塔里木山前井渦輪配合孕鑲金剛石鉆頭鉆井提速技術(shù)

王樹超王維韜雨松.渤海鉆探工程有限公司塔里木鉆井分公司；.重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院

塔里木山前井渦輪配合孕鑲金剛石鉆頭鉆井提速技術(shù)

王樹超1王維韜2雨松1
1.渤海鉆探工程有限公司塔里木鉆井分公司；2.重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院

塔里木盆地山前井是塔里木油田油氣勘探開發(fā)的重要區(qū)域之一。針對(duì)山前井地層研磨性強(qiáng)、可鉆性級(jí)值高，單只鉆頭進(jìn)尺低，鉆頭消耗量大，機(jī)械鉆速低，鉆井成本高等問題，引進(jìn)渦輪配合孕鑲金剛石鉆頭鉆井技術(shù)。2口山前井鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：博孜102井配套工具進(jìn)尺704 m，純鉆時(shí)間407.5 h，平均機(jī)械鉆速1.73 m/h；克深2-1-14井配套工具進(jìn)尺146.8 m，純鉆71.75 h，平均機(jī)械鉆速2.05 m/h。兩組配套工具與鄰井同層PDC鉆頭、牙輪鉆頭對(duì)比，鉆井速度提高了2～4倍，單只鉆頭平均進(jìn)尺提高了3～10倍，平均純鉆時(shí)間提高了1.7～2.5倍。工具實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，渦輪配合孕鑲金剛鉆頭鉆井技術(shù)在塔里木山前井具有較好的提速效果，可為塔里木山前井鉆井提速提供技術(shù)支持。

塔里木山前構(gòu)造；深井提速；渦輪鉆具；孕鑲金剛石鉆頭；破巖工具

深井、超深井鉆探過程中，鉆井提速技術(shù)是安全、快速鉆井的基本保障之一。鉆井速度的快慢直接影響著鉆井成本，決定著鉆井工程的經(jīng)濟(jì)效益［1-3］。塔里木油田是我國當(dāng)前增產(chǎn)上儲(chǔ)的主要含油盆地之一。山前博孜和克深區(qū)塊是塔里木油田油氣勘探開發(fā)的重要區(qū)域之一。山前井常規(guī)鉆進(jìn)表明，該地層研磨性強(qiáng)、可鉆性差，單只鉆頭進(jìn)尺低，機(jī)械鉆速低，鉆井成本高。

當(dāng)前深井、超深井提速技術(shù)主要有欠平衡鉆井、脈沖射流鉆井、超高壓水射流及扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術(shù)等［4-6］。大量鉆井實(shí)驗(yàn)表明［7-8］，渦輪配孕鑲金剛石鉆頭鉆具組合具有較高的耐研磨能力，工作時(shí)間長，動(dòng)力輸出功率大，工作平穩(wěn)，井眼軌跡平滑。渦輪配合孕鑲金剛石鉆頭鉆具組合能夠滿足塔里木油田山前井強(qiáng)研磨性地層的提速要求。

1 渦輪鉆具概況Introduction of the turbodrill

渦輪鉆具能將鉆井液的高壓液能轉(zhuǎn)化為鉆頭高效破巖的機(jī)械能。其組成部分有動(dòng)力端、軸承端、輔助裝置。動(dòng)力端是通過高能鉆井液沖擊多組葉片，進(jìn)而提供周向旋轉(zhuǎn)的破巖動(dòng)力。軸承端由傳動(dòng)軸和多組止推軸承構(gòu)成，主要功能是促進(jìn)扭矩穩(wěn)定傳遞，保護(hù)動(dòng)力端和鉆頭。輔助裝置包括LC2和多次旁通閥等機(jī)構(gòu)。LC2安裝在近鉆頭端扶正塊位置，主要功能是防止卡鉆，一旦鉆頭卡死，可以制動(dòng)渦輪。多次旁通閥在井漏的情況下，可以實(shí)現(xiàn)鉆具多次開關(guān)，進(jìn)行大顆粒堵漏后，恢復(fù)正常渦輪鉆進(jìn)。

