蘇里格南小井眼鉆頭優(yōu)選及改進(jìn)設(shè)計(jì)

郁燕飛，郭 亮，董易凡，陶瑞東，馮雪誠(chéng)，魯 超

（1.渤海鉆探第三鉆井公司，天津 300280；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田蘇里格南作業(yè)分公司，陜西西安 710018）

蘇里格南區(qū)塊為長(zhǎng)慶油田公司與法國(guó)道達(dá)爾公司共同投資開發(fā)的合作項(xiàng)目，該區(qū)塊位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂托克前旗南部地區(qū)，與陜北接壤，地處毛烏素沙漠南部。由于小井眼井鉆井在成本節(jié)約及環(huán)保方面都具有巨大優(yōu)勢(shì)，可降低鉆井綜合成本，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀[2]。因此，建設(shè)方在該區(qū)塊全部采用小井眼鉆井以達(dá)到節(jié)約投資的目的。該區(qū)塊實(shí)施小井眼井的井身結(jié)構(gòu)為二開五段制定向井，表層采用φ222.25 mm鉆頭，二開使用φ152.4 mm或φ155.6 mm鉆頭。造斜點(diǎn)一般為表層井深400 m，二開裸眼段長(zhǎng)達(dá)3 200 m，長(zhǎng)井段的小井眼鉆井施工一直是國(guó)內(nèi)外鉆井的技術(shù)難題，國(guó)內(nèi)此類的小井眼井鉆井還處于試驗(yàn)探索階段，鉆井施工難度大，可借鑒經(jīng)驗(yàn)極少[2-5]。本文重點(diǎn)介紹該區(qū)塊小井眼井的鉆頭優(yōu)選及個(gè)性化設(shè)計(jì)，對(duì)今后蘇里格氣田以及國(guó)內(nèi)其他地區(qū)實(shí)施此類井身結(jié)構(gòu)開發(fā)，提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，以供借鑒。

1 概況

1.1 地層特點(diǎn)

該區(qū)塊上部地層安定組、直羅組易垮塌，但可鉆性好；紙坊組和和尚溝組含礪夾層；下部地層劉家溝組、石千峰、馬家溝地層可鉆性變差；石千峰地層棕紅色泥巖易對(duì)鉆頭產(chǎn)生泥包。若采用大井眼尺寸的鉆頭可通過(guò)加大鉆壓的方式提高破巖效率，但小井眼（φ152.4 mm或φ155.6 mm）能夠采用的最大鉆壓僅為80 kN，鑒于上述情況，對(duì)鉆頭的防泥包、攻擊性、切削齒質(zhì)量等綜合性能提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

1.2 井身結(jié)構(gòu)

表層采用φ222.25 mm鉆頭鉆至700 m～800 m，二開使用φ152.4 mm或φ155.6 mm鉆頭鉆至完井（3 800 m～4 000 m）。造斜點(diǎn)一般為表層井深400 m，裸眼段長(zhǎng)達(dá)3 200 m。

1.3 鉆井液體系及基本性能

二開小井眼井段試驗(yàn)了三種鉆井液體系，即高效水基鉆井液、天然高分子、天然高分子+有機(jī)鹽。三種鉆井液體系所達(dá)到的性能基本一致，事故復(fù)雜為零，能滿足抑制性、井壁穩(wěn)定、攜砂等性能要求。

2 鉆頭優(yōu)選及改進(jìn)設(shè)計(jì)

該區(qū)塊實(shí)施的井表層大多在700 m～800 m，且上部地層可鉆性較好，提速空間不大，因此本文重點(diǎn)圍繞二開進(jìn)行鉆頭優(yōu)選和個(gè)性化改進(jìn)設(shè)計(jì)。二開使用φ152.4 mm或φ155.6 mm（非標(biāo)鉆頭，通用性差）鉆頭，裸眼段長(zhǎng)達(dá)3 200 m，提速空間大，但對(duì)鉆頭優(yōu)選和個(gè)性化改進(jìn)設(shè)計(jì)要求較高。

表1 SN134-01井鉆頭實(shí)鉆統(tǒng)計(jì)表

2.1 φ155.6 mmPDC鉆頭優(yōu)選

結(jié)合該區(qū)塊地層特點(diǎn)，考慮定向工具面穩(wěn)定，兼顧攻擊性，初步設(shè)計(jì)第一口井小井眼φ155.6 mmPDC鉆頭采用SD6532和SD6531兩種型號(hào)，根據(jù)實(shí)鉆情況（見表1）進(jìn)行詳細(xì)分析對(duì)比后對(duì)鉆頭進(jìn)行改進(jìn)，從而達(dá)到提高機(jī)械鉆速的目的。

鉆頭起出后發(fā)現(xiàn)SD6531和SD6532兩種型號(hào)均有不同程度泥包現(xiàn)象，特別是SD6532較為嚴(yán)重，通過(guò)水力模擬發(fā)現(xiàn)（見圖1和圖2），該鉆頭水力設(shè)計(jì)存在低流速區(qū)。

