下?lián)P子區(qū)臨古1井高研磨性地層鉆井技術(shù)

秦 春，黎學(xué)年，劉紫云，張 艷，陳小元，王 委

(1.中國(guó)石化江蘇石油工程有限公司鉆井處，江蘇 揚(yáng)州 225261；2.湖北省油氣鉆采重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)江大學(xué))，湖北 武漢 430100)

下?lián)P子區(qū)臨古1井高研磨性地層鉆井技術(shù)

秦 春1，黎學(xué)年1，劉紫云1，張 艷2，陳小元1，王 委1

(1.中國(guó)石化江蘇石油工程有限公司鉆井處，江蘇 揚(yáng)州 225261；2.湖北省油氣鉆采重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)江大學(xué))，湖北 武漢 430100)

臨古1井是下?lián)P子區(qū)中古生界地層的一口重點(diǎn)預(yù)探井，設(shè)計(jì)井深3 200 m。該井在泥盆系和志留系鉆遇高研磨性石英砂巖和白云巖，造成鉆頭壽命短、磨損嚴(yán)重。針對(duì)高研磨性地層鉆井難點(diǎn)，開展了巖石力學(xué)特性分析，優(yōu)選T1376B型PDC鉆頭進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，鉆頭進(jìn)尺提高179%，最高機(jī)械鉆速2.78 m/h。同時(shí)采用自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術(shù)改善底部鉆具組合力學(xué)特性，延長(zhǎng)鉆頭使用壽命，同比機(jī)械鉆速提高36.45%，對(duì)高研磨性地層鉆井提速有顯著效果。

下?lián)P子區(qū) 高研磨性 石英砂巖 鉆頭優(yōu)選 旋沖鉆井工具

臨古1井是江蘇油田在下?lián)P子海相中古生界部署的一口重點(diǎn)預(yù)探井，為三開直井：一開φ444.5 mm鉆頭鉆至井深340 m，下φ339.7 mm表層套管至338.39 m，封固第四系不穩(wěn)定地層；二開φ311.1 mm鉆頭鉆至井深2 270 m；三開由于主要目的層二疊系龍?zhí)督M地層斷缺，僅鉆遇28 m。φ215.9 mm鉆頭鉆進(jìn)至志留系井深2 986.43 m提前裸眼完鉆。該井二開采用φ215.9 mm鉆頭鉆電測(cè)口袋鉆遇棲霞組灰黑色泥巖、灰?guī)r地層，三開鉆完套管附件后鉆遇高研磨性泥盆系五通組石英砂巖，均造成鉆頭在短時(shí)間內(nèi)嚴(yán)重磨損，先期損壞。通過優(yōu)選PDC和牙輪鉆頭，個(gè)性化設(shè)計(jì)PDC鉆頭，并配合自激振蕩式旋沖鉆井技術(shù)，順利完成了臨古1井高研磨性地層的安全、快速鉆井。全井鉆井周期80.83 d，平均機(jī)械鉆速2.86 m/h，在古生界地層累計(jì)鉆遇高研磨性石英砂巖406 m。

1 鉆井技術(shù)難點(diǎn)

(1)下?lián)P子區(qū)逆沖、推覆構(gòu)造發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地層不確定大，鉆頭選型困難。

(2)海相地層可鉆性差，研磨性高。如泥盆系的致密石英砂巖地層抗壓強(qiáng)度達(dá)到172 MPa，內(nèi)摩擦角達(dá)到50°，地層可鉆性達(dá)到6級(jí)，屬于硬、極高研磨地層。高研磨地層造成鉆頭磨損嚴(yán)重，使用壽命短，增大了鉆頭的使用風(fēng)險(xiǎn)。

(3)該區(qū)地層傾角大，井斜控制困難，常規(guī)鉆具防斜打直僅能依靠吊打，影響機(jī)械鉆速。

2 高研磨性地層鉆井技術(shù)

2.1鉆頭優(yōu)選技術(shù)

