深部含礫地層液動(dòng)旋沖工具鉆進(jìn)技術(shù)探索

， ，，

(1.大慶油田 鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江 大慶 163413；2. 中國(guó)石油大慶鉆探工程公司 鉆井一公司，黑龍江 大慶 163413)①

大慶油田深部地層巖石地傾角大，可鉆性差，在縱向上存在砂泥巖互層且含礫巖層，機(jī)械鉆速低，且容易發(fā)生鉆頭失效、井斜嚴(yán)重等復(fù)雜情況，造成頻繁起下鉆。

液動(dòng)旋沖工具作為大慶油田鉆井研究院自主研發(fā)的井下動(dòng)力鉆具，通過(guò)鉆井液將錘頭沖擊力作用于鉆頭上。在周向上產(chǎn)生均勻穩(wěn)定的高頻沖擊力，在較硬地層鉆進(jìn)時(shí)，預(yù)先形成巖石裂紋，改善了PDC鉆頭的切削環(huán)境；在軸向上產(chǎn)生高頻水力加壓脈沖，提高了井底巖屑的清洗和運(yùn)移，減少巖石重復(fù)切削，提高鉆頭切削效率。配合PDC鉆頭在砂泥巖地層應(yīng)用取得了較好的提速效果，但在礫巖層段鉆進(jìn)中，為防止PDC切削片崩齒，極少使用。

本文分析了制約大慶油田深層鉆井速度的因素，在鉆具組合優(yōu)化、鉆井參數(shù)設(shè)計(jì)和鉆頭選擇等方面進(jìn)行了探索與實(shí)踐，在深部含礫地層應(yīng)用取得了較好的效果。

1 影響深部地層鉆井速度的主要因素

1.1 井斜嚴(yán)重

造成井斜的原因主要有兩方面，一是鉆頭與地層巖石相互作用方面，即地層存在傾角[1]和非均質(zhì)性，使鉆頭受力不平衡，造成井斜；二是鉆柱力學(xué)方面，即下部鉆具組合不合理，使鉆具產(chǎn)生彎曲變形，加劇鉆頭偏斜[2]，導(dǎo)致鉆頭受力不平衡，造成井斜。

1.2 鉆頭適應(yīng)性差

在深部礫巖層等巖性堅(jiān)硬地層，要求鉆頭必須具有良好的耐磨性。在鉆頭破碎硬地層過(guò)程中，是非連續(xù)的剪切崩裂過(guò)程，井底巖石施加給鉆頭的作用力往往是忽大忽小、變化頻繁的沖擊力，加之液動(dòng)旋沖工具的脈沖作用，要求鉆頭必須具有良好的抗沖擊能力，而抗耐磨和抗沖擊是相互矛盾的兩個(gè)方面，使鉆頭的選擇和使用受到很大限制，需要尋找其它高效鉆頭[3-6]。

1.3 鉆井參數(shù)不合理

長(zhǎng)期以來(lái)，PDC鉆頭使用中強(qiáng)調(diào)“低鉆壓-高轉(zhuǎn)速”，這種做法僅適用于軟到中軟地層。在礫巖地層，“低鉆壓-高轉(zhuǎn)速”對(duì)鉆頭造成的損壞比“高鉆壓-低轉(zhuǎn)速”更嚴(yán)重，鉆頭能量不能充分發(fā)揮，破巖效率低。

2 提速關(guān)鍵技術(shù)

2.1 鉆具組合優(yōu)選

根據(jù)液動(dòng)旋沖工具現(xiàn)場(chǎng)施工參數(shù)，利用Landmark軟件，對(duì)各種鉆具組合的造斜率進(jìn)行計(jì)算，得到不同鉆具組合與造斜率的關(guān)系曲線，如圖1。

圖1 鉆具組合與造斜率的關(guān)系

由圖1可知，隨著鉆壓的增加，液動(dòng)旋沖工具配合雙鐘擺、光鉆鋌和塔式鉆具組合后，造斜率曲線呈上升趨勢(shì)，且造斜率較高，容易發(fā)生井斜；配合滿眼鉆具組合受鉆壓影響較小，在井斜嚴(yán)重時(shí)仍可采用大鉆壓鉆進(jìn)，對(duì)提速有利，但井斜呈穩(wěn)定或緩慢上升趨勢(shì)，不能用來(lái)降斜或靈活控制井斜大小。如果鉆井過(guò)程中由于各種原因造成井徑擴(kuò)大，使穩(wěn)定器失去有效支撐，將導(dǎo)致滿眼鉆具組合失敗，引起井斜急劇變化；配合單鐘擺鉆具組合不僅可用于降斜，也可用于增斜和穩(wěn)斜，應(yīng)用范圍較廣，但在井斜較嚴(yán)重的情況下，須采用小鉆壓鉆進(jìn)，對(duì)鉆速不利。