2.2 φ155.6 mmPDC鉆頭改進(jìn)設(shè)計(jì)

通過(guò)分析鉆頭的速度分布圖（見圖1）和起出磨損情況（見表1），對(duì)φ155.6 mm上部井段使用的SD6532鉆頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)（見表2），調(diào)整了噴嘴數(shù)量、大小、噴射方向，解決鉆頭泥包問(wèn)題；優(yōu)化冠部輪廓、切削齒數(shù)量、角度，增加整體鉆頭攻擊性，提高鉆頭吃入深度、提升破巖效率。將φ155.6 mmSD6532型號(hào)的鉆頭經(jīng)過(guò)個(gè)性化優(yōu)化設(shè)計(jì)后的型號(hào)命名為φ155.6 mmSD6522。

圖1 SD6532速度分布圖

表2 φ155.6 mm上部井段鉆頭優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比

同理，調(diào)整了SD6531鉆頭噴嘴噴射方向、大小、數(shù)量（見表3），解決鉆頭泥包問(wèn)題。優(yōu)化了切削齒角度，提升破巖效率，提高了機(jī)械鉆速，比改進(jìn)前提高20%以上。

圖2 SD6532速度矢量圖

表3 φ155.6 mmSD6531優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比

表4 改進(jìn)后PDC鉆頭使用效果分析

改進(jìn)設(shè)計(jì)的鉆頭型號(hào)φ155.6 mmSD6522和SD6531在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了3口井試驗(yàn)，滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)工具面穩(wěn)定，起出后均無(wú)鉆頭泥包現(xiàn)象（見表4）。

2.3 φ152.4 mmPDC鉆頭改進(jìn)設(shè)計(jì)

因φ155.6 mm鉆頭通用性差，與建設(shè)方協(xié)商后將井眼尺寸改為φ152.4 mm，在φ155.6 mmPDC鉆頭個(gè)性化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高鉆頭穩(wěn)定性、攻擊性，主要有以下四個(gè)方面優(yōu)化。

（1）增加保徑長(zhǎng)度。沿用了φ155.6 mm的三長(zhǎng)兩短的刀翼設(shè)計(jì)思路，同時(shí)在原基礎(chǔ)上增加了保徑面長(zhǎng)度，修改后在定向井滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)保證工具面的穩(wěn)定性，在直井鉆進(jìn)中起到防斜打直的作用。

圖3 布齒分布圖

（2）調(diào)整布齒，增加攻擊性。減少了主切削齒數(shù)量，由17片減少到15片；后傾角由原來(lái)的20°～14°減小為18°～12°；側(cè)傾角控制在 0°～10°，通過(guò)減小復(fù)合片傾角來(lái)提高鉆頭攻擊性（見圖3）。

（3）優(yōu)化水力參數(shù)。沿用寬深水槽設(shè)計(jì)，減少刀翼厚度；采用五個(gè)可調(diào)水眼的水力設(shè)計(jì)，便于鉆頭調(diào)整水力參數(shù)。

（4）調(diào)整復(fù)合片出韌高度。增加了鉆頭復(fù)合片的出露高度，復(fù)合片的出露高度由6 mm提高到8 mm，使鉆頭在井底工作時(shí)增加復(fù)合片對(duì)地層的吃入深度（見圖4），從而達(dá)到提高機(jī)械鉆速的目的。

圖4 復(fù)合片出韌高度調(diào)整

新設(shè)計(jì)的φ152.4 mm鉆頭型號(hào)為SD6521ZC，在SN134-05（直井）和 SN134-06（定向井）兩口井中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，提速效果明顯，實(shí)現(xiàn)了兩趟鉆完成（見表5）。該型號(hào)鉆頭能同時(shí)兼顧φ155.6 mm個(gè)性化設(shè)計(jì)的SD6531和SD6522兩種型號(hào)鉆頭的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)減少了φ155.6 mm井眼更換鉆頭起下鉆次數(shù)，從而提高了行程鉆速。

表5 φ152.4 mmSD6521ZC使用效果分析

3 結(jié)論與建議

（1）改進(jìn)設(shè)計(jì)的φ155.6 mmSD6531和SD6522型號(hào)PDC鉆頭，既成功解決鉆頭泥包問(wèn)題，也能滿足提高機(jī)械鉆速的要求。

（2）改進(jìn)設(shè)計(jì)的φ152.4 mmSD6521ZC鉆頭型號(hào)，能實(shí)現(xiàn)單井二開兩趟鉆完井，但下部井段鉆頭磨損嚴(yán)重，建議根據(jù)實(shí)鉆資料和地層分析，進(jìn)一步對(duì)鉆頭進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，力爭(zhēng)早日能夠?qū)崿F(xiàn)二開井段一趟鉆完成。