針對(duì)鉆遇高研磨性石英砂巖牙輪鉆頭的磨損情況，利用巖石力學(xué)分析軟件和臨古1井φ311 mm井眼測(cè)井資料對(duì)二開井段的地層進(jìn)行巖石力學(xué)分析，如圖1所示。井段300～1 200 mK2t1以上地層抗壓強(qiáng)度10 MPa，內(nèi)摩擦角小于30°，從井深1 200 m地層抗壓強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角開始明顯增大，從井深1 800 m地層內(nèi)摩擦角大于42°，2 000 m以后地層抗壓強(qiáng)度超過100 MPa，地層巖石為高抗壓強(qiáng)度、極高研磨性硬地層[1]。

根據(jù)地層巖石力學(xué)特性和牙輪鉆頭磨損情況，二疊系龍?zhí)督M及以下地層為抗壓強(qiáng)度高，具有極高研磨性的硬地層。優(yōu)選采用13 mm切削齒、中等拋物線冠部形狀、弧線形7刀翼、高布齒密度、中等后傾角、低摩阻保徑、雙排齒等設(shè)計(jì)特征的φ215.9 mm T1376B和FL1357JH型PDC鉆頭和12刀翼、20粒/克拉的φ215.9 mm I3036孕鑲金剛石鉆頭[2-5]。牙輪鉆頭優(yōu)選圓錐形內(nèi)排齒、球形外排齒、金剛石復(fù)合齒保徑或掌背扶正塊加強(qiáng)保徑的φ215.9 mm HJT637GH和HJT637GL鉆頭。鉆頭使用情況見表1。

圖1 臨古1井φ311 mm井眼地層巖石力學(xué)分析

PDC鉆頭入井前先采用MD517X牙輪鉆頭和隨鉆打撈杯沖洗井底，撈出大量棲霞組灰?guī)r掉塊和少量斷齒和滾珠。T1376B PDC鉆頭在井深2 356 m的五通組石英砂巖地層入井，快鉆時(shí)17 min/m，慢鉆時(shí)30～40 min/m，鉆進(jìn)井段2 356.00～2 445.95 m，進(jìn)尺89.95 m，鉆時(shí)44.25 h，機(jī)械鉆速2.03 m/h。鉆頭出井時(shí)鉆頭胎體心部磨出凹槽，槽深至噴嘴流道槽，輔刀翼外錐齒碎裂嚴(yán)重，保徑完好，外徑215 mm。

T1376B PDC鉆頭相當(dāng)于7只牙輪鉆頭在石英砂巖地層的進(jìn)尺，機(jī)械鉆速比牙輪鉆頭提高40%。該鉆頭入井前后對(duì)比見圖2。

圖2 改進(jìn)前T1376B PDC鉆頭入井前后對(duì)比

在2 445.95～2 453.67 m井段，采用φ215.9 mm I3036孕鑲金剛石鉆頭+直螺桿復(fù)合鉆進(jìn)，進(jìn)尺僅7.72m，因孕鑲金剛石鉆頭底部磨平泵壓升高起鉆?？紤]之前石英砂巖對(duì)牙輪鉆頭的磨損情況，第一只HJT637GH鉆頭僅使用12.83 h后起鉆觀察，鉆頭僅斷齒6顆，保徑基本完好，外徑215 mm，說明HJT637GH鉆頭適合高研磨性石英砂巖地層。在志留系石英砂巖和灰黑色泥巖互層地層，F(xiàn)L1357JH PDC鉆頭機(jī)械鉆速達(dá)到3.04 m/h，較15#HJT637GH牙輪鉆頭提高79.88%。

針對(duì)T1376B出井后的磨損情況對(duì)該型號(hào)鉆頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：①切削齒的露齒高度降低1 mm；②3個(gè)固定水眼改為噴嘴，改善井底流場(chǎng)；③內(nèi)錐切削齒的后傾角增大2°，提高抗沖擊能力。改進(jìn)后的17#T1376B鉆頭連續(xù)入井4次，進(jìn)尺251.16 m，相對(duì)改進(jìn)前提高179%，平均機(jī)械鉆速1.57 m/h，最高機(jī)械鉆速2.78 m/h。改進(jìn)后T1376B PDC鉆頭入井前后對(duì)比見圖3。

圖3 改進(jìn)后T1376B PDC鉆頭入井前后對(duì)比

圖4 自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具結(jié)構(gòu)

2.2自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術(shù)

2.2.1 自激振蕩式旋沖旋沖鉆井原理及特點(diǎn)

