PDC 鉆頭配合馬達及水力振蕩器組合在渤海油田KL 區(qū)塊S 井的應(yīng)用

陳宇同 湯柏松 朱金亭 江 會

（天津市塘沽區(qū)中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，中國 天津 300452）

0 引言

如何實現(xiàn)優(yōu)快鉆進是鉆井工程中的重點。鉆頭與地層不匹配、頻繁調(diào)整軌跡、滑動鉆進時托壓嚴(yán)重等問題，在定向鉆進時屢見不鮮。 隨機石油勘探技術(shù)的開發(fā)，完鉆深度也逐日增加，伴隨著井眼深度的增加，機械鉆速偏低、軌跡控制困難、滑動鉆進托壓嚴(yán)重等復(fù)雜情況與日俱增。 本次在渤海油田KL 區(qū)塊S 井是一口大斜度井，12-1/4" 井段使用PDC 鉆頭加馬達配合水力振蕩器的鉆具組合，裸眼段進尺1 713 m，平均機械鉆速43.4 m/h，純鉆時間僅為39 h，體現(xiàn)出良好的技術(shù)效益，節(jié)省了幾十萬元的工程費用，證明了該鉆具組合的優(yōu)良應(yīng)用效果。

1 S 井12- 1/4" 井段作業(yè)難點

（1）砂巖段扭矩偏高，在鉆進、劃眼及倒劃眼過程中，須注意扭矩波動變化，防止扭矩過大而造成頂驅(qū)蹩停、鉆具扭斷甚至局部脫扣等嚴(yán)重后果；

（2）泥巖段由于巖性易出現(xiàn)縮徑情況，需注意防止出現(xiàn)憋壓、抬鉆具等情況的發(fā)生。 在砂泥巖交界密集的井段， 還要防止由于井壁不規(guī)則而出現(xiàn)臺階，最終出現(xiàn)新井眼的情況[1]。

（3）大段泥巖進行滑動鉆進，往往會出現(xiàn)托壓現(xiàn)象，即鉆具無法正常滑動，鉆進期間應(yīng)施加在鉆頭上的鉆壓，由于鉆具組合與井壁之間的摩阻較大，導(dǎo)致鉆壓全部或大部分施加在了鉆具組合上。表現(xiàn)特征為伴隨鉆壓的加大，機械鉆速未有明顯的增加，同時沒有回壓，鉆進摩阻顯著增大。

（4）托壓現(xiàn)象的出現(xiàn)，必然導(dǎo)致鉆進作業(yè)的連續(xù)性和安全性受到影響，頻繁的參數(shù)調(diào)整不僅無法滿足機械鉆速，對井眼軌跡的控制也會變得困難。

2 鉆具組合特點

2.1 PDC 鉆頭

合理選擇與地層匹配的PDC 鉆頭， 是有效提高機械鉆速的首要條件。 PDC 鉆頭具有工作時間長、固態(tài)部件、運行可靠等諸多特點，可勝任一只鉆頭鉆完一個裸眼段的任務(wù)，通過減少起下鉆更換鉆頭時間來有效提高機械鉆速。 鉆進過程中，除鉆頭本身和地層巖性因素外，影響鉆頭的因素包括入井鉆具組合與鉆頭的適配性、水頭水功率沖洗情況、裸眼段清潔效率、井眼軌跡、起下鉆難易程度及鉆井液性能等[2]。

本次選用的CKS605KA 鉆頭是川石克銳達公司制造的一種5 刀翼的PDC 鉆頭，具有如下特點：

（1）主切削齒尺寸為19 mm，大尺寸金剛石復(fù)合片使得鉆頭的吃入切削能力增強，冠部形狀特征使得破巖攻擊力較強；（2）5 刀翼鉆頭的流道寬大，顯著降低在黏軟地層出現(xiàn)鉆頭泥包及憋壓的風(fēng)險，同時寬大的流道有利于巖屑的返出；（3）水眼流道面積8.02 cm2，能有效提高鉆頭水力破巖功率，保持井底巖屑及時返出，充分冷卻、清洗鉆頭。

2.2 馬達

馬達動力鉆具也是影響機械鉆速的必要條件之一，其彎角角度、扶正翼的大小及形狀是該鉆具組合能否順利鉆穿多套地層體系的重要因素。馬達需具備長時間作業(yè)能力、 適應(yīng)中低轉(zhuǎn)速與高扭矩的特點，達到與PDC 鉆頭組合能一次鉆完一個井段的目的，隨著井深的增加、泵壓的升高及馬達壓耗的影響，鉆進期間的排量會逐步降低，馬達應(yīng)仍能在排量降低的情況下保證足夠的輸出扭矩和驅(qū)動力[3]。

本次選用立林公司的9-5/8"馬達，馬達頭數(shù)為5∶6，工作啟動排量為2 800 L/min， 入井間隙為1 mm，馬達彎角為可調(diào)式1.15°，扶正翼尺寸308 mm，規(guī)格為直翼，有利于滑動鉆進[4]。

2.3 水力振蕩器

滑動鉆進是利用馬達彎角進行造斜、扭方位的一種鉆進方式，其主要特點是鉆柱的轉(zhuǎn)速低、驅(qū)動扭矩波動小、深部地層的機械鉆速偏低，同時會帶來井眼軌跡不規(guī)則、由于托壓造成鉆進困難及環(huán)空憋堵等情況，而使用水力振蕩器能有效解決托壓這一難題[5]。其主要特點：

