灰質(zhì)泥巖地層鉆井提速技術(shù)研究

韋丙珂

摘要：濟(jì)陽坳陷部分區(qū)塊的沙三段地層以灰質(zhì)泥巖為主，塑性系數(shù)高，可鉆性級(jí)值較高，硬度中等，鉆進(jìn)時(shí)體積破碎困難，機(jī)械鉆速慢，同時(shí)砂-泥巖互層多鉆具蹩跳嚴(yán)重，大幅降低鉆頭的壽命，根據(jù)鉆頭破巖機(jī)理設(shè)計(jì)研制了微心PDC鉆頭，為解決鉆頭憋跳的問題研制了恒扭矩工具，配套形成灰質(zhì)泥巖地層鉆井提速技術(shù)開展了現(xiàn)場應(yīng)用，與鄰井相同井段相比，節(jié)省兩趟鉆，單只鉆頭進(jìn)尺是鄰井PDC鉆頭的2.2倍，平均機(jī)械鉆速7.83m/h，比鄰井提高39%，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：機(jī)械鉆速;微心鉆頭;恒扭矩工具;灰質(zhì)泥巖

濟(jì)陽坳陷下部地層，特別是部分區(qū)塊的沙三段地層以灰質(zhì)泥巖為主，巖性較硬，機(jī)械鉆速慢，特別是在很多深井、探井中，機(jī)械鉆速只有不到1m/h，選用牙輪鉆頭起下鉆頻繁，選用PDC鉆頭容易泥包，地層適應(yīng)差，且缺少配套的提速提效工具。因此迫切需要研發(fā)一種適應(yīng)下部泥巖地層的鉆井提速技術(shù)，滿足鉆井提速的需要。

1 ?提速難點(diǎn)分析

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，濟(jì)陽坳陷沙三段灰質(zhì)泥巖塑性系數(shù)高（5-7），平均可鉆性級(jí)值5.26，研磨性2-4級(jí)，硬度100-500MPa，造成鉆進(jìn)時(shí)體積破碎困難，機(jī)械鉆速慢（1m/h左右）。

實(shí)鉆情況表明沙三段砂泥巖互層多，如圖1所示，鉆具扭矩波動(dòng)大，軟硬交替鉆具蹩跳嚴(yán)重。這些劇烈的沖擊載荷將會(huì)大幅降低鉆頭的壽命，降低機(jī)械鉆速。另一方面，扭矩的過量累積容易損壞一些精細(xì)的工具，例如旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具、MWD等。

2 ?提速原理

在旋轉(zhuǎn)鉆井中，鉆頭與地層相互作用的能量E主要有兩部分，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動(dòng)能Ex和震動(dòng)產(chǎn)生的沖擊能Ez：

式中：Ez—沖擊能，J;Ex—?jiǎng)幽?，J;Fz—沖擊力，N;N—扭矩，Nmm;d—切削深度，mm;V—破碎的地層體積，mm³。

根據(jù)式（3），鉆頭與井底接觸各部位的動(dòng)能相差較大，在鉆頭最外部的部位，切削能和切削速度越大，而鉆頭軸線上速度為0，破巖能量也為0。此時(shí)軸線上的巖石破碎只能依靠鉆頭的沖擊能，因此破巖效率低，從而降低了鉆頭的整體機(jī)械鉆速。

3 微心PDC鉆頭的研發(fā)

為提高機(jī)械鉆速，防止鉆頭軸線附近因動(dòng)能不足引起的機(jī)械鉆速下降，研發(fā)了針對軸線部位破巖的微心PDC鉆頭^[1-2]，其核心思想是盡量避免直接切削鉆頭軸線上的的巖石，而是通過特殊的斷心設(shè)計(jì)使心部的巖石整體斷裂，從而形成一定直徑的巖心，既提高了機(jī)械鉆速，又提高了巖屑的研究價(jià)值。

