復(fù)合鉆井技術(shù)在勝利淺海埕北區(qū)塊的應(yīng)用

徐優(yōu)富，張忠強(qiáng)，方華良

（中國(guó)石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司，上海 200120）

復(fù)合鉆井技術(shù)在勝利淺海埕北區(qū)塊的應(yīng)用

徐優(yōu)富，張忠強(qiáng)，方華良

（中國(guó)石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司，上海 200120）

摘 要：闡述了在勝利淺海埕北區(qū)塊直井和定向井中的鉆具組合、優(yōu)選螺桿和鉆井參數(shù)等復(fù)合鉆井技術(shù)要點(diǎn)，通過數(shù)口井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，取得了較明顯的提速效果。

關(guān)鍵詞：海洋鉆井；復(fù)合鉆井；鉆具組合；優(yōu)選鉆井參數(shù)

復(fù)合鉆井是指螺桿和頂驅(qū)一起驅(qū)動(dòng)鉆頭的鉆井技術(shù)，鉆頭轉(zhuǎn)速相當(dāng)于螺桿轉(zhuǎn)速和頂驅(qū)轉(zhuǎn)速之和。鉆頭轉(zhuǎn)速通?？梢赃_(dá)到200 r/min以上，遠(yuǎn)高于單純用頂驅(qū)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)速（約100～120 r/min），高轉(zhuǎn)速能充分發(fā)揮PDC鉆頭的功效。由于生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，當(dāng)前螺桿的性能和壽命都有了很大的提高，因此在現(xiàn)場(chǎng)采用復(fù)合鉆井技術(shù)有了基礎(chǔ)保障。螺桿質(zhì)量的提高，壽命延長(zhǎng)，可以保證長(zhǎng)時(shí)間的井下作業(yè)，避免了由于螺桿的失效而頻繁起下鉆，充分體現(xiàn)了螺桿鉆具的優(yōu)勢(shì)；復(fù)合鉆井的鉆具組合中使用鉆鋌數(shù)量少，得以簡(jiǎn)化鉆具組合，有利于防止粘卡等井下復(fù)雜情況的發(fā)生，尤其在定向井中優(yōu)勢(shì)更為明顯；使用螺桿有利于井下軌跡控制。

1　復(fù)合鉆井破巖機(jī)理

PDC鉆頭破碎巖石的主要作用機(jī)理是靠切削破碎地層而不是靠壓入破碎地層。通常PDC鉆頭的切削速度與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，而鉆壓對(duì)PDC鉆頭的切削速度影響不敏感（目前也有理論分析認(rèn)為在有些地層使用PDC鉆頭時(shí)可采用低轉(zhuǎn)速高鉆壓，但這將帶來(lái)井斜、方位控制的問題）。在中、軟地層，PDC鉆頭宜選用高轉(zhuǎn)速、低鉆壓參數(shù)。單純依靠頂驅(qū)驅(qū)動(dòng)鉆頭的鉆進(jìn)，隨著井眼的加深，扭矩的增大，只能選擇較低轉(zhuǎn)速，較難發(fā)揮PDC鉆頭的作用，而螺桿鉆具的高轉(zhuǎn)速可以為PDC鉆頭提高切削速度提供井下動(dòng)力保障，因此，螺桿鉆具加頂驅(qū)驅(qū)動(dòng)，可以大大提高PDC鉆頭的切削速度，可以實(shí)現(xiàn)在中、軟地層大幅度提高機(jī)械鉆速的目的[1]。

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2　地層適應(yīng)性分析

復(fù)合鉆井技術(shù)，從實(shí)鉆來(lái)講，就是要選擇高轉(zhuǎn)速小鉆壓的鉆井參數(shù)。沒有配置螺桿的常規(guī)鉆具組合，可以提供中低轉(zhuǎn)速高鉆壓的鉆井參數(shù)。通過對(duì)比地層對(duì)轉(zhuǎn)速、鉆壓的敏感性，即對(duì)比在兩種鉆井參數(shù)下的機(jī)械鉆速，以機(jī)械鉆速作為指標(biāo)選擇合適的地層來(lái)應(yīng)用復(fù)合鉆井技術(shù)。

