深井大直徑井眼鉆井參數(shù)優(yōu)選及高效破巖洗井技術(shù)討論

劉皓楓，祝學(xué)飛，胡 超

（川慶鉆探新疆分公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000）

深井、超深井分別指井深達(dá)到4500～6000m、6000m 之上的井，其鉆井技術(shù)是勘探和開發(fā)深部油氣資源的關(guān)鍵技術(shù)。在我國(guó)，深井較為集中的陸地區(qū)域涵蓋塔里木、準(zhǔn)噶爾、四川盆地等地區(qū)。因?yàn)槠涞刭|(zhì)情況較為繁雜，如山前構(gòu)造、高陡構(gòu)造、難鉆地層、多壓力系統(tǒng)及不穩(wěn)定巖層等，鉆井環(huán)節(jié)中展現(xiàn)出井下復(fù)雜、多發(fā)事故、創(chuàng)井時(shí)間長(zhǎng)、工程耗資大，在一定程度上影響到了勘測(cè)的力度，并且直接提升了成本。因此攻克深井問題、深井技術(shù)難點(diǎn)，對(duì)勘探和開發(fā)深部油氣資源具有深遠(yuǎn)的意義。

1 深井鉆井參數(shù)優(yōu)選

1.1 優(yōu)選遇到的問題

鉆井環(huán)節(jié)是具有多因素的復(fù)雜過程，參數(shù)變化大且部分參數(shù)難以確認(rèn)基礎(chǔ)數(shù)值，對(duì)鉆井參數(shù)運(yùn)算不夠精準(zhǔn)，例如鉆壓轉(zhuǎn)速優(yōu)選時(shí)需參考地層可鉆性系數(shù)、鉆頭牙齒磨損系數(shù)、軸承工作系數(shù)、鉆壓與轉(zhuǎn)速影響系數(shù)等，與鉆頭結(jié)構(gòu)材料相關(guān)，水力參數(shù)選取的基礎(chǔ)排量誤差大。鉆井液的流變性粘度變化、井眼情況、參數(shù)不精準(zhǔn)等，影響基礎(chǔ)參數(shù)值使誤差較大，在深井條件下計(jì)算誤差更加明顯。

1.2 參數(shù)優(yōu)選技術(shù)

深井鉆井參數(shù)優(yōu)選應(yīng)立足于現(xiàn)場(chǎng)，按照現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，再將運(yùn)算建模進(jìn)行計(jì)算，使用現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行核對(duì)以及比較。按照上一井深位置、上一鉆頭使用情況以及鄰井實(shí)際參數(shù)數(shù)據(jù)確定使用參數(shù)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，將現(xiàn)階段的鉆頭以及參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化；亦或按照相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行確定并且完善，這樣能夠快速消除建模之間的系統(tǒng)誤差，在一定程度上保障鉆井參數(shù)數(shù)據(jù)的真實(shí)性以及穩(wěn)定性[1]。

鉆壓轉(zhuǎn)速優(yōu)選：理論上采用通過修正的“楊格模式”建立鉆井參數(shù)優(yōu)化模型，其“地層研磨系數(shù)”和“軸承工作系數(shù)”作為反求參數(shù)，根據(jù)前一鉆頭牙齒和軸承磨損程度來進(jìn)行反演計(jì)算求取出來；“牙齒磨損值”和“軸承磨損值”兩個(gè)參數(shù)根據(jù)鉆頭實(shí)際情況相對(duì)模糊取值。在優(yōu)化模型中考慮“校正系數(shù)”，用鉆頭實(shí)際使用結(jié)果來校正理論計(jì)算結(jié)果，以消除各種因數(shù)帶來的計(jì)算誤差，并實(shí)時(shí)更新“校正系數(shù)”。這樣得出來的優(yōu)化計(jì)算結(jié)果能較好地符合現(xiàn)場(chǎng)鉆井條件[2]。

