1、专 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ）题 目 山前构造钻头优选技术 学生姓名 陈玉超 学号 教学院系 成人教育与网络学院 专业年级 指导老师 职 称 单 位 完成日期 年 月 日Southwest Petroleum University Adult education academy Graduation ThesisThe Bit Optimization Technologyfor Piedmont AreaGrade: 2005Name: Chen YuchaoSpeciality: Petroleum EngineeringInstructor: Xiong JiyouAdult E
2、ducation and Network Academy2009-10I摘要山前构造带钻井是目前钻井的一大难题之一，在山前构造带高效、快速钻井需要充分分析山前构造带的复杂地质情况、钻井事故和复杂问题。本文从选优选钻头的角度找出适合塔里木山前构造带的钻头序列，为提高机械钻速提供技术支持。本文首先从山前构造的地层和岩性特征入手，讲述了山前构造的概念、山前构造带的钻井主要难题以及出现这些问题的原因，并用实例简要分析了其岩性变化。其次从钻头的基本特性和适应性出发，分析了常见牙轮钻头和 PDC 钻头的基本原理和适应地层，且针对塔里木山前构造地区阐述了该区 PDC 钻头的使用现状。再次本文通过四种不同的优
3、选钻头方法，分别论述了每种方法的原理并利用各种方法优选出了适合塔里木山前构造带（库车凹陷乌什地区）的钻头序列。利用钻速方程优选钻头时，通过对该地区依拉 2 井的钻井井史资料的分析，并结合钻井工作参数求取岩石可钻性参数，优选出钻头序列。采用测井资料优选钻头时，利用了目前发展迅速的测井技术和越来越能准确反映地层岩石信息的测井资料，计算出岩石力学参数，然后使用这些参数并结合钻头自身适应性优选出钻头序列。运用微钻法优选钻头时，采用地层岩石取芯资料，在实验室内获得岩石力学参数，结合钻头自身适应性优选出合适的钻头序列。在利用经验法优选钻头时，充分结合该构造地区邻井资料钻头使用效果和现状，通过参数比对优选出
4、同类地层下使用效果好的钻头序列。综合法优选钻头就是综合采取上面四种方法，然后去除各自优选钻头的缺点，得出适合塔里木山前构造带（乌什地区）的最优钻头序列。山前构造钻头优选技术能充分提高机械钻速，达到忧快钻井的目的，可以指导山前构造地区钻井工作。关键字：山前构造；优选钻头；钻速方程；测井；微钻法；钻头序列IIAbstractNowadays, it is one of the difficult problems for drilling in the piedmont area. It is necessary for analyzing complex geology, drilling fa
5、ilure and complicaton to achieve high-efficiency and high-rate drilling in the piedmont area. This paper finds out the bits series suitable for Tarium piedmont area according to the drill bit optimazation as to raise penetration rate.Frist,It discovers the concept of the piedmont area, the main dril
6、ling difficulties and the reasons for these problems in this article from the piedmont stratum and lithologic character. It also briefs the changes of lithologic character by the simple example. Secondly It analyze the principle of roller bits and PDC bits from the property and suitability of bits.
7、It illustrates the quo-status of using PDC bits in the Tarim piedmont area. Once again,the article clears out four different ways about selecting bits with their principles and suitability and chooses the suitable sequence of bits for the Tarim piedmont area (the Wu Shi area of kuqa sag). When using
8、 the equation of drilling rate to select bits , It utilize the well history dataf in this area(the Yi La second well) to seek drillabilities by using running parameters.At last it chooses the sequence of bits by these formation drillability parameters.When using the information of well logging to se
9、lect bits, select by the current rapid development in logging technology and increasingly accurate information showing rock strata logging data to calculate the parameters of rock mechanics, and then use these parameters self-adaptive combination of selected drill bit sequence.When using micro-drill
10、ing election to select bits, use rock core information and obtain in the laboratory of rock mechanics parameters, At last select the sequence of bits by their bit suitability.When select bits by Experience,It analyzes situation of bits and the in this area and find good bits in the same tape of info
11、rmation. Synthesis method is a combination of drilling election that is four methods, and then remove the shortcomings of their elections to aquire the optimum sequence of bits.The optimization techniques for piedmont area raises the penetration rate to achieve optimal and high drilling penetration,
12、it can guide the drilling process in the piedmont area.Keywords: piedmont area; bit selection; drilling speed equation; logging; micro-drilling method; the sequence of bitsI目录1 绪论 .11.1 目的与意义 .11.2 国内外研究现状 .21.3 本文研究内容 .31.4 研究思路 .42 山前构造分析 .52.1 山前构造钻井的现状分析 .52.2 山前构造岩性特征分析 .83 山前构造钻头的适应性 .113.1 PD
13、C 钻头适应性分析 .113.1.1 PDC 钻头类别 .113.1.2 塔里木山前构造 PDC 钻头使用现状 .123.2 牙轮钻头的适应性分析 .143.3 刮刀钻头及其他钻头适应性分析 .164 钻头序列优选 .174.1 利用钻速方程优选钻头序列 .174.2 利用测井资料获取岩石力学参数优选钻头序列 .254.2.1 声波测井原理 .264.2.2 地层、岩石相关参数的计算 .274.2.3 利用测井资料优选钻头 .304.3 利用微钻法获取岩石力学参数优选钻头序列 .324.3.1 岩石硬度和塑性系数 .324.3.2 岩石的单轴抗压强度 .334.3.3 岩石抗剪强度 .334.