（1）型心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。重點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)了布齒結(jié)構(gòu)，在鉆頭的軸線部位空置，鉆頭與地層接觸時(shí)，鉆頭的軸線部位會(huì)通過旋轉(zhuǎn)磨削形成一個(gè)圓柱狀的小巖心，簡稱為微心。

（2）斷心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過優(yōu)化，鉆頭軸線上靠近基體部位與鉆頭軸線設(shè)計(jì)為具有一定傾斜角度的斜面，主要作用是隨著鉆頭在地層中不斷深入，微心不斷增長，當(dāng)微心頂端碰到斜面時(shí)，斜面會(huì)對微心形成一個(gè)反作用力，方向與巖心軸線呈一定角度，當(dāng)作用力超過巖心的斷裂極限時(shí)，巖心斷裂。

（3）返心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。巖心斷裂后會(huì)進(jìn)入鉆頭排屑槽，考慮微心的尺寸，同時(shí)為了盡量提高微心的收獲率，并使其順利返回地面，因此與斷心結(jié)構(gòu)想通的排屑槽進(jìn)一步加寬加深，同時(shí)通過水力學(xué)模擬分析對鉆頭水力結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，以提高流量和流速。

4 恒扭矩工具研發(fā)

為解決軟硬交替互層鉆具蹩跳問題，根據(jù)鉆頭扭矩控制技術(shù)，利用預(yù)設(shè)扭矩閥值來動(dòng)態(tài)平衡井下扭矩。恒扭矩工具通過鉆壓來有限控制鉆頭的切削深度，使用旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩作為輸入控制參數(shù)，通過簡單有效的方式抵消地層軟硬交錯(cuò)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩突然變大和粘滑^[3]。工作原理是將引起鉆頭蹩鉆的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為BHA的軸向收縮，降低鉆壓，減少切削齒吃入深度，維持繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。

5 現(xiàn)場試驗(yàn)情況

G171井是一口勘探評價(jià)井，完鉆層位中生界孔店組。該井中下部地層沙一段至沙四段含有多套致密泥巖、砂巖，鄰井實(shí)鉆數(shù)據(jù)表明，該段機(jī)械鉆速較慢，鉆頭磨損嚴(yán)重。根據(jù)該井的具體巖性特點(diǎn)針對性的優(yōu)選了微心PDC鉆頭+恒扭矩工具+螺桿鉆具的提速方案并在該井取得了突出的使用效果.

鉆具組合于3開2756m沙三段下井，鉆至3300m沙四段起出，進(jìn)尺544m，起出后鉆頭和工具新度都在95%以上，還可以繼續(xù)下井。相比鄰井GX17井相同井段，節(jié)省兩趟鉆，單只鉆頭進(jìn)尺是鄰井PDC鉆頭的2.2倍，平均機(jī)械鉆速7.83m/h，比鄰井提高39%。

6 結(jié)論

（1）沙三段灰質(zhì)泥巖塑性強(qiáng)，可鉆性級(jí)值高，體積破碎困難，同時(shí)砂泥巖互層鉆具蹩跳嚴(yán)重，影響鉆頭壽命，是該地層機(jī)械鉆速慢的主要原因。

（2）為提高泥巖的機(jī)械鉆速，設(shè)計(jì)研制了微心PDC鉆頭，提高了鉆頭心部破碎效率，也增大了巖屑的直徑。

（3）為有效解決鉆頭憋跳問題，研制了恒扭矩工具，可有效保護(hù)鉆頭，提高鉆頭使用壽命。

（4）現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，采用微心PDC鉆頭配合恒扭矩工具和螺桿動(dòng)力鉆具顯著提高了機(jī)械鉆速和鉆頭進(jìn)尺，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：韋丙珂（1970.3-）男，漢族，山東省禹城縣人，中石化勝利油田分公司石油工程監(jiān)督中心河口監(jiān)督站，高級(jí)工程師，主要從事鉆井工程監(jiān)督管理工作。