2 深井大直徑井段高效破巖瓶頸

井眼直徑在311.2mm及以上的井段稱為大直徑井段，444.5mm、311.2mm 井眼段長(zhǎng)分別超過1500m、2500m 的井段，或在相同井段鉆出前所未有的大直徑井眼，出現(xiàn)了從鉆井設(shè)備到鉆井工藝都不能適應(yīng)新的鉆井需要的問題，在一定區(qū)域范圍內(nèi)5000m 之上的深井需求444.5mm 鉆頭鉆進(jìn)至1500～3000m 深，個(gè)別井甚至能夠達(dá)到3500～4500m 深，隨著大直徑井段占進(jìn)尺30%～70%的增加比例，機(jī)械鉆速偏慢的問題日益突出。大直徑井段的鉆井技術(shù)問題，由鉆頭、鉆井裝備、鉆井水力學(xué)、巖石破碎學(xué)等方面進(jìn)行分析[3]。

2.1 大尺寸鉆頭方面

由于444.5mm 鉆頭的用量少于常規(guī)的215.9mm、311.2mm鉆頭，對(duì)國(guó)產(chǎn)大直徑鉆頭的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，有著下列一系列難題：①較大型號(hào)鉆頭尺寸不完善，可挑選的型號(hào)較少，隨著444.5mm 鉆頭鉆井的深度不斷增加，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致大尺寸鉆頭鉆遇不穩(wěn)定礫石巖層、研磨性較高的巖石體系，現(xiàn)階段國(guó)產(chǎn)鉆頭難以滿足對(duì)于深井鉆井的相關(guān)需求；②在一定情況下大尺寸PDC 鉆頭難挑選的問題，在一定程度上限制了大直徑鉆井設(shè)備使用程度[4]。

2.2 鉆井裝備制約

大直徑鉆井施工環(huán)節(jié)中，鉆井液泵、固控設(shè)備、鉆桿和鉆鋌等設(shè)備的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)效果制約了鉆速的提高。因?yàn)榇笾睆骄螌?duì)于排量需求量較高，一定要完全保障排量的穩(wěn)定性，但現(xiàn)場(chǎng)施工多數(shù)只配備了兩臺(tái)鉆井液泵，在一定程度上影響到了大直徑井段鉆井速率。對(duì)于新疆油田西4 井500～2500m 的444.5mm 井段統(tǒng)計(jì)，修泵停鉆的時(shí)長(zhǎng)約占有效鉆時(shí)的1/5，由于444.5mm 井眼每米進(jìn)尺的巖屑量是215.9mm 井眼的4.23 倍，所以對(duì)于固控設(shè)備的運(yùn)行能力形成了更大的需求，現(xiàn)場(chǎng)施工因固控設(shè)備復(fù)雜狀況的影響不斷疊加導(dǎo)致鉆井液性能差造成井下復(fù)雜發(fā)生。國(guó)內(nèi)缺少139.7mm、149.2mm 直徑以上的大鉆桿和254mm 以上的大鉆鋌，制約了鉆頭的水力能量和機(jī)械能量的發(fā)揮。

2.3 水力機(jī)械能不足

破巖機(jī)械能通過使用“比鉆壓”（鉆壓/鉆頭直徑×轉(zhuǎn)速）進(jìn)行測(cè)試[5]，因?yàn)殂@具的限制性，大直徑鉆頭上添加鉆井壓力不夠?，F(xiàn)場(chǎng)444.5mm牙輪鉆頭能夠添加的鉆壓和311.2mm 鉆頭基本一致，而444.5mm 井眼1m井深的破巖數(shù)值為311.2mm 井眼的2.04 倍,是215.9mm井眼的4.23倍。不同直徑鉆頭的破巖機(jī)械能量對(duì)比見表1。

通過表1能夠看出，444.5mm鉆頭的機(jī)械破巖僅僅在311.2mm鉆頭的70%范圍內(nèi)。在上部軟地層的井深深度機(jī)械破巖能較小，水力的因素影響程度明顯提升，機(jī)械破巖能對(duì)于鉆速的影響程度不穩(wěn)定。但跟隨著井深深度的不斷增加，地層漸漸轉(zhuǎn)化成為硬度大地層，大尺寸鉆頭機(jī)械鉆速能量不足的影響就越來越明顯[6]。

表1 不同直徑鉆頭的破巖機(jī)械能量對(duì)比

2.4 鉆井水力學(xué)

因?yàn)榫鄢叽绲牟粩嘣龃?，和正?15.9mm 井眼進(jìn)行對(duì)比，444.5mm井眼在水力數(shù)值、井底清潔效果以及巖屑攜帶能力上產(chǎn)生了一系列的變化，在一定程度上影響到了鉆井的速率。