14、3.4 岩石的可钻性 .344.3.5 微钻法优选钻头 .344.4 邻井参数比对法优选钻头序列 .38II5 综合法优选钻头序列 .425.1 各种优选钻头方法评价 .425.2 综合法优选钻头序列 .43结论 .46建议 .47致谢 .48参考文献 .49山前构造钻头优选技术11 绪论要采出地下油气，就必须在地面和地下之间建立油气通道。这就需要通过钻井，才能实现这一目标，目前，钻井方法主要是用机械方法破碎岩石，而钻井作业的实施是通过钻头直接破碎地层岩石而得以实现的，降低钻井成本最直接、有效的措施就是提高钻头进尺、加快钻井速度，通过合理的优选钻头类型，提高钻头本身的性能是实现这一目标的有效途
15、径。目前常见的钻头类型有刮刀钻头、牙轮钻头、金刚石钻头，其次还有其他特殊用途的钻头，如：取芯钻头、双心钻头、单牙轮钻头等。目前，在常规的钻进中，牙轮钻头和金刚石钻头起着最主要的钻进作用。这儿我们主要研究牙轮钻头、金刚石钻头，其金刚石钻头按其切削元件可分成四种基本类型，PDC 钻头及大复合片钻头聚晶金刚石复合片、巴拉斯钻头热稳定聚晶块、马赛克钻头马赛克切削块、天然金刚石钻头天然金刚石。其中 PDC 钻头是最近几年发展最快的钻头，它在提高机械钻速发挥着很大的作用。钻头的选型方法常可分为两大类：一是从岩石的力学性能入手，寻求与岩石的力学性能匹配的钻头。二是从某地区已经获得钻头资料入手，分地层对钻头的
16、使用情况进行评价，从评价的结果中找出适合该地区该地层的钻头。这种从两个不同的方面来考虑钻头选型的方法,长期以来得到了广大钻井工作者的认同,而且基本上能选出合适的钻头序列。1.1 目的与意义目前，塔里木是我国油气勘探、开发的重点区域，其库车地区和塔西南地区是其主要的产油气区之一。加快这些地区的油气勘探、开发速度，对于整个国民经济的发展具有很大的推动作用。在石油与天然气的勘探、开发中，却经常遇到很多复杂地层。其山前构造就是其中的一种，由于其地层软硬交错、变化频繁，地层各向异性、地层倾角大，一般的钻头很难适应其变化，也很难达到最优钻进且各种钻头也有各自的使用范围，其使用也受到限制。导致其防斜与提高机
17、械钻速之间存在难以调和的矛盾。近年来，塔里木勘探区域由台盆区逐渐向山前构造带转移，塔里木油田山前构造带主要是库车地区和塔西南地区,山前构造与盆地比较，地质条件更加复杂，钻井存在很大差异。在山前构造深井钻井经常要遇到井斜、井漏、井壁失稳、卡钻、蹩跳钻、钻具磨损西南石油大学成教学院四川石油学院教学站专科毕业设计（论文）2等问题，其中尤以井斜问题最为严重。造成钻井速度慢、周期长、成本高，导致其钻井速度低于探区平均水平。这严重制约着其油气勘探的发展。在山前地区钻井急需解决的难点有三个：一是井斜的控制；二是提高钻井速度，三是复杂地层条件下堵漏问题。这儿我们重点关注防斜、钻速问题，为了解决这问题，就要求我
18、们在现有的钻头序列下，通过钻头评价和结合山前构造地层岩性特征，优选山前构造带钻头、找到一种适合山前构造的钻头序列。或者开发适合这种地层的新钻头序列。或用垂直钻井系统（如：Power-V、Auto Trak)来打直、打快，但这种系统国内的技术还不成熟，只能租用国外公司的，其价格昂贵，目前只针对前种方法进行讨论。1.2 国内外研究现状长期以来国内外钻井工作者，一直在不断地对这种地层进行着钻头选型的研究工作.目前，国内外在优选钻头问题上，主要是从先测试出地层的各项参数再结合厂家对自己钻头的推荐和钻头使用经验选出最优钻头。其中对地层参数的测量要求能真实反映地层信息，如用地震、微钻法、利用钻速方程反求、
