哈山3井火成巖地層快速鉆井技術(shù)

馬鳳清

(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng) 257017)

哈山構(gòu)造位于新疆準(zhǔn)噶爾盆地與和什托洛蓋盆地結(jié)合部，自2010年開始勘探以來，已累計(jì)完鉆探井15口，并在哈山1井和哈深2井等10口井中見到良好油氣顯示，勘探潛力巨大。然而，分析前期已鉆井資料發(fā)現(xiàn)，哈山區(qū)塊地層以火成巖為主，巖石堅(jiān)硬、研磨性強(qiáng)、可鉆性差，鉆進(jìn)過程中易發(fā)生井斜、機(jī)械鉆速低、單只鉆頭進(jìn)尺少，嚴(yán)重影響了該區(qū)塊的勘探開發(fā)進(jìn)程。針對(duì)火成巖地層特點(diǎn)和鉆井技術(shù)難點(diǎn)，研制了具有較強(qiáng)耐磨性的φ311.1 mm PK6245MJD型PDC鉆頭，與適合PDC機(jī)械剪切破巖機(jī)理的SLTIT型扭轉(zhuǎn)沖擊工具配合，開發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“高效PDC鉆頭+SLTIT型扭轉(zhuǎn)沖擊工具”復(fù)合鉆井技術(shù)，并在準(zhǔn)噶爾盆地哈山3井火成巖地層中進(jìn)行了應(yīng)用，單趟鉆進(jìn)尺457.50 m，行程鉆速提高45.8%，至少節(jié)約了11趟起下鉆的時(shí)間與鉆頭費(fèi)用，為今后準(zhǔn)噶爾火成巖地層快速鉆井探索出了一種技術(shù)手段。

1 哈山3井鉆井技術(shù)難點(diǎn)

哈山3井是哈山山前構(gòu)造帶外來推覆體哈山3構(gòu)造上的一口重點(diǎn)探井，設(shè)計(jì)井深4 600.00 m，主要探索哈山山前構(gòu)造外來推覆體及前緣沖斷帶含油氣情況。圖1為哈山3井的設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)。該井二開φ311.1 mm井眼主要鉆遇石炭系火成巖地層，巖性為深灰色、綠灰色凝灰?guī)r和安山巖不等厚互層，夾深灰色砂礫巖、凝灰質(zhì)角礫巖[1-3]。

圖1 哈山3井井身結(jié)構(gòu)Fig.1 Diagram of casing program for Well Hashan 3

該井二開上部2 011.00～2 888.00 m井段鉆進(jìn)期間，先后采用了HJT537GK型和MD537型牙輪鉆頭及M5365LA型PDC鉆頭等多種高效鉆頭，應(yīng)用“高效鉆頭+水力加壓器”和“高效牙輪鉆頭+螺桿”復(fù)合鉆井技術(shù)，但都沒有達(dá)到預(yù)期提速效果，共使用鉆頭24只，平均機(jī)械鉆速0.90 m/h，平均單趟鉆進(jìn)尺37.00 m，最短進(jìn)尺僅2.22 m。分析發(fā)現(xiàn)，該井鉆井作業(yè)主要存在以下2方面的技術(shù)難點(diǎn)：

1) 火成巖地層硬度大，可鉆性差。哈山3井火成巖地層可鉆性極值高達(dá)7.82～8.38，硬度最高2 900 MPa，加上局部含有火山角礫巖，鉆頭切屑齒受到地層的非均勻性沖擊，容易發(fā)生崩齒、斷齒現(xiàn)象；并且隨著鉆進(jìn)進(jìn)行，鉆頭破壞加劇，機(jī)械鉆速也急劇下降，造成頻繁起下鉆更換鉆頭。

2) 鉆進(jìn)火成巖地層期間，井斜問題較為突出。哈山3井部署于哈山山前構(gòu)造帶，石炭系地層傾角較大(25°以上)，加之井壁掉塊嚴(yán)重、地層可鉆性差異大、裂縫發(fā)育等原因，井眼易順著可鉆性較好的方向延伸，導(dǎo)致該井自井深2 400.00 m之后井斜角一直呈現(xiàn)增大趨勢(shì)(見圖2)，該井鉆至井深2 766.00 m時(shí)井斜角為3.6°，而鉆至井深2 882.00 m時(shí)為4.2°，井斜角增大較快，為了糾斜，進(jìn)一步影響了鉆井速度。

圖2 哈山3井火成巖地層井斜角增長(zhǎng)趨勢(shì)Fig.2 Increase trend of well deviation in igneous rocks of Well Hashan 3