分析埕北區(qū)塊以往的鉆井情況，明化鎮(zhèn)組和館陶組上段的地層對(duì)轉(zhuǎn)速敏感，采用高轉(zhuǎn)速可明顯提高機(jī)械鉆速，東營(yíng)組上部地層對(duì)轉(zhuǎn)速也較敏感，這些地層均適合高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)，可以采用復(fù)合鉆井技術(shù)。在館陶組下段，因含有大粒徑的礫石，而礫石容易磨損和損壞PDC鉆頭的復(fù)合片，易造成鉆頭失效，使用PDC鉆頭復(fù)合鉆井時(shí)，必須控制鉆壓和轉(zhuǎn)速。東營(yíng)組下部、沙河街組的地層致密、可鉆性變差，對(duì)轉(zhuǎn)速的敏感性很差，需要采用高鉆壓，通常復(fù)合鉆井的效果不如常規(guī)鉆井，因此，鉆沙河街組時(shí)，直井中一般不使用復(fù)合鉆井。

3　復(fù)合鉆井技術(shù)

3.1鉆具組合

對(duì)比以往在埕北區(qū)塊采用的塔式鉆具、鐘擺鉆具，從盡量簡(jiǎn)化下部鉆具組合、減少井下復(fù)雜情況出發(fā)，優(yōu)選了不同井段的推薦鉆具組合。

3.1.1直井中的鉆具組合

（1）Ф311.2 mm井眼：Ф311.2 mm PDC鉆頭＋Ф244 mm直螺桿+浮閥+Ф203.2 mm鉆鋌1根+Ф310 mm螺旋扶正器+Ф203.2 mm 鉆鋌8根 +Ф203.2 mm 震擊器+Ф127 mm加重鉆桿×13根+Ф127 mm鉆桿。

（2）Ф241.3 mm井眼：Ф241.3 mm PDC鉆頭＋Ф197 mm直螺桿+浮閥+Ф184.2 mm鉆鋌1根+Ф240 mm螺旋扶正器+Ф184.2 mm 鉆鋌8根+Ф165.1 mm 震擊器+Ф127 mm加重鉆桿×13根+Ф127 mm鉆桿。

（3）Ф215.9 mm井眼：Ф215.9 mm PDC鉆頭＋Ф172 mm直螺桿+浮閥+Ф215 mm螺旋扶正器+Ф165.1 mm鉆鋌+Ф165.1 mm震擊器+Ф127 mm加重鉆桿×13根+Ф127 mm鉆桿。

3.1.2定向井中的鉆具組合

（1）Ф311.2 mm井眼：Ф311.2 mm PDC鉆頭＋Ф244 mm單彎螺桿（帶扶正器1只，1.25°）+浮閥+螺旋扶正器+Ф203.2 mm 無(wú)磁鉆鋌+Ф203.2 mm MWD +Ф203.2 mm無(wú)磁鉆鋌+Ф203.2 mm 鉆鋌+Ф203.2 mm震擊器+Ф127 mm加重鉆桿×6根+Ф127 mm鉆桿

（2）Ф215.9 mm井眼：Ф215.9 mm PDC鉆頭＋Ф172 mm單彎螺桿（帶205～212 mm扶正器一只）+浮閥+螺旋扶正器+Ф165.1 mm無(wú)磁鉆鋌+Ф165.1 mm MWD +Ф165.1 mm無(wú)磁鉆鋌+Ф165.1 mm 鉆鋌 +Ф165.1 mm震擊器+Ф127 mm加重鉆桿×6根+Ф127 mm鉆桿。

3.2螺桿優(yōu)選

螺桿的選擇要滿足鉆井參數(shù)、井眼上的要求。螺桿能提供的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定于排量的大小，鉆壓的大小與螺桿能承受的扭矩、螺桿泵壓的升高值有關(guān)。通常PDC鉆頭需要較大的排量。從現(xiàn)場(chǎng)使用效果（螺桿的使用壽命、提供的排量能力和輸出扭矩等）和對(duì)有關(guān)國(guó)內(nèi)螺桿廠家的同類型產(chǎn)品的對(duì)比，推薦不同井段選用的螺桿鉆具見表1[2]。

表1　不同井眼螺桿鉆具的選用推薦

3.3鉆井參數(shù)優(yōu)選

選擇的鉆井參數(shù)要控制在螺桿推薦參數(shù)內(nèi)，可以保護(hù)螺桿，延長(zhǎng)螺桿的使用壽命。

215.9mm井段排量一般為1 900～2 100 L/min，241.3 mm井段為2 200～2 400 L/min，311.2 mm井段為3 200～ 4 200 L/min。如果機(jī)械鉆速較慢，鉆頭不泥包，比如館陶組礫巖井段，可以采用較小的排量，排量小，螺桿轉(zhuǎn)速也相應(yīng)降低，同時(shí)采用較小的鉆壓，達(dá)到保護(hù)鉆頭的作用。

