開窗側(cè)鉆井鉆頭改進(jìn)設(shè)計

李隆承，吳殿友，王 輝，張俊虎，左 磊，任根利

（1.渤海石油裝備制造有限公司鉆井裝備公司，天津 300280；2.渤海鉆探工程有限公司第三鉆井工程分公司，天津 300280）

0 引言

側(cè)鉆井具有井眼小、環(huán)空小、生產(chǎn)周期長等特點(diǎn)，造成鉆頭容易泥包、定向工具面不穩(wěn)、保徑磨損嚴(yán)重、攻擊性差等問題，通過側(cè)鉆水平井鉆頭改進(jìn)設(shè)計，解決以上問題，提升小井眼開窗側(cè)鉆鉆井效率，節(jié)省鉆井時間，縮短鉆井周期，降低鉆井成本。

1 目前工況

蘇里格地區(qū)開窗側(cè)鉆井目的層一般為石盒子組盒8下段，主要以淺灰色、灰白色、灰綠色砂巖為主，夾棕灰色、深灰色泥質(zhì)砂巖，水平段長度一般為600～800 m（圖1）。斜井段與水平段眼尺寸為Φ117.47 mm，開窗側(cè)鉆井井眼小，間隙窄，鉆井循環(huán)泵壓高，鉆頭容易泥包；鉆具尺寸小，柔性大，滑動效率低，水平段軌跡調(diào)整困難，造成鉆井周期長，井壁長期浸泡容易垮塌，易沉砂卡鉆。

圖1 顯微鏡下石盒子組的巖樣

2 側(cè)鉆井PDC鉆頭優(yōu)選

開窗側(cè)鉆井使用通徑規(guī)、刮管器進(jìn)行通徑、刮壁后，下斜向器，經(jīng)過開窗修窗試鉆作業(yè)后，開始進(jìn)行斜井段、水平段鉆進(jìn)，斜井段為500～600 m，水平段為600～800 m，常用的鉆具組合及鉆井參數(shù)如下。

2.1 斜井段鉆具組合及鉆井參數(shù)

（1）鉆具組合：Φ118.00 mm PDC，0.17 m；Φ95 mm 7LZ 1.5°，4.61 m；Φ105 mm211，210回壓凡爾，0.46 m；雙公接頭，0.4 m；Φ105 mm NMDC，1根；懸掛接頭；Φ105 mm211，特錐母扣；Φ88.9 mm HWDP，39根；Φ88.9 mm DP。

（2）鉆井參數(shù)：鉆壓2～4 tf（約200～400 MPa），轉(zhuǎn)速50+LZ r/min，排量8 L/s，泵壓14～18 MPa。

（3）泥漿性能：密度1.25～1.27 g/cm3，黏度48 s，失水3.5 mL。

2.2 水平段鉆具組合及鉆井參數(shù)

（1）鉆具組合：Φ118.00 mm PDC，0.25 m；Φ102 mm 7LZ 1.25°，4.67 m；Φ114 mm扶正器；Φ105 mm211，210回壓凡爾，0.46 m；雙公接頭，0.4 m；Φ105 mm NMDC，1根；懸掛接頭；Φ105 mm211，特錐母扣；Φ88.9 mm HWDP3柱；Φ88.9 mm DP35柱；Φ88.9 mm HWDP10柱；Φ88.9 mm DP。

（2）鉆井參數(shù)：鉆壓4～6 tf（約400～600 MPa），轉(zhuǎn)速50+LZ r/min，排量7 L/s，泵壓19～21 MPa。

（3）泥漿性能：密度1.28 g/cm3，黏度55 s，失水3 mL。

2.3 PDC鉆頭優(yōu)選參數(shù)

根據(jù)地層特點(diǎn)，結(jié)合井隊鉆井參數(shù)及鉆具組合，優(yōu)選側(cè)鉆井PDC鉆頭設(shè)計參數(shù)為13 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)前兩口側(cè)鉆水平井實鉆數(shù)據(jù)

根據(jù)實鉆情況，斜井段、水平段均為2趟鉆完成，單只鉆頭進(jìn)尺為300～400 m，鉆頭起初新度為80%～95%，出井后切削齒并無崩齒及脫層現(xiàn)象，主要為切削齒磨損，磨損比較輕微（圖2）。由于鉆時慢起鉆，磨損等級為1～2，單只鉆頭平均機(jī)械鉆速為3.54～5.45 m/min，機(jī)械鉆速較慢，根據(jù)磨損情況，需要整體提升鉆頭的攻擊性和穩(wěn)定性，以提升各井段的鉆進(jìn)速度。

圖2 改進(jìn)前鉆頭出井照片

3 側(cè)鉆井鉆頭個性化設(shè)計

根據(jù)側(cè)鉆井鉆頭的出井磨損情況和地層特點(diǎn)，針對側(cè)鉆井鉆頭在性能方面進(jìn)行了調(diào)整，主要提升吃入地層的能力，提升單圈的切削量，提升機(jī)械鉆速，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）調(diào)整冠部曲線，采用攻擊性頭型，更換切削齒尺寸，由13.44 mm提升到15.88 mm，后傾角度由16°～18°減小到14°～15°，提升切削齒吃入地層的能力。

（2）加強(qiáng)保徑設(shè)計，保徑長度由30 mm增加至45 mm，增加與井壁的接觸面積，提升鉆頭的穩(wěn)定性，減少水平段調(diào)整井斜時間，提升機(jī)械鉆速。

（3）采用規(guī)徑布齒，減小PDC切削齒的重疊系數(shù)，使鉆頭在井底產(chǎn)生不平滑的井底，形成地層巖層的凸起環(huán)帶，增強(qiáng)工具面的穩(wěn)定性（圖3）。

圖3 規(guī)徑布齒

（4）采用綜合性能好的切削齒，保證進(jìn)尺。

（5）通過水力計算，調(diào)整固定噴嘴尺寸，增加水利破巖效果，采用深直寬水槽、高配比水力，增強(qiáng)鉆頭清洗、冷卻和排屑效果，預(yù)防出現(xiàn)泥包現(xiàn)象。

4 改進(jìn)后的PDC鉆頭實鉆效果

改進(jìn)后的側(cè)鉆井鉆頭在蘇里格氣田蘇14、蘇36、蘇東等區(qū)塊使用，實鉆數(shù)據(jù)見表3。改進(jìn)后的側(cè)鉆井鉆頭共使用4井次，都是3趟鉆完成整個井段，單只鉆頭進(jìn)尺提升到370～530 m，機(jī)械鉆速也由3.54～5.45 m/h，提升到5.06～8.77 m/h，機(jī)械鉆速提升幅度較大。

表3 改進(jìn)后PDC鉆頭實鉆數(shù)據(jù)

圖4 改進(jìn)后鉆頭出井照片

5 結(jié)語

改進(jìn)后的水平段118SD6431鉆頭，通過實鉆數(shù)據(jù)，在進(jìn)尺和機(jī)速方面有了很大的提升，單只鉆頭進(jìn)尺突破500 m，鉆頭起出新度較高，可以繼續(xù)鉆進(jìn)，多數(shù)由于螺桿達(dá)到使用時間起鉆，平局機(jī)械鉆速提升20%～30%，減少鉆井時間，縮短鉆井周期，達(dá)到提高鉆井效率，降低鉆井成本的目的。

中國石油渤海石油裝備制造有限公司科技項目：長慶油田5.5＂套管側(cè)鉆破巖工具研制及應(yīng)用（F-M00021K8），2021年1月—2022年12月。