2 火成巖地層快速鉆井技術(shù)

準(zhǔn)噶爾盆地火成巖地層巖石堅(jiān)硬、可鉆性較差，加之火成巖局部破碎性嚴(yán)重、掉塊現(xiàn)象明顯，鉆進(jìn)中蹩停轉(zhuǎn)盤、劃眼期間扭矩波動(dòng)大等現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，造成鉆具疲勞損傷，并加快了鉆頭的磨損速度。在進(jìn)行鉆頭設(shè)計(jì)選型時(shí)，綜合考慮二開前期鉆頭使用情況、實(shí)鉆地層巖性以及上述復(fù)雜情況等，研制了具有較強(qiáng)耐磨性的φ311.1 mm PK6245MJD型PDC鉆頭，并與SLTIT型扭轉(zhuǎn)沖擊工具配合，形成了“PDC鉆頭+扭轉(zhuǎn)沖擊工具”復(fù)合鉆井技術(shù)。

2.1 高效PDC鉆頭的研制

2.1.1 冠部剖面設(shè)計(jì)

鉆頭冠部的設(shè)計(jì)主要包括冠部?jī)?nèi)錐角和冠部圓弧形狀兩部分。內(nèi)錐角越小，鉆頭冠部越尖銳，鉆頭外錐的切削齒能越充分接觸地層，但鉆頭外錐齒因此受到的沖擊載荷越大，也容易遭受沖擊損壞，此外清洗效果也會(huì)受到一定影響，內(nèi)錐角小的鉆頭比較適合鉆進(jìn)中軟地層；內(nèi)錐角越大，鉆頭冠部越平坦，鉆壓在鉆頭表面的分布越均勻，清洗效果越好，有利于提高鉆頭穩(wěn)定性和攻擊性，比較適合鉆進(jìn)硬地層。另外，PDC鉆頭的冠部形狀直接影響鉆頭的攻擊性和各部位切削齒的受力狀態(tài)，在進(jìn)行冠部輪廓設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足易于布齒、便于加工、保證質(zhì)量、提高效率的要求[4]。由于鉆進(jìn)火成巖過程中鉆頭易出現(xiàn)崩齒、斷齒以及切削齒磨損嚴(yán)重等現(xiàn)象，綜合考慮鉆頭的布齒、機(jī)械鉆速和穩(wěn)定性等因素，φ311.1 mm PK6245MJD型PDC鉆頭選擇中等拋物線冠部設(shè)計(jì)，內(nèi)錐角為165°，內(nèi)錐深度20 mm。

2.1.2 刀翼及水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一般而言，鉆頭刀翼越多，布齒密度越高，鉆頭的抗沖擊能力越強(qiáng)。為了提高鉆頭的工作穩(wěn)定性和抗沖擊性能，φ311.1 mm PK6245MJD型PDC鉆頭設(shè)計(jì)采用六刀翼螺旋形結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)不僅可以分散指向井壁的切削力，增大井壁與鉆頭保徑之間的接觸面積，而且可以有效減小鉆頭發(fā)生渦動(dòng)的概率，延長(zhǎng)PDC鉆頭的使用壽命。另外，利用PDC鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件對(duì)鉆頭水力結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在六刀翼之間選擇安裝8個(gè)φ14.0 mm噴嘴，并將流道設(shè)計(jì)成螺旋流道，既實(shí)現(xiàn)了PDC 鉆頭的大排量鉆進(jìn)，強(qiáng)化了鉆頭水力作用效果，又能夠滿足各切削齒的清洗和冷卻要求[5]。

2.1.3 切削齒的選擇

為了保證在鉆進(jìn)火成巖地層時(shí)切削齒具有較高的抗沖擊性和耐磨性，φ311.1 mm PK6245MJD型PDC鉆頭選擇抗沖擊性和耐磨性較高的進(jìn)口優(yōu)質(zhì)φ16.0 mm復(fù)合片作為主切削齒，同時(shí)采用復(fù)合切削結(jié)構(gòu)，后排齒比前排齒出露低，在前排齒磨損至與后排齒高度相同時(shí)，后排齒參與切削，可保證鉆頭具有較長(zhǎng)的使用壽命[6]。

2.1.4 保徑設(shè)計(jì)