復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭轉(zhuǎn)速相當(dāng)于頂驅(qū)轉(zhuǎn)速和螺桿轉(zhuǎn)速的疊加，一般在200 r/min以上。原則上，井眼井斜越大，井眼越小，頂驅(qū)轉(zhuǎn)速應(yīng)越小。直井使用螺桿時(shí)頂驅(qū)轉(zhuǎn)速控制在80 r/min以內(nèi)[3]。

選用的鉆壓既要考慮鉆進(jìn)的需要，又要考慮到螺桿的性能。一般在40～60 kN范圍內(nèi)，根據(jù)螺桿情況可以調(diào)整鉆壓。

3.4應(yīng)用技術(shù)要點(diǎn)

（1）選擇好合適地層的PDC鉆頭。如果PDC鉆頭不適合地層，即使提高鉆頭轉(zhuǎn)速后也不會(huì)有好的效果。

（2）要嚴(yán)格執(zhí)行螺桿鉆具操作規(guī)程，保護(hù)和使用好螺桿鉆具，因螺桿損壞而頻繁起鉆更換，將使復(fù)合鉆井技術(shù)失去意義。同時(shí)，在選擇螺桿時(shí)注意螺桿的適用溫度范圍（目前國(guó)產(chǎn)螺桿的適用溫度范圍有兩種，一種為額定溫度95℃，最高溫度120℃；還有一種為額定溫度105℃，最高溫度150℃，根據(jù)井下溫度選用合適的螺桿類型）[4]。在發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象時(shí)做出準(zhǔn)確判斷，螺桿損壞時(shí)及時(shí)起出更換。

（3）螺桿操作必須注意：堅(jiān)持短程起下鉆修整井壁，以確保井眼暢通，避免長(zhǎng)井段的劃眼；井下有井漏、井涌等復(fù)雜情況時(shí)，不要使用復(fù)合鉆井；螺桿壽命大都在100 h左右，要預(yù)留部分安全使用時(shí)間；起下鉆過程遇阻卡情況，不要進(jìn)行強(qiáng)拉、硬壓，進(jìn)行泥漿循環(huán)和劃眼操作。

（4）螺桿鉆具的馬達(dá)為容積式，決定螺桿性能的因素是輸入流量（排量）和作用于二端的壓力降，而不是鉆井液的類型。因此對(duì)鉆井液要求：要限制鉆井液中的硬質(zhì)顆粒大小、數(shù)量等，固相會(huì)加速軸承、馬達(dá)的磨損而減少螺桿的壽命。建議固相含量不大于1%，有研究表明：如果固相含量達(dá)到5%，螺桿壽命會(huì)減少50%。其次，注意鉆井液中避免使用易發(fā)泡的處理劑或添加劑，以免產(chǎn)生的氣泡對(duì)鉆具產(chǎn)生氣蝕作用，加速螺桿的損壞[5]。

4　應(yīng)用效果

在埕北區(qū)塊的埕北818井、埕北819井、埕北斜820井、埕北古110井等四口井中已經(jīng)使用了16根螺桿，其中埕北斜820井是定向井，機(jī)械鉆速提高明顯。

4.1直井中復(fù)合鉆井的效果

表2、表3是兩種鉆井方式的對(duì)比。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，使用復(fù)合鉆井技術(shù)后，不管在明化鎮(zhèn)組、館陶組等較軟的地層，還是在東營(yíng)組等較硬的地層中，機(jī)械鉆速都有較大幅度的提高，一般都在10%以上。這說(shuō)明復(fù)合鉆井可以充分發(fā)揮PDC鉆頭的功效，提高機(jī)械鉆速。

從表2、表3的對(duì)比中我們發(fā)現(xiàn)，復(fù)合鉆井技術(shù)在明化鎮(zhèn)組、館上段等軟地層的優(yōu)勢(shì)最為明顯，提高鉆速的幅度在16%～30%左右，而在東營(yíng)組等地層提高鉆速的幅度相對(duì)要小些，大概在10%～20%左右。

井身質(zhì)量：使用復(fù)合鉆井技術(shù)，降低了鉆壓，提高了轉(zhuǎn)速，有利于控制井斜，提高了井身質(zhì)量。

4.2定向井中復(fù)合鉆井的效果

通常在定向井施工中，利用斜向器和彎接頭組合造斜工具進(jìn)行造斜后需要起鉆換增斜鉆具或穩(wěn)斜鉆具進(jìn)行增斜或穩(wěn)斜，需要頻繁進(jìn)行起下鉆作業(yè)，行程鉆速太低。而采用復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)，利用帶扶正器的單彎螺桿加PDC鉆頭，不僅可以造斜、增斜，而且還可以穩(wěn)斜。通過實(shí)踐證明，這種鉆具結(jié)構(gòu)穩(wěn)斜、穩(wěn)方位的效果很好，省去了多趟的起下鉆，節(jié)約了鉆井時(shí)間，提高了機(jī)械轉(zhuǎn)速。若實(shí)鉆過程中需要調(diào)整井斜或方位時(shí)，只要停止轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，采用滑動(dòng)鉆井方式就可直接進(jìn)行。

