229mm转换接头×0.9m+Φ308mm扶正器×1.8m+Φ203.2mm无磁钻铤×9m+Φ308mm扶正器×1.8m+Φ203.2mm螺旋钻铤×18m+Φ177.8mm螺旋钻铤×135m+转换接头+Φ139.7mm钻杆”。
3.根据权利要求2所述高速旋冲钻井防斜钻具组合，其特征在于工作原理为：钻进时，井下动力钻具向PDC钻头和旋转冲击钻井工具提供高转速动力，旋转冲击钻井工具在钻井液作用下，形成对PDC钻头的液力冲击，实现高效冲击破碎岩石，将岩石较高的静切削强度转化为小钻压冲击作用下较小的动切削强度；PDC钻头直接与井底岩石接触，实现破碎井底岩石，延伸井眼；较高的转速及冲击载荷有效弥补小钻压对机械钻速的消极影响，实现小钻压钻进条件下，有效控制井斜的同时，提高机械钻速。
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