哈山3井在石炭系火成巖地層鉆出的井眼擴(kuò)大率較小，從前期鉆井情況看，劃眼和擴(kuò)眼的作業(yè)較多，為了保證鉆進(jìn)過程中鉆頭不縮徑而確保井眼尺寸，φ311.1 mm PK6245MJD型PDC鉆頭主要采用雙排邊齒加強(qiáng)保徑，同時(shí)采用螺旋形保徑設(shè)計(jì)，這樣既可以有效提高鉆頭的平穩(wěn)性，又能夠防止鉆頭渦動(dòng)的發(fā)生。另外，在每個(gè)刀翼的保徑部位設(shè)計(jì)有硬質(zhì)合金片，可以達(dá)到加強(qiáng)鉆頭保徑和延長(zhǎng)鉆頭壽命的目的。

2.2 SLTIT型扭沖工具的研制

準(zhǔn)噶爾盆地火成巖地層巖石類型多、巖性復(fù)雜，地層非均質(zhì)性較強(qiáng)，鉆井過程中PDC鉆頭容易發(fā)生卡滑問題，極大影響PDC鉆頭的切削速度和破巖效率，為此自主研發(fā)了SLTIT型扭轉(zhuǎn)沖擊工具，以解決PDC鉆頭的卡滑問題。SLTIT型扭轉(zhuǎn)沖擊工具是利用流體動(dòng)力學(xué)和能量轉(zhuǎn)換原理，借助部分鉆井液驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生一定頻率的扭轉(zhuǎn)沖擊，并直接作用在PDC鉆頭上，相當(dāng)于給鉆頭施加一個(gè)額外的連續(xù)高頻沖擊扭矩，以輔助鉆頭破巖，增加鉆頭破巖能力，從而解決PDC鉆頭的卡滑問題，提高中硬以上及研磨性地層的鉆井速度，同時(shí)延長(zhǎng)鉆頭壽命[7-9]。

2.2.1 基本結(jié)構(gòu)

SLTIT型扭轉(zhuǎn)沖擊工具主要由鉆鋌短節(jié)、沖擊錘、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、定位裝置和鉆頭座等部件組成(見圖3)，其中上部鉆鋌短節(jié)與鉆鋌連接，下部鉆頭座與PDC鉆頭相連接[10-11]。鉆進(jìn)過程中，鉆井液經(jīng)噴嘴截流部分鉆井液驅(qū)動(dòng)沖擊錘旋轉(zhuǎn)。在沖擊錘敲擊鉆頭座時(shí)，通往導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的流道打開，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)反向觸發(fā)帶動(dòng)沖擊錘向反方向旋轉(zhuǎn)，周而復(fù)始，使PDC鉆頭在接收轉(zhuǎn)盤或頂驅(qū)傳遞的扭矩的同時(shí)，接收來自扭轉(zhuǎn)沖擊工具的周向沖擊能量。

圖3 SLTIT型扭轉(zhuǎn)沖擊工具結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of SLTIT torsional impact tool1.鉆鋌短節(jié)；2.導(dǎo)流蓋；3.沖擊錘；4.導(dǎo)向機(jī)構(gòu)；5.噴嘴；6.中心管；7.定位裝置；8.花鍵；9.鉆頭座

2.2.2 主要特點(diǎn)

1) 采用一體化多流道沖擊錘設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)部件少，可靠性高(≥90%)；

2) 采用獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和流體通道，即使工具失效，不影響正常鉆進(jìn)；

3) 可與國(guó)內(nèi)常規(guī)PDC鉆頭配合使用，無需配備專用鉆頭，適用范圍廣；

4) 對(duì)適用于PDC鉆頭鉆進(jìn)的地層均有提速效果，特別對(duì)于中硬以上及高研磨性地層，提速效果更為顯著。

2.2.3 主要技術(shù)參數(shù)

目前，自主研制的SLTIT型扭轉(zhuǎn)沖擊工具已經(jīng)完成了適用于φ165.1～φ444.5 mm井眼的系列化設(shè)計(jì)，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