自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術(shù)是在鉆頭的上部連接自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具，產(chǎn)生高頻周期性的沖擊力，將沖擊鉆進(jìn)和旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)相結(jié)合的一種鉆井方法。該技術(shù)利用井底水力能量增強(qiáng)鉆頭沖擊力，優(yōu)化井底流場(chǎng)，改善巖石受力狀況，達(dá)到提高機(jī)械鉆速的目標(biāo)[6-9]。工具結(jié)構(gòu)見圖4。

技術(shù)特點(diǎn)：

(1)采用優(yōu)化的自激振蕩式水力元件調(diào)制直接作用于鉆頭的沖擊力，能量利用效率高，工具壓力損耗小。

(2)具有“小振幅、高頻率”的特點(diǎn)，對(duì)鉆頭和地層的適應(yīng)性強(qiáng)，可防止PDC鉆頭黏滑和自鎖現(xiàn)象，有利于在非均質(zhì)地層鉆進(jìn)。

(3)該工具安裝在鉆頭上部，適用于PDC和牙輪鉆頭，采用常規(guī)鉆井參數(shù)和鉆具組合，壓力損耗約0.5～1.0 MPa，使用壽命超過200 h。

2.2.2 應(yīng)用效果

自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具在臨古1井入井4次，先后采用2種鉆具組合配合PDC和牙輪鉆頭使用。考慮上部棲霞組灰?guī)r掉塊，在2 586～2 654 m井段采用塔式鉆具組合：φ215.9 mm鉆頭+φ178 mm自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具+φ178 mmNDC+φ178 mmSDC×8根+φ159 mmSDC×15根+柔性短節(jié)+φ159 mm隨鉆震擊器+φ127 mmHWDP×18根+φ127 mmDP。由于地層傾角大，輕壓吊打井斜仍達(dá)到10.98°/2 646.48 m，起鉆采用螺桿鉆具糾斜。后3趟采用自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具+單扶鐘擺鉆具組合，鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓60～800 kN(PDC)/180～200 kN(牙輪)，轉(zhuǎn)速60～80 r/min，排量30～34 L/s。

該工具累計(jì)進(jìn)尺180.99 m，井下工作時(shí)間171.92 h，出井工具新度80%左右，工具使用完好。

臨古1井在石英砂巖井段使用自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具配合T1376B型號(hào)PDC鉆頭，機(jī)械鉆速比未使用工具前的相同型號(hào)PDC鉆頭提高36.45%，比不同型號(hào)FL1357JH鉆頭提高33.82%，具體數(shù)據(jù)見表2和圖5。

在白云巖井段使用自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具配合T1376B PDC鉆頭第2次入井的機(jī)械鉆速比19#T1376B PDC鉆頭轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)提高21.84%，具體數(shù)據(jù)見表1和圖5。

表2 在石英砂巖井段使用旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具前后機(jī)械鉆速對(duì)比

圖5 臨古1井使用旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具前后鉆時(shí)對(duì)比

由于石英砂巖和白云巖硬度大，可鉆性差，研磨性高，對(duì)鉆頭損傷比較大，牙輪表現(xiàn)為斷掉齒、保徑磨損嚴(yán)重，PDC表現(xiàn)為復(fù)合片早期破損，壽命大大縮短。使用自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具，由于其產(chǎn)生的高頻率、低振幅的振動(dòng)可以吸收部分瞬間過大的沖擊載荷，減少鉆頭的壓持作用，有效減少硬脆性地層對(duì)鉆頭的損傷，延長(zhǎng)了鉆頭使用壽命。

臨古1井三開共使用5只牙輪鉆頭，其中4次未使用工具，最高進(jìn)尺29.67 m，使用時(shí)間不到20 h，而使用自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具的牙輪鉆頭進(jìn)尺達(dá)到66.17 m，使用時(shí)間達(dá)到77.17 h，鉆頭出井僅牙齒磨損，無斷齒，單只牙輪鉆頭進(jìn)尺提高123%。使用的4只PDC鉆頭，其中3只未使用工具，單只最高進(jìn)尺89.95 m，使用自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具的PDC鉆頭入井3次，總進(jìn)尺達(dá)114.82 m，單只PDC鉆頭進(jìn)尺提高27.65%。

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)臨古1井高研磨性地層造成鉆頭壽命短，磨損嚴(yán)重，通過鉆頭優(yōu)選及個(gè)性化設(shè)計(jì)，確保了該井的順利施工。