渦輪鉆具主要技術(shù)特點(diǎn)：（1）渦輪鉆具動(dòng)力潛能高，可靠性好，全金屬結(jié)構(gòu)，工作性能穩(wěn)定；（2）轉(zhuǎn)速800～2 000 r/min，適用孕鑲金剛石鉆頭；（3）軸向平衡完美，側(cè)向振動(dòng)小，保護(hù)鉆頭等井下工具；（4）井眼軌跡平滑，保護(hù)井壁完整，有利于后期作業(yè)。

2 渦輪配合孕鑲金剛石鉆頭組合Combination of turbodrill and impregnated diamond bit

渦輪鉆具軸承端的PDC止推軸承（如圖1）具有較高的耐研磨能力，可在超高溫（233 ℃）下作業(yè)，并能夠承受較大的軸向載荷。PDC材質(zhì)具有較小的摩擦因數(shù)，不受鉆井液中存在的化學(xué)物質(zhì)影響。軸承的高承載能力和低摩擦因數(shù)可使其高效、長壽命運(yùn)轉(zhuǎn)。

孕鑲金剛石鉆頭（如圖2）為金剛石材料鉆頭中的一種。鉆頭胎體里均勻包鑲著金剛石顆粒。鉆進(jìn)時(shí)胎體磨損，金剛石顆粒能不斷出露自銳，高效切削工作面巖石。胎體有一定高度，外徑略大于鉆頭體外徑、內(nèi)徑略小于鉆頭體內(nèi)徑，胎體的外側(cè)面、內(nèi)側(cè)面和底面均有水槽，使鉆井液及時(shí)清洗破碎巖屑和冷卻鉆頭。

圖1　PDC止推軸承結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of PDC thrust bearing

圖2　孕鑲金剛石鉆頭Fig.2 Impregnated diamond bit

渦輪鉆具配有長保徑的母扣孕鑲金剛石鉆頭（如圖3）。這能減少鉆頭的橫向運(yùn)動(dòng)，獲得高質(zhì)量的井眼，降低出現(xiàn)螺旋形井眼的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3　帶有長保徑的母扣鉆頭Fig.3 Box bit with prolonged gauge structure

3 山前井地層性質(zhì)及技術(shù)措施Formation properties of wells in piedmont zone and applicable techniques

3.1博孜102井

Well Bozi-102

博孜102井新近系康村組（3 755～5 330 m）分3個(gè)巖性段。上段巖性以灰質(zhì)粉砂巖、含礫細(xì)砂巖、含礫粉砂巖砂礫巖為主；中段巖性以中厚-巨厚層狀小礫巖、砂礫巖、泥質(zhì)小礫巖為主；下段巖性以灰質(zhì)粉砂巖、砂礫巖、不等厚互層為主。

該井渦輪配合孕鑲金剛石鉆頭應(yīng)用井段4 591～4 974.19 m，4 974.19～5 294 m。

鉆具組合結(jié)構(gòu)：?333.38 mm孕鑲金剛石鉆頭+ ?241.3 mm渦輪鉆具+?228.6 mm鉆鋌×3根+ ?203.2 mm鉆鋌×8根+震擊器+?203.2 mm鉆鋌×3根+?139.7 mm 加重鉆桿×6根+?139.7 mm鉆桿。

機(jī)械參數(shù)：鉆壓40～120 kN，排量35～41 L/s，立壓26～32 MPa，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速45～80 r/min。

鉆井液性能：密度1.64～1.80 g/cm3，塑粘45～50 mPa·s，屈服值14 Pa，初/終切5/17 Pa。

3.2克深2-1-14井

Well Keshen-2-1-14

克深2-1-14井白堊系巴什基奇克組（6 776～7016 m）為3個(gè)巖性段。上段巖性以褐色、棕褐色中厚層-巨厚層狀砂巖為主。中段巖性以棕褐色厚-巨厚層狀砂巖夾薄層-中厚層泥巖、粉砂質(zhì)泥巖。下段巖性以棕紅、淺棕色厚-巨厚層細(xì)砂巖、中砂巖為主夾薄-中厚層狀泥巖。