3 應(yīng)用效果

φ311.1 mm PK6245MJD型PDC鉆頭與SLTIT型扭轉(zhuǎn)沖擊工具配合在哈山3井2 888.00～3 345.50 m井段火成巖地層鉆進(jìn)中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。該趟鉆“PDC鉆頭+扭轉(zhuǎn)沖擊工具”一次入井連續(xù)工作649 h，進(jìn)尺457.50 m，純鉆時(shí)間455.25 h，機(jī)械鉆速1.0 m/h，行程鉆速0.7 m/h，純鉆時(shí)效70%，創(chuàng)造了準(zhǔn)噶爾盆地石炭系地層φ311.1 mm井眼單趟鉆進(jìn)尺最長(zhǎng)、鉆進(jìn)時(shí)間最長(zhǎng)紀(jì)錄。與該井2 011～2 888.00 m井段火成巖地層的鉆進(jìn)情況相比，行程鉆速提高了45.8%，單趟鉆進(jìn)尺提高了11.35倍；同時(shí)鉆井過程中通過及時(shí)監(jiān)測(cè)井斜角、調(diào)整鉆井參數(shù)，井斜角由“PDC鉆頭+扭轉(zhuǎn)沖擊工具”入井前的4.2°(井深2 882.00 m處)降至1.2°(井深3 310.00 m處)，起到了很好的糾斜作用。由該井應(yīng)用“PDC鉆頭+扭轉(zhuǎn)沖擊工具”復(fù)合鉆井與上部火成巖井段常規(guī)提速鉆井的應(yīng)用效果對(duì)比結(jié)果(見表2)可以看出，常規(guī)復(fù)合鉆井、水力加壓器等提速方法單趟鉆進(jìn)尺很小，沒有達(dá)到提速效果；SLTIT型扭沖工具消除了火成巖巖性復(fù)雜對(duì)PDC鉆頭的破壞，改善了鉆頭的能量傳遞效率，單只鉆頭進(jìn)尺達(dá)457.50 m，解決了火成巖地層進(jìn)尺少、鉆速低的技術(shù)難題。

表1 SLTIT型扭轉(zhuǎn)沖擊工具的主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of SLTIT torsional impact tool

表2 “PDC鉆頭+扭轉(zhuǎn)沖擊工具”復(fù)合鉆井與其他鉆井方式情況對(duì)比Table 2 Comparison of PDC+SLTIT tool and conventional drilling in igneous rocks

“PDC鉆頭+扭轉(zhuǎn)沖擊工具”復(fù)合鉆井鉆進(jìn)安山巖地層35.00 m、凝灰?guī)r地層64.00 m、凝灰質(zhì)角礫巖地層12.00 m、凝灰質(zhì)泥巖地層126.00 m以及玄武巖地層220.50 m等5種巖性的火成巖地層，這5種巖性火成巖地層的鉆時(shí)分別為54.4，48.7，75.7，53.5和66.2 min/m。由此可知，在凝灰?guī)r和凝灰質(zhì)泥巖地層鉆進(jìn)時(shí)機(jī)械鉆速較快，而凝灰質(zhì)角礫巖和玄武巖的機(jī)械鉆速相對(duì)較慢。

另外，PK6245MJD型PDC鉆頭出井后，未發(fā)生鉆頭縮徑現(xiàn)象，新度80%，除7顆保徑齒崩損嚴(yán)重外，其他部分保持完好。上部2 344.18～2 346.4 m井段火成巖地層嘗試應(yīng)用了“M5365LA型PDC鉆頭+水力加壓器”提速技術(shù)，鉆頭進(jìn)尺僅2.22 m，平均機(jī)械鉆速0.44 m/h。可見，應(yīng)用扭轉(zhuǎn)沖擊工具能延長(zhǎng)PDC鉆頭的使用壽命，提高機(jī)械鉆速。

4 結(jié)論與建議

1) 應(yīng)用SLTIT型扭轉(zhuǎn)沖擊工具可以解決復(fù)雜深井PDC鉆頭使用過程中存在的卡滑問題；同時(shí)SLTIT型扭轉(zhuǎn)沖擊工具采用鉆井液直接驅(qū)動(dòng)錘擊的結(jié)構(gòu)方式，能與常規(guī)PDC鉆頭配合使用，具有可靠性高、適用范圍廣的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2)φ311.1 mm PK6245MJD型PDC鉆頭具有中拋物線冠部、多噴嘴水力結(jié)構(gòu)以及刀翼式復(fù)合切削結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，與扭轉(zhuǎn)沖擊工具配合能延長(zhǎng)PDC鉆頭的使用壽命，提高機(jī)械鉆速，是實(shí)現(xiàn)火成巖地層優(yōu)快鉆井的一種有效手段。

3) 建議進(jìn)一步開展火成巖地層與高效PDC鉆頭的適應(yīng)性和匹配性研究，提高PDC鉆頭和扭轉(zhuǎn)沖擊工具的使用壽命和可靠性，加大“PDC鉆頭+扭轉(zhuǎn)沖擊工具”復(fù)合鉆井技術(shù)在火成巖等高研磨性地層中的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及推廣力度。

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