(2)優(yōu)選13 mm切削齒、中等拋物線冠部形狀、高布齒密度、雙排齒、7刀翼等設(shè)計(jì)特性的PDC鉆頭對(duì)高研磨性地層適應(yīng)性較好。

(3)自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具改善了底部鉆具組合力學(xué)特性，減少了對(duì)鉆頭的損壞，延長(zhǎng)了鉆頭使用壽命，有助于高研磨性地層鉆井提速。

(4)臨古1井由于地層傾角較大，采用常規(guī)防斜鉆具輕壓吊打，降低了機(jī)械鉆速。在下?lián)P子區(qū)后續(xù)井施工中應(yīng)嘗試使用垂直鉆井系統(tǒng)進(jìn)行防斜打直，進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速。

[1] 潘起峰，高德利，孫書貞,等.PDC鉆頭選型新方法[J].石油學(xué)報(bào)，2005，26(3)：123-126.

[2] 韋忠良，溫航.適合柯柯亞區(qū)塊的PDC鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[J].石油鉆采工藝，2011，33(6)：103-105,124.

[3] 鄒德永，梁爾國(guó)硬地層PDC鉆頭設(shè)計(jì)的探討[J].石油機(jī)械，2004，32(9)：28-31.

[4] 鄒德永，曹繼飛，袁軍，等.硬地層PDC鉆頭切削齒尺寸及后傾角優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].石油鉆探技術(shù)，2011，39(6)：91-94.

[5] 鄒德永，蔡環(huán).布齒參數(shù)對(duì)PDC鉆頭破巖效率影響的試驗(yàn)[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，33(5)：76-79.

[6] 鄢松意，陶瑞東，陳建華，等.自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具在大港板深19-64井的應(yīng)用[J].石油鉆采工藝，2012，34(6)：114-116.

[7] 劉天科.自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具在勝利油田的應(yīng)用[J].石油鉆采工藝，2012，34(4)：54-56.

[8] 陶興華.提高深井鉆井速度的有效技術(shù)方法[J].石油鉆采工藝，2001，23(5)：4-8.

[9] 許京國(guó)，尤軍，陶瑞東，等.自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具在大港油田的應(yīng)用[J].鉆采工藝，2013，33(3)：124-125,128.

(編輯 謝 葵)

High abrasiveness formation drilling technology for Lingu 1 well in the lower Yangtze area

Qin Chun1，Li Xuenian1，Liu Ziyun1， Zhang Yan2，Chen Xiaoyuan1，Wang Wei1

(1.DrillingCompany，SinopecOilfieldServiceJiangsuCorporation，Yangzhou225261，China；2.KeyLaboratoryofDrillingandProductionEngineeringofHubeiProvince(YangtzeUniversity)，Wuhan430100,China)

Lingu 1 well is a key exploratory well in Paleozoic formation of Yangtze area，with a design depth of 3 200 m.When drilling in the Silurian and Devonian system，the high abrasiveness quartz sandstone and dolomite were drilled.As a result，there are short life of bit and serious wear-tear.Aiming at the difficulties of high abrasiveness formation，the rock mechanics properties were analyzed，to optimize T1376B type PDC bit and conduct an individual design.As a result，the bit penetration was increased by 179%，and the highest penetration rate was 2.78 m/h.Meanwhile，the self-excited oscillation rotary percussion drilling technology was utilized to improve the mechanical characteristics of bottom hole assembly (BHA) and prolong the service life of the bit.The penetration rate was increased by 36.45%，having a significant effect on improving drilling speed in high abrasiveness formations.

the lower Yangtze area；high abrasive；quartz sandstone；bit optimization；rotary impact drilling tool

10.16181/j.cnki.fzyqc.2015.04.017

TE242

A

2015-06-12；改回日期2015-08-31。

秦春(1982—)，工程師，現(xiàn)從事鉆井技術(shù)研究工作。電話：13852791982，E-mail:qinchun.jsyt@sinopec.com。

中國(guó)石化石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司先導(dǎo)項(xiàng)目“蘇北盆地長(zhǎng)泥巖裸眼井段優(yōu)快鉆井技術(shù)應(yīng)用研究”(編號(hào)：SG13-41X)。