該井渦輪配合孕鑲金剛石鉆頭應(yīng)用井段6 784 ～6 858.27 m，6 876～6 947.54 m。

鉆具組合結(jié)構(gòu)：?215.9 mm孕鑲金剛石鉆頭+?168.3 mm138級(jí)渦輪鉆具+?158.75 mm鉆鋌×12根+震擊器+?158.75 mm鉆鋌×6根+?127 mm非標(biāo)鉆桿。

機(jī)械參數(shù)：鉆壓50～70 kN，排量26～27 L/s，立壓30～30.5 MPa，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速45～55 r/min，扭矩8～9 kN·m。

鉆井液性能：密度1.88～1.89 g/cm3，黏度64～67 s。

3.3工具操作技術(shù)要點(diǎn)

Key technical points for operation of relevant tools

鉆具組合在應(yīng)用過程需要進(jìn)行井口測(cè)試、起下鉆/劃眼、鉆進(jìn)等3個(gè)步驟。

在井口以小排量進(jìn)行空運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，檢查渦輪鉆具是否容易啟動(dòng)及螺紋處有無滲漏。記錄立管壓力和排量，地面測(cè)試時(shí)最大壓力不能超過7 MPa。下鉆時(shí)，嚴(yán)格控制下鉆速度，操作平穩(wěn)，嚴(yán)禁猛剎、猛放。下鉆遇阻不允許超過30 kN，盡量避免用鉆頭劃眼。

正常鉆進(jìn)時(shí)鉆壓控制40～10 kN，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速50 r/ min。均勻送鉆，嚴(yán)防溜鉆、頓鉆，通過扭矩、立管壓力等變化情況，準(zhǔn)確判斷渦輪工作狀態(tài)。鉆進(jìn)中若鉆頭憋停，應(yīng)停頂驅(qū)，再上提鉆具，然后啟動(dòng)轉(zhuǎn)盤，緩慢下放鉆具恢復(fù)鉆進(jìn)，絕對(duì)不允許中間停泵。

4 山前井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析Field test results of wells in piedmont zone

4.1博孜102井

Well Bozi-102

在應(yīng)用井段中使用了2只?333.38mm孕鑲金剛石鉆頭，與鄰井博孜101井相應(yīng)井段使用的2只PDC鉆頭的實(shí)鉆數(shù)據(jù)對(duì)比，見表1。

表1　實(shí)鉆數(shù)據(jù)對(duì)比Table 1 Comparison of actual drilling data

由表1數(shù)據(jù)可知：單只孕鑲鉆頭平均進(jìn)尺是PDC鉆頭的2.86倍，是牙輪鉆頭的4.84倍。單只孕鑲鉆頭平均純鉆時(shí)間是PDC的2.09倍，是牙輪鉆頭的2.17倍。單只孕鑲鉆頭的平均機(jī)械鉆速是PDC鉆頭的1.41倍，是牙輪鉆頭的2.22倍。

4.2克深2-1-14井

Well Keshen-2-1-14

在應(yīng)用井段使用了1只?215.9 mm孕鑲金剛石鉆頭，與鄰井克深205井相應(yīng)井段的PDC鉆頭實(shí)鉆數(shù)據(jù)對(duì)比，具體如表2。

表2　孕鑲鉆頭與本井PDC鉆頭、鄰井鉆頭技術(shù)指標(biāo)對(duì)比Table 2 Comparisons for specifications of impregnated bit and PDC bit in the well and bits used in neighboring wells

由表2數(shù)據(jù)可知：單只孕鑲鉆頭平均進(jìn)尺是PDC鉆頭平均進(jìn)尺的6～10倍。單只孕鑲鉆頭平均純鉆時(shí)間是PDC鉆頭平均純鉆時(shí)間的1.7～2.5倍。孕鑲鉆頭的平均機(jī)械鉆速是PDC鉆頭平均機(jī)械鉆速的近4倍以上。

