水平段“一趟鉆”高效鉆頭優(yōu)選及改進(jìn)設(shè)計(jì)

吳殿友，李隆承，張 斌，張巨翼，宋春格，于 丹

（渤海石油裝備（天津）中成機(jī)械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

三開水平井分段“一趟鉆”是使用1 個鉆頭和1 套鉆具組合分別完成直井段、斜井段及水平段的鉆井技術(shù)?！耙惶算@”可以有效減少起下鉆次數(shù)和井下工具的使用數(shù)量，減少非鉆井時間，縮短鉆井周期，從而提高鉆井效率，降低鉆井成本。隨著螺桿鉆具及MWD（Measure While Drilling，隨鉆測量）技術(shù)的不斷發(fā)展，能夠提供更多的有效鉆井時間。作為最直接破巖工具的PDC（Polycrystalline Diamond Compact，聚晶金剛石復(fù)合片）鉆頭，需要解決水平段進(jìn)尺少、機(jī)械鉆速低等問題，以實(shí)現(xiàn)分段“一趟鉆”鉆井技術(shù)[1]。

1 地層特點(diǎn)

蘇里格地區(qū)直井段、斜井段由于地層特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)“一趟鉆”相對容易，而水平段鉆進(jìn)地層一般為石盒子組盒8 段或山西組山1 段。石盒子組上部以紫紅、黃綠、灰色泥巖為主，夾綠灰、淺灰色細(xì)-中粒砂巖，下部以淺灰色、灰白色、灰綠色含礫砂巖為主，夾棕灰色、深灰色泥質(zhì)砂巖（圖1），山西組為深灰色、灰黑色砂質(zhì)泥巖與灰白色中厚層砂巖互層，夾煤層及煤線，部分區(qū)域下部地層含有大量石英砂巖，研磨性較強(qiáng)，對PDC 鉆頭性能要求較高，實(shí)現(xiàn)水平段1200～1500 m“一趟鉆”有相對困難。

2 水平段PDC 鉆頭優(yōu)選

三開水平井水平段鉆進(jìn)井段為盒8 段或山1 段，使用常規(guī)定向儀器+螺桿鉆具+PDC 鉆頭的鉆具組合，鉆進(jìn)長度一般為1200～2000 m。目前，使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向水平段進(jìn)尺最長為4466 m，完鉆井深8008 m，創(chuàng)造了亞太陸上最長油氣井水平段紀(jì)錄和鄂爾多斯盆地最深井紀(jì)錄。隨著水平段長度不斷加長，對于單只PDC 鉆頭進(jìn)尺提出更高的要求，進(jìn)尺增加將減少非鉆井時間及耗材消耗，降低鉆井成本。

根據(jù)地層特點(diǎn)，結(jié)合井隊(duì)鉆井參數(shù)及鉆具組合，優(yōu)選的6 英寸水平段鉆頭設(shè)計(jì)參數(shù)為16 mm 復(fù)合片，5 刀翼，單排齒，水眼數(shù)量為5 個，攻擊性頭型，復(fù)合片后傾角為16°～18°，使用情況見表1。

表1 改進(jìn)前三口水平井水平段實(shí)鉆數(shù)據(jù)

據(jù)實(shí)鉆情況，單只鉆頭進(jìn)尺為1000 m 左右，距離1500 m的設(shè)計(jì)水平段差500 m 左右，鉆頭起初新度為80%～85%，出井后切削齒并無崩齒及脫層現(xiàn)象，主要為切削齒磨損，造成鉆時慢起鉆，磨損等級為1-2，理論上切削齒的磨損程度仍可繼續(xù)鉆進(jìn)，所以鉆頭的攻擊性需要進(jìn)一步調(diào)整，以保持一定的機(jī)械鉆速；復(fù)合片的抗研磨性和抗沖擊性能夠滿足進(jìn)尺1000 m井段地層需求，為了實(shí)現(xiàn)1200～1500 m 井段“一趟鉆”完鉆，需要提升復(fù)合片的抗研磨性以增加進(jìn)尺；鉆頭鉆進(jìn)過程中有工具面不穩(wěn)的情況，需要對頭型及保徑進(jìn)行調(diào)整，增加鉆頭的穩(wěn)定性（圖2）。

圖2 改進(jìn)前鉆頭出井照片

3 水平段鉆頭個性化設(shè)計(jì)

根據(jù)水平段鉆頭的出井情況，在鉆頭的攻擊性和穩(wěn)定性方面做出如下調(diào)整，改進(jìn)前后的參數(shù)對比見表2。

表2 改進(jìn)前后的參數(shù)對比

（1）優(yōu)化冠部曲線、削齒數(shù)量及后傾角度，增強(qiáng)鉆頭的攻擊性（圖3）。

圖3 模型及冠部曲線對比

（2）采用斜錐保徑設(shè)計(jì)，使有效保徑長度縮短了近50%，減少了側(cè)切力，增強(qiáng)工具面的穩(wěn)定性（圖4）。

圖4 斜錐保徑設(shè)計(jì)

（3）應(yīng)用力平衡設(shè)計(jì)，將徑向不平衡力與鉆壓的比由常規(guī)鉆頭的5%以內(nèi)，精確調(diào)整到2%以內(nèi)（圖5）。

圖5 力平衡設(shè)計(jì)

（4）優(yōu)選抗沖擊性和抗研磨性更好的復(fù)合片，增加進(jìn)尺。

（5）調(diào)整切削齒的上出露高度，增加切削齒吃入地層的深度，提升破巖效率。

（6）通過水力模擬，調(diào)整噴嘴噴射方向、角度，縮小了心部水眼尺寸，消除了鉆頭中心部分低速區(qū)，預(yù)防盒8 井段出現(xiàn)泥包現(xiàn)象（圖6）。

圖6 水力模擬

4 改進(jìn)后的PDC 鉆頭實(shí)鉆效果

改進(jìn)后的PDC 鉆頭在蘇里格氣田蘇36 區(qū)塊使用，完成兩口水平段“一趟鉆”，實(shí)鉆數(shù)據(jù)見表3

表3 改進(jìn)后PDC 鉆頭實(shí)鉆數(shù)據(jù)

改進(jìn)后的水平段鉆頭共使用10 井次，“一趟鉆”完成4井次，一趟鉆比例大幅提升，水平段的機(jī)械鉆速也由8～9 m/h，提升到9～10 m/h，機(jī)械鉆速提升10%左右，復(fù)合片沒有脫層和崩齒現(xiàn)象，磨損等級1-2，由于水平段沒有起下鉆，可以避免起下鉆造成的井下問題（圖7）。

圖7 改進(jìn)后鉆頭出井照片

5 結(jié)語

改進(jìn)后的水平段152.4 mm SD6535 鉆頭，通過實(shí)鉆數(shù)據(jù)，在進(jìn)尺和機(jī)速方面有了很大提升，在使用常規(guī)定向儀器+螺桿鉆具+PDC 鉆頭的鉆具組合下實(shí)現(xiàn)4井次1200～1500 m 水平段“一趟鉆”，如果配合旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向等井下工具，有望實(shí)現(xiàn)2000～3000 m 水平段“一趟鉆”。水平段“一趟鉆”的實(shí)現(xiàn)，標(biāo)志著全井分段一趟鉆的完成，可以達(dá)到減少非鉆井時間，縮短鉆井周期，從而達(dá)到提高鉆井效率，降低鉆井成本的目的。改進(jìn)后的鉆頭在長寧頁巖氣龍馬溪組單只鉆頭進(jìn)尺1355 m，平均機(jī)械鉆速15.45 m/h。