表2　明化鎮(zhèn)組、館上地層復(fù)合鉆進(jìn)與常規(guī)鉆進(jìn)的機(jī)械鉆速對(duì)比

表3　東營(yíng)組在241.3 mm井眼復(fù)合鉆進(jìn)與常規(guī)鉆進(jìn)的對(duì)比

埕北斜820井的應(yīng)用見表4。在1 495～4 401 m井段使用了復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)。

復(fù)合鉆井技術(shù)，在定向井中的優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)在兩方面：一是提高了機(jī)械鉆速。埕北斜820井、埕北40側(cè)井在沙河街組的機(jī)械鉆速對(duì)比見表5，通過對(duì)比可以看到使用復(fù)合鉆井明顯提高了機(jī)械鉆速。二是有利于井眼軌跡控制，埕北40側(cè)井，進(jìn)行了5次起下鉆作業(yè)變換鉆具組合用以調(diào)整井眼軌跡，而在埕北斜820井中沒有一次專門為調(diào)整井眼軌跡進(jìn)行起下鉆作業(yè)的。按照通常3 000 m

表4　埕北斜820井鉆進(jìn)情況

井深的一次起下鉆時(shí)間為18 h左右，5次起下鉆大約可以節(jié)約3.75 d，如果按2012年勘探二號(hào)鉆井平臺(tái)38萬(wàn)元/天的日費(fèi)計(jì)算，單這一項(xiàng)就可節(jié)約直接成本142.5萬(wàn)元。

表5　沙河街組復(fù)合鉆進(jìn)與常規(guī)鉆進(jìn)的對(duì)比

5　結(jié)論

（1）螺桿配合PDC鉆頭的復(fù)合鉆井技術(shù)，可以更好地發(fā)揮PDC鉆頭的功效，與PDC鉆頭常規(guī)鉆具相比，能大幅度提高機(jī)械鉆速，在直井和定向井的應(yīng)用都取得了良好的效果。

（2）這些井在應(yīng)用復(fù)合鉆井技術(shù)時(shí)把握了地層的適應(yīng)性，以及鉆井時(shí)注意掌握鉆進(jìn)參數(shù)的合理選擇，值得同區(qū)域以后的鉆井借鑒。

（3）選擇性能可靠的螺桿，能更好地延長(zhǎng)井下工作時(shí)間，進(jìn)一步發(fā)揮PDC的優(yōu)勢(shì) 。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳庭根，管志川．鉆井工程理論與技術(shù)[M]．山東東營(yíng)：石油大學(xué)出版社，2000：166-211．

[2] 徐優(yōu)富，張子峰，雷咸忠．東海西湖凹陷探井的快速鉆井技術(shù)[J]．海洋石油，2002，22（1）：1-5．

[3] 周俊昌，余雄鷹，羅勇，等．復(fù)合鉆井防斜打快技術(shù)研究與應(yīng)用[J]．中國(guó)海上油氣，2007，19（3）：188-192．

[4] 楊森，趙映輝．螺桿鉆具失效情況統(tǒng)計(jì)分析[J]．鉆采工藝，2010，33（3）：81-82．

[5] 王舂陽(yáng)，黃繼慶，陸天明，等．螺桿鉆具整機(jī)性能試驗(yàn)研究[J].鉆采工藝，2010，33（1）：73-75．

中圖分類號(hào)：TE242

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1008-2336.2014.01.077

收稿日期：2013-06-20；改回日期：2013-11-25

第一作者簡(jiǎn)介：徐優(yōu)富，男，1965年生，1987年畢業(yè)于長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院，高級(jí)工程師，主要從事海洋石油鉆井和科技管理。

文章編號(hào)：1008-2336（2014）01-0077-04

Application of Combination Driving Drilling Technology in Chengbei Offshore

XU Youfu, ZHANG Zhongqiang, FANG Hualiang
（Institute of SINOPEC Shanghai Offshore Oil & Gas Company, Shanghai 200120, China）

Abstract:The key technique points of combination driving drilling technology used in vertical and directional well in offshore ChengBei Block in Shengli Oil Field have been discussed in this paper, such as bottom hole assembles, optimize positive displacement motor and drilling parameters of combination. The application results in drilling wells have shown that combination driving drilling technology can improve penetration rate.

Key words:Offshore drilling; combination driving drilling; BHA; optimize drilling parameters