19、测井资料来求取地层的可钻性、抗压强度、岩性等。其中测井是最近几年迅速发展起来的一种新方法，其测量精度越来越高，能反映出的地层信息也越来越多。如常用的声波时差法包括直接利用测井资料计算、岩屑声波时差法、岩屑硬度法等。山前构造还有一个复杂问题就是井斜。由于山前构造往往处在断裂带上，其内的岩石相对容易破碎，存在可钻性的差异，当钻头从软地层进入硬地层时，在一侧先遇到硬地层，钻头工作刃阻力大、吃入少、钻速慢；而另一侧还在软地层，钻头工作刃阻力小、吃入多、钻速快。因此，钻进将沿着地层上倾方向发展。当钻头从硬地层进入软地层时，开始由于一侧地层软，钻头工作刃阻力小、吃入多，钻速快；而另一侧还在硬地层，钻头工作
20、刃阻力大、吃入少，钻速慢，井眼有向地层下倾方向倾斜的趋势。当钻头快要钻出硬地层时，迫使钻头仍回到地层上倾方向钻进，而且往往在界面处形成狗腿，甚至在较短的井段内，即达到较大的井斜角，出现井斜，山前构造带地层倾角一般比较大，各向异性强、易发生井斜。在剧烈的构造活动中留下可钻性差的大颗粒岩石，钻进过程中易发生跳钻现象，钻进参数不稳，从而发生井斜，严重降低机械钻速。塔里木盆地山前构造带是国内钻探难度较大,难题较集中的地区之一。该地区地质条件极为复杂,上部为高陡地层,下部为多套高压盐水层、复合盐层、漏失层、坍山前构造钻头优选技术3塌层及高压气层,地层压力系数高。由于地应力大,裂缝发育,采用高密度钻井液钻
21、遇盐岩、盐膏层、易塌页岩、大倾角易破碎地层时,极易发生井漏和井下出盐水,造成漏、塌、斜、涌、卡钻等复杂情况,严重时解卡无效只能被迫采用侧钻,严重制约了钻井生产速度的提高。塔里木针对选钻问题主要是从两方面一起入手，一是结合其邻井钻遇资料和工作经验来优选钻头；二是通过实验、测试分析获取地层参数优选钻头。塔里木目前面对山前构造的难点常是：( 1)山前复杂地层岩性变化快、软硬交错频繁，现有的钻头系列无法满足复杂多变的地层变化,导致钻头选型准确程度不高。(2)大部分井段岩性抗压强度属中到硬,钻头切削齿吃入困难。(3)不同构造间地层可钻性差异大,钻头选择借鉴性不强。(4)山前构造带普遍存在高压气层、复合盐
22、层、大段煤系层等复杂地层,加之地应力高,钻井过程中使用的钻井液密度均较高,井底不可避免地产生较强的压持效应,造成岩屑重复切削,影响了机械钻速的提高。(5)地层各向异性,倾角大,防斜与提高钻速之间存在难以调和的矛盾,同样也制约了钻头功效的发挥,使钻井速度受到影响。1.3 本文研究内容（1） 分析塔里木山前构造（库车地区）的地层、岩性特征从宏观上分析岩性总的变化趋势，以及针对一个具体地区的某几口井进行地层岩性分析，进一步了解其岩性变化快、地层复杂。（2） 分析钻头适应性现场常用的钻头常是牙轮钻头、金刚石钻头，他们是目前钻井工作中发展最快和最成熟的钻头类型。而且已经形成了一整套序列并适应不同地层的钻
23、头，为了达到最优钻进目的，它们各自也有其最优使用条件。（3） 分析常用优选钻头方法常规优选钻头是通过对地层参数的分析、结合经验并根据厂家提供的钻头使用条件进行优选钻头。分析部分方法求取地层参数的原理，算出其可钻性值。（4） 优选钻头序列由于用每种方法求取的地层参数值不一致，而且其测量精度也不同，结果使每种方法在优选钻头时，所选出的钻头序列有所不同。即使这些方法能很好的确定地层可钻性、岩性、地层其它参数，但往往会有多种钻头与之匹配。而在实际中，由西南石油大学成教学院四川石油学院教学站专科毕业设计（论文）4于钻井目的不同、钻井工作参数不同、地层与实际还是存在一定的误差。这就致使几种钻头中只有一种是与地层配伍性最好的。总之，需要我们统计该地区每种钻头在近似地层条件和不同钻井目的下的使用情况，使之达到最优（主要研究 PDC 钻头） 。1.4 研究思路山前构造钻头优选分析山前构造岩性分析钻头适应性分析钻头选型方法综合法优选最优钻头序列