綜合考慮糾斜、井下安全因素及大鉆壓加速鉆頭失效的影響，推薦選用單鐘擺鉆具組合。

2.2 鉆井參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)液動(dòng)旋沖工具現(xiàn)場(chǎng)施工參數(shù)，建立了鉆壓指數(shù)、轉(zhuǎn)速指數(shù)、水力指數(shù)、鉆速系數(shù)與地層可鉆性級(jí)值之間的函數(shù)關(guān)系，如圖2。

圖2 巖石可鉆性與各項(xiàng)指數(shù)關(guān)系曲線

運(yùn)用回歸分析方法，根據(jù)通用鉆速方程[7]，建立液動(dòng)旋沖工具鉆速方程為

由旋沖工具鉆速方程，得到如下結(jié)論：

1) 二級(jí)以上地層的鉆壓指數(shù)a隨著kd的增大而增大，且均大于1，此值對(duì)鉆速快慢影響較大。在不影響井眼軌跡的條件下，應(yīng)盡量增大鉆壓值。

2) 各級(jí)地層的轉(zhuǎn)速指數(shù)b隨著kd的增大而減小，且均小于1，其最小值大于0.6，此值對(duì)鉆速快慢的影響中等。在軟地層，為獲得較好的鉆進(jìn)效果，可采用較高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。但在硬地層降低轉(zhuǎn)速勢(shì)在必行。

3) 各級(jí)地層的水力指數(shù)c隨著kd的增大而減小，且均小于0.5，其最小值為-0.007 4，五級(jí)值為0.253 1。此值對(duì)一至四級(jí)地層鉆速快慢影響較大，而對(duì)五至九級(jí)地層影響較??；而對(duì)十級(jí)地層其值約為“0”，水力參數(shù)僅有清巖作用[8]，故五級(jí)以上地層水力參數(shù)選擇，應(yīng)以清巖作用為主。

4) 鉆速系數(shù)是指除上述各參數(shù)外其他因素對(duì)鉆速影響的綜合系數(shù)。該系數(shù)是kd的負(fù)冪函數(shù)，隨kd的增大而逐漸接近于“1”，故在深井鉆井中，其他因素對(duì)鉆速的影響可不予考慮。

2.3 鉆頭設(shè)計(jì)

1) 切削齒設(shè)計(jì)[9]。通過(guò)提高鉆頭切削齒金剛石含量，增強(qiáng)切削齒的耐研磨性和熱穩(wěn)定性；通過(guò)改善切削齒PDC片與碳化鎢硬質(zhì)合金柱之間的應(yīng)力分布，降低殘余應(yīng)力，提高切削齒的抗沖擊性能。

2) 鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)地層巖石硬度，設(shè)計(jì)鉆頭冠部形狀、布齒密度、切削齒尺寸和切削齒后傾角[10-15]如表1，優(yōu)化切削齒載荷、磨損特性。在易發(fā)生崩齒或磨損的刀翼肩部采用防碰節(jié)等保護(hù)結(jié)構(gòu)。

表1 鉆頭設(shè)計(jì)參數(shù)

3 應(yīng)用效果

以徐深6-303井為例，采用單鐘擺鉆具組合配合液動(dòng)旋沖工具進(jìn)行施工。該井2 700～3 200 m巖性以砂泥巖為主，3 200～3 600 m以礫巖、砂質(zhì)礫巖為主，夾薄層深灰色泥巖，高研磨性砂巖。在上部軟地層，采用5刀翼長(zhǎng)拋物線低密度階梯狀布齒的Tek Tonic鉆頭(如圖3)，刀翼采用前傾設(shè)計(jì)，選用?16 mm PDC切削齒，保持“低鉆壓-高轉(zhuǎn)速”鉆進(jìn)。在下部含礫硬地層，采用8刀翼中短拋物線高密度螺旋布齒的Fuse TekTM鉆頭(如圖4)，選用?13 mm最新INFERNO系列PDC切削齒和孕鑲金剛石材料，將孕鑲鉆頭和PDC鉆頭完美融合在一起，抗研磨性更好。在鉆頭接近礫巖層段前20～30 m時(shí)，采取低鉆壓低轉(zhuǎn)速起動(dòng)磨合鉆頭，防止鉆頭先期損壞，進(jìn)入礫巖層后保持“中低排量、中低轉(zhuǎn)速、中高鉆壓”平穩(wěn)鉆進(jìn)，保證鉆頭在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)下進(jìn)行切削。