4.3應(yīng)用效果分析

Application results

渦輪配合孕鑲金剛鉆頭鉆井技術(shù)最大優(yōu)勢(shì)在于工具工作時(shí)間長，純鉆時(shí)效高，能夠提高單只鉆頭壽命及進(jìn)尺，減少起下鉆時(shí)間。

工具自帶2～3個(gè)穩(wěn)定器，有利于提高鉆具的穩(wěn)定性，保護(hù)鉆具及井下工具，可提供良好的井眼條件，有利于提高固井和完井質(zhì)量。

由于機(jī)械鉆速的提高，縮短了鉆井周期，減少了鉆井液對(duì)儲(chǔ)層的浸泡時(shí)間，有利于井壁穩(wěn)定，及保護(hù)和發(fā)現(xiàn)油氣層。

5 結(jié)論及建議Conclusions and suggestions

渦輪配合孕鑲金剛石鉆頭技術(shù)是高研磨性地層提高鉆井速度的有效技術(shù)，是提速降本的有效手段，有利于加快油氣田勘探開發(fā)的進(jìn)程。

建議在高研磨地層推廣使用渦輪配合孕鑲金剛石鉆頭鉆井技術(shù)。渦輪鉆具正常工作時(shí)壓耗大，要求在穩(wěn)定的立壓28～32 MPa下工作，建議在應(yīng)用渦輪配合孕鑲金剛石鉆頭鉆井技術(shù)前，對(duì)鉆機(jī)設(shè)備及高壓管匯系統(tǒng)進(jìn)行認(rèn)真評(píng)估。

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（修改稿收到日期 2016-02-11）

〔編輯 薛改珍〕

Combination of turbodrill and impregnated diamond bit to enhance ROP in drilling of wells in piedmont zone， Tarim Basin
WANG Shuchao1， WANG Weitao2， YU Song1

1. Tarim Drilling Branch Company of CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited， Korla， Xinjiang 841000， China；
2. College of Petroleum and Natural Gas Engineering， Chongqing University of Science and Technology， Chongqing 400030， China

Piedmont zone in the Tarim Basin is one of key zones for hydrocarbon exploration and development in the Tarim Oilfield. With consideration to high abrasiveness and high drillability of the piedmont zone， low footage per bit， significant bit consumption，low ROP， high drilling costs and other challenges， the combination of turbodrill and impregnated diamond bit was introduced. It was used in 2 wells （well Bozi-102 and well Keshen-2-1-14） drilled in the piedmont zone. According to the drilling data， in Well Bozi-102，the combined assembly achieved a total footage of 704 m， with drilling time of 407.5 h and average ROP of 1.73 m/h， and in Well Keshen-2-1-14， the combined assembly achieved a total footage of 146.8 m， with drilling time of 71.75 h and average ROP of 2.05 m/h. Compared with PDC bits and roller bits deployed in identical formation in neighboring wells， the proposed assembly can enhance ROP by 2-4 times， average footage per bit by 3-10 times， and average drilling time by 1.7-2.5 times. Relevant test results show that the combination of turbodrill and impregnated diamond bit can effectively enhance ROP in drilling of wells in piedmont zone， the Tarim Basin， as a powerful technical support.

piedmont structure of Tarim； ROP enhancement in deep well； turbodrill； impregnated diamond bit； rock-breaking tool

WANG Shuchao， WANG Weitao， YU Song. Combination of turbodrill and impregnated diamond bit to enhance ROP in drilling of wells in piedmont zone， Tarim Basin［J］.Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（2）： 156-159.

TE21

A

1000 -7393（ 2016 ） 02 -0156-04

10.13639/j.odpt.2016.02.005

王樹超 （1962-）， 1981年畢業(yè)于華北石油學(xué)校鉆井專業(yè)，現(xiàn)從事科研管理和新技術(shù)推廣應(yīng)用工作，工程師。通訊地址：（841000）新疆庫爾勒市塔里木石油勘探開發(fā)指揮部第四勘探公司。電話：0996-2173724。E-mail：wangshuchao1@cnpc.com.cn

引用格式：王樹超，王維韜，雨松. 塔里木山前井渦輪配合孕鑲金剛石鉆頭鉆井提速技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2016，38（2）：156-159.