川渝地區(qū)須家河地層渦輪鉆具配套孕鑲金剛石鉆頭鉆井提速技術(shù)

韓烈祥， 姚建林，2， 李偉成，2

(1川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 2四川川慶石油鉆采科技有限公司)

川渝地區(qū)深層須家河組鉆進速度低的問題是一個的瓶頸性難題[1-2]。該地層石英含量高，研磨性強，抗壓強度高，同時還常常伴有一定程度的不均質(zhì)性(致密砂巖、泥頁巖夾層等)，是油氣鉆井過程中的一種典型的難鉆地層。在這種地層中鉆進時，PDC鉆頭主要表現(xiàn)為鉆頭磨損嚴(yán)重、單只進尺較少；牙輪鉆頭表現(xiàn)為單只進尺少、機械鉆速低，大大降低了鉆井效率。

目前，國內(nèi)外提高難鉆地層鉆速的鉆井技術(shù)主要有渦輪鉆具復(fù)合鉆井技術(shù)[3-4]、旋沖鉆井技術(shù)[5-6]、欠平衡鉆井技術(shù)[7-8]、導(dǎo)向鉆井技術(shù)[9-10]等。大量現(xiàn)場應(yīng)用表明[11-12]，渦輪配合孕鑲金剛石鉆頭組合具有較強的抗研磨性，高轉(zhuǎn)速下工作時間長，動力輸出功率大，工作平穩(wěn)，井眼軌跡平滑，能夠滿足川渝地區(qū)須家河地層強研磨性地層的提速要求。

一、渦輪鉆具配套孕鑲金剛石鉆頭鉆井技術(shù)

1.渦輪鉆具

1924年前蘇聯(lián)首次將渦輪技術(shù)運用在鉆井中，渦輪鉆井技術(shù)成為其基本鉆井方式[13]。除俄羅斯外，美國、西歐也在大力發(fā)展渦輪鉆井技術(shù)，該領(lǐng)域技術(shù)領(lǐng)先的有斯倫貝謝、哈里伯頓等公司。近年來，渦輪鉆具在國內(nèi)也有良好的應(yīng)用，包括大慶油田安達區(qū)塊火成巖層段、吉林油田小城子區(qū)塊砂礫巖層段、塔里木油田山前構(gòu)造礫石和致密砂巖層段、川渝地區(qū)九龍山珍珠沖礫石層段等。

渦輪鉆具是一種將鉆井液液體能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的鉆井工具。渦輪鉆具主要由渦輪節(jié)、支撐節(jié)和傳動軸組成。渦輪節(jié)主要包括定子、轉(zhuǎn)子、扶正軸承、主軸及外殼構(gòu)成。其中渦輪鉆具中最重要的工作元件是渦輪定子和轉(zhuǎn)子。高壓鉆井液通過渦輪時，分別與定子和轉(zhuǎn)子葉片相互作用發(fā)生動量矩的轉(zhuǎn)變，使液體能量轉(zhuǎn)化為渦輪主軸上的機械能。渦輪鉆具是由成百級結(jié)構(gòu)相同的單級渦輪所組成[14]。

渦輪鉆具的主要技術(shù)優(yōu)勢：全金屬結(jié)構(gòu)，動力部分無橡膠件，耐高溫，工作溫度可達250℃，適用于深井、超深井和高溫高壓井；高性能動力、高轉(zhuǎn)速；徑向平衡性能穩(wěn)定，能夠有效保護鉆柱及井下儀器，井眼質(zhì)量好；模塊化單元，可操作性強。

2.孕鑲金剛石鉆頭

孕鑲金剛石鉆頭為金剛石鉆頭中的一種，如圖1所示。鉆頭胎體里均勻包鑲著天然或人造金剛石顆粒，使得其在耐磨性較常規(guī)的PDC和牙輪鉆頭優(yōu)勢明顯。鉆進時，鉆頭胎體磨損，金剛石顆粒不斷地出露自銳，高效破碎巖石。孕鑲金剛石鉆頭是多流道布局，保證鉆井液及時清洗巖屑和冷卻鉆頭，提高其使用壽命。此外，其多刀翼結(jié)構(gòu)和配套的加長保徑扶正器，可提高鉆頭井下的穩(wěn)定性，進一步提高破巖效率。

圖1 孕鑲金剛石鉆頭實物圖

3. 渦輪鉆具配套的孕鑲金剛石鉆頭鉆井技術(shù)

目前，高速螺桿或渦輪鉆具配合PDC鉆頭的鉆井方式都受到PDC復(fù)合片限制，使得其主要適用于中～低抗壓強度、均質(zhì)性好和低研磨性地層，但根據(jù)川渝地區(qū)須家河地層高研磨性、硬夾層交互和可鉆性差的特性，結(jié)合孕鑲金剛石鉆頭自身破巖機理需配高速井下動力鉆具，因此渦輪鉆具或高速螺桿配合孕鑲金剛石鉆頭鉆井方式適合該地層提速，但國內(nèi)目前使用的高速螺桿使用壽命受限，與孕鑲金剛石鉆頭使用壽命匹配性差。