圖3 Tek Tonic鉆頭

圖4 Tek Tonic鉆頭

施工井段2 864.79～3 415.48 m，共550.69 m，施工2趟鉆，純鉆時(shí)間 176.4 h，平均機(jī)械鉆速3.12 m/h。與鄰井徐深606井相比，平均單趟鉆進(jìn)尺提高1.45倍，平均機(jī)械鉆速提高1.62倍，節(jié)約1趟起下鉆，節(jié)約純鉆時(shí)間4.93 d。如表2所示。

4 結(jié)論

1) 通過(guò)鉆具組合優(yōu)選，滿眼鉆具和單鐘擺鉆具均具有較好的穩(wěn)斜效果，綜合考慮糾斜、井下安全因素及高鉆壓加速鉆頭失效的影響，推薦選用“液動(dòng)旋沖工具+單鐘擺鉆具組合”。

2) 運(yùn)用回歸分析方法建立液動(dòng)旋沖工具鉆速方程，形成了軟地層“低鉆壓-高轉(zhuǎn)速”鉆進(jìn)，礫巖層“低排量、中低轉(zhuǎn)速、中高鉆壓”平穩(wěn)鉆進(jìn)的鉆井參數(shù)優(yōu)化方案。

表2 徐深6-303井液動(dòng)旋沖工具使用情況

3) 基于地層及液動(dòng)旋沖工具對(duì)抗沖擊能力的要求，對(duì)鉆頭切削齒及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，兼顧鉆頭的抗耐磨性和抗沖擊性。

4) 大慶油田鉆井研究院自主研發(fā)的液動(dòng)旋沖工具，在深部含礫地層中同樣具有明顯的提速效果。

[1] 劉永貴，羅桂秋，宋瑞宏，等. 影響徐家圍子深探井鉆井速度的因素分析[J].探礦工程，2006(7)：56-58.

[2] 張書(shū)瑞，呂長(zhǎng)文，李洪秀，等. 大慶油田提高深井鉆井速度的措施及效果[J].石油鉆探技術(shù)，1997 (4) ：8-10.

[3] 王關(guān)清，陳元頓，周煜輝. 深探井和超深探井鉆井的難點(diǎn)分析和對(duì)策探討[J].石油鉆采工藝，1998, 20(1)：1-7.

[4] 張伯英. 近期國(guó)內(nèi)外深井和超深井鉆井概況[J].鉆采工藝，1994, 17(2)：28-29.

[5] 譚春飛，李樹(shù)盛. 影響深井和超深井鉆速的主要原因分析[J].石油鉆采工藝，1998, 20(4)：32-35.

[6] 周英操，張書(shū)瑞，劉永貴. 大慶外圍探井鉆井速度的影響因素分析[J].石油學(xué)報(bào)，2007,28(2)：113-116.

[7] 徐濟(jì)銀，李祖奎. 勝利油田通用鉆速預(yù)測(cè)方程的建立與驗(yàn)證[J].石油鉆探技術(shù)，1995 (1) ：15-17.

[8] 王敏生，李祖奎，耿應(yīng)春，等. 室內(nèi)巖石破巖機(jī)制試驗(yàn)及應(yīng)用研究[J].巖土力學(xué)，2008, 29 (3) ：711-716.

[9] 邵明仁，張春陽(yáng)，陳建兵，等. PDC鉆頭厚層礫巖鉆進(jìn)技術(shù)探索與實(shí)踐[J].中國(guó)海上油氣，2008, 20(1)：44-47.

[10] 張明光，張?jiān)坡?lián). 新型PDC鉆頭設(shè)計(jì)[J].石油鉆采工藝,2000 , 22 (2) ：31-34.

[11] 劉向東. PDC鉆頭的主要幾何參數(shù)對(duì)其力學(xué)性能影響的研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2009.

[12] 翟應(yīng)虎，蔡鏡侖. PDC鉆頭切削齒運(yùn)動(dòng)規(guī)律的探討[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1995 (4) ：49-53.

[13] 張明光. 適合多夾層PDC鉆頭研究[D].南充：西南石油學(xué)院，1999.

[14] Kuru E, Wojtanowicz AK. An experimental study of sliding friction between PDC drill cutters and rocks[J]. Int J Rock Mech and Min Sci&Geotech Abstr, 1995,32(3)：277-283.

[15] Pain D D, Schieck B E. Evolution of polycrystalline diamond compact bit designs for rocky mountain drilling[J]. Journal of Petroleum Technology, 1985(7)：1213-1219.