（1）通過水力脈沖可產(chǎn)生橫向和軸向振動；（2）工具本體與無磁鉆鋌相似，長度相對較短，方便組合鉆具；（3）在常規(guī)定向井、大斜度、大位移井鉆進期間，由于鉆具產(chǎn)生的振動，能有效降低壓差卡鉆發(fā)生的概率；（4）通過振動對井底產(chǎn)生沖擊力，提高滑動鉆進效率，有利于提升機械鉆速。

3 鉆具組合在S 井12- 1/4" 井段的應(yīng)用情況

3.1 鉆具組合及鉆井參數(shù)

鉆具組合：

12-1/4"PDC-BIT+9-5/8"PDM (1.15°/308mm)+8"F/V+11-7/8"STB+8"MWD+8"LWD+8"NMDC+8"(F/J+JAR)+X/O+5"HWDP×14+X/O+水力振蕩器+X/O+5"DP。

鉆井參數(shù)：

鉆壓是影響機械鉆速的直接要素。鉆壓過大會雖然會在短時間內(nèi)增大機械鉆速，但對鉆頭、鉆具的磨損也會提高，從而降低鉆具的使用壽命。鉆壓過低，鉆頭無法有效破巖， 且由于低鉆壓帶來的吊打情況，一般情況會造成井底井斜降低的情況[6]。鉆進期間，根據(jù)地層巖性預(yù)測分析，適時對鉆壓進行調(diào)整，同時要求鉆臺人員平穩(wěn)規(guī)范操作，努力實現(xiàn)“勤調(diào)少滑”，達到一只鉆頭完成整個裸眼段的任務(wù)。

排量，滑動鉆進期間，為保證造斜率，采取中等排量減少對井底的過度沖刷；在旋轉(zhuǎn)鉆進期間，開啟高排量，通過高壓水力射流輔助破巖，同時保證環(huán)空返速，提高對井底巖屑的清潔與返出能力。

轉(zhuǎn)速采取中等參數(shù)，鉆進期間，由于PDC 鉆頭由于地層巖性因素及物理運動機理，可能產(chǎn)生方位右漂的情況，轉(zhuǎn)速開啟參數(shù)為50～80 轉(zhuǎn)，馬達驅(qū)動頭受到排量影響，對鉆頭提供額外的轉(zhuǎn)速，可使井底鉆頭轉(zhuǎn)速超過120 轉(zhuǎn)，實現(xiàn)大排量、高轉(zhuǎn)速鉆進，鉆進期間方位變化平穩(wěn)，無明顯的漂移現(xiàn)象，扭矩波動小，無頻繁蹩扭矩情況[7]。

鉆頭出井的API 磨損評價為0-1-A-X-I-NOTD。鉆頭僅外排齒有部分磨損，保徑齒正常，水眼無堵塞現(xiàn)象。

3.2 實鉆效果

造斜井段，與定向設(shè)計對比，能夠滿足每30 米3°井斜的造斜率，平穩(wěn)增斜至68°井斜，未出現(xiàn)造斜率低或局部狗腿度過大的情況， 且整體造斜過程參數(shù)穩(wěn)定，無明顯的托壓情況，體現(xiàn)出鉆具組合良好的應(yīng)用效果。

穩(wěn)斜井段，實鉆過程中，受地層傾角影響，每柱井斜呈自然降斜趨勢，鉆進采用中-低鉆壓、高排量、大轉(zhuǎn)速的參數(shù)，在保證井身軌跡穩(wěn)定的情況下，提高機械鉆速。

通過鉆前預(yù)測及參數(shù)適時調(diào)整，本井裸眼段完鉆長度為1 713 m，采用連續(xù)增斜模式調(diào)整井斜至68°，平均機械鉆速43.4 m/h，純鉆時間僅為39 h[8]。 鉆進及短起下鉆期間，均未出現(xiàn)任何井下復(fù)雜情況，整體軌跡變化平穩(wěn)，無大狗腿現(xiàn)象，千米進尺事故率為0，純鉆時間與鉆井設(shè)計相對比節(jié)省工期近0.5 天。

4 結(jié)論

目前，國際油價受多方面影響，仍處于斷崖式下跌后的回暖期內(nèi)， 對石油系統(tǒng)是一個前所未有的漫長寒冬，因此，努力提高機械鉆速、避免井下復(fù)雜情況發(fā)生、加大新型技術(shù)的開發(fā)是必須值得肯定與推廣的。 根據(jù)渤海油田KL 區(qū)塊12-1/4" 井段的地層結(jié)構(gòu)與巖性變化特征， 使用攻擊性強的PDC， 配合馬達及水力振蕩器，實現(xiàn)了參數(shù)優(yōu)化與軌跡平穩(wěn)控制，真正做到了勤調(diào)少滑， 為本井的高效鉆進及良好井眼軌跡提供了技術(shù)和工具的保障，對該區(qū)塊今后的大斜度井、大位移井、水平井及分支井作業(yè)，均有著舉足輕重的指導(dǎo)意義。