在川渝地區(qū)類似須家河組的難鉆地層，采用渦輪鉆具配合孕鑲金剛石鉆頭復(fù)合鉆井技術(shù)能夠顯著增加鉆頭轉(zhuǎn)速及鉆壓，井下鉆具穩(wěn)定性強，能夠提高單只鉆頭壽命，減少起下鉆時間，并起到防斜打直的目的。

二、川渝地區(qū)須家河組巖石力學(xué)特性分析

1.川渝地區(qū)須家河組地層分段及巖性描述

川渝地區(qū)須家河組地層主要巖性為砂巖、粉砂巖和泥頁巖。砂巖和粉砂巖為多為硅質(zhì)膠結(jié)，石英含量高，有些井段砂巖石英含量高達92% ～95%。其中，須四和須二段巖性以細(xì)、中、粗石英砂巖為主，夾泥頁巖和含礫砂巖。須五、須三和須一段主要巖性為粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖與泥頁巖呈不等厚和略等厚互層(表1)。

表1 四川地區(qū)須家河組地層分段及巖性描述

2.川渝地區(qū)須家河組地層巖石力學(xué)特性分析

基于地層巖石力學(xué)性質(zhì)的實驗研究和關(guān)系函數(shù)建模方法研究，利用自主開發(fā)的地層特性量化鉆頭設(shè)計參數(shù)分析軟件，分析了龍崗X2井、門西X1井的須家河組地層的抗壓強度、可鉆性等巖石力學(xué)特性見圖2～圖3，其特點如下：

(1)抗壓強度為80～150 MPa，最高達180 MPa。

(2)可鉆性級值為4～10，可鉆性差。

(3)內(nèi)摩擦角為30°～45°，地層的壓實性高，結(jié)合抗壓強度，地層硬度高。

同時，根據(jù)須家河組含有致密砂巖、石英含量高等巖性特點，得到該地層屬強研磨性地層。

三、龍崗X1井現(xiàn)場試驗效果分析

該井應(yīng)用渦輪鉆具配套孕鑲金剛石鉆頭試驗井段為2 210～2 695 m，層位為須家河組，其鉆井參數(shù)和渦輪鉆具組合如表2和表3所示。

圖2 龍崗X2井須家河組地層巖石力學(xué)性質(zhì)分析曲線

圖3 門西X1井須家河組地層巖石力學(xué)性質(zhì)分析曲線

鉆頭尺寸/mm鉆頭型號試驗地層井段/m鉆壓/kN轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速/(r·min-1)排量/(L·s-1)鉆井液密度/(g·cm-3)215.9CEW8A1須家河2210～269530～8035～4528～301.10

表3 渦輪鉆具組合

在應(yīng)用井段中使用了1只?215.9 mm孕鑲金剛石鉆頭，單只鉆頭進尺392 m，純鉆時間240 h，平均機械鉆速2.73 m/h，同比鄰井龍崗X2井，與鄰井同層鉆頭對比，機械鉆速提高95%以上，單只鉆頭平均進尺提高了334.1%，提速效果明顯。鉆頭出入井對比見圖4，與鄰井龍崗X2井相應(yīng)井段使用的牙輪鉆頭和與川渝地區(qū)其它井須家河層位實鉆數(shù)據(jù)對比見圖5。

圖4 孕鑲金剛石鉆頭出入井對比圖

圖5 單只進尺和平均機械鉆速實鉆數(shù)據(jù)對比圖

四、結(jié)論與建議

(1)渦輪配套孕鑲金剛石鉆頭技術(shù)在龍崗X1井須家河地層現(xiàn)場應(yīng)用取得了良好的提速效果，證明了其是提高強研磨性地層鉆井速度的有效技術(shù)。

(2)現(xiàn)場機泵條件和鉆井參數(shù)對于渦輪鉆井提速效果具有較為重要影響，建議優(yōu)化渦輪鉆具結(jié)構(gòu)，以降低其對鉆井參數(shù)的要求，提高其推廣應(yīng)用的適應(yīng)性。

(3)由于試驗的孕鑲金剛石鉆頭完全是利用自身的天然金剛石顆粒高速研磨破碎地層，使得其機械鉆速受到了一定限制，建議借鑒PDC鉆頭復(fù)合片切削破巖機理，優(yōu)化孕鑲金剛石鉆頭結(jié)構(gòu)，如在刀翼肩部布置類似于PDC復(fù)合片的柱型結(jié)構(gòu)孕鑲齒，以增加孕鑲金剛石鉆頭的攻擊性。

(4)建議在川渝、新疆等地區(qū)強研磨地層推廣使用渦輪配套孕鑲金剛石鉆頭鉆井技術(shù)。

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