2.4.1 水力參數(shù)對(duì)比

因?yàn)榇笾睆降你@眼深度需要大排量，現(xiàn)階段鉆進(jìn)大直徑井段所能夠運(yùn)用的鉆具依然使用在井眼215.9mm 以及311.2mm 的鉆鋌和鉆桿，鉆頭能夠利用的水功率不斷下降，所以，當(dāng)大直徑井段深井時(shí)在水馬力利用方面就存在著嚴(yán)重的不足，通過鉆進(jìn)不同尺寸井眼通常所使用的水力參數(shù)的對(duì)比計(jì)算進(jìn)行說明[7]。設(shè)定在2000m 的井深標(biāo)準(zhǔn)之下，使用127mm 鉆桿，鉆井液的密度為1.25g/cm3，塑性粘度為15mPa·s，不同尺寸井眼中的水力參數(shù)計(jì)算見表2。

表2 可見，444.5mm 與215.9mm 井眼比較，噴射速度僅為215.9mm 井眼的一半，井底比水功率僅十分之一。960kW 的水深功率84.6%（812kW）虧損在于循環(huán)壓耗上，僅僅留存著15.4%能夠直接產(chǎn)生效果，也正是因?yàn)樗δ芰康拇髶p耗程度，使清潔鉆頭的水力能量效率不斷下降，井底結(jié)構(gòu)以及清潔狀態(tài)十分不佳，在一定程度上干預(yù)到了鉆井速率。所以，需要將這種水力能源進(jìn)行優(yōu)化，大幅度加強(qiáng)水功率，是完善處理大直徑鉆井問題的最好方式。

2.4.2 井底和鉆頭的清洗

在鉆井的環(huán)節(jié)中，要是不能夠做好井下的清潔工作，就容易出現(xiàn)井底及鉆頭泥包的情況。井底泥包是一部分巖屑在破碎后未有及時(shí)有效清除，在井底壓差的作用下壓持在井底，阻止鉆頭牙齒與井底未破碎地層的直接接觸，產(chǎn)生重復(fù)破碎。鉆頭泥包是其中一部分巖屑還留存在刀翼之間，并且在與地層接觸以及施加鉆壓的過程中，不容易輕易清除的現(xiàn)象。所以噴射鉆井的重點(diǎn)在于鉆頭的清潔工作以及維護(hù)效果，需要保障井底的干凈，防止產(chǎn)生重復(fù)切削等情況[8]。

2.4.3 巖屑攜帶能力

不同尺寸井眼中，環(huán)空上返速度大小不同，鉆機(jī)液的巖屑攜帶能力不同，計(jì)算表明在相同鉆井液條件下，不同尺寸井眼中對(duì)粒徑為8mm 的巖屑顆粒的舉升效率差別很大,而且對(duì)于不同的環(huán)空上返速度，鉆井液所能攜帶出來的巖屑的最高直徑（及巖屑舉升效率為0.5時(shí)對(duì)應(yīng)的巖屑粒徑最高直徑）也有很大的差異,不考慮井徑擴(kuò)大，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 可見，跟隨著井眼的直徑不斷增大，環(huán)空上返速率大幅減小，巖屑的舉升速率不斷下降，攜帶巖屑的最高直徑也不斷降低。上部井段的礫石層和含礫石井段，攜帶巖屑最高直徑的降低，代表這需要在一定程度上將井底顆粒物質(zhì)進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間的破碎，只有當(dāng)?shù)[石墊層被破碎至鉆井液攜帶出，才能形成新的進(jìn)尺。

3 大直徑井段高效洗井破巖技術(shù)

按照理論分析，能夠清晰地看出制約大直徑井段鉆井技術(shù)的明顯問題為鉆具、鉆頭、設(shè)備與鉆井工藝不能夠進(jìn)行適配，所以，處理這項(xiàng)問題的最好方式就是進(jìn)行鉆井工藝及設(shè)備的優(yōu)化配套。

3.1 完善大尺寸鉆頭系列、加強(qiáng)鉆頭選型

精準(zhǔn)選擇并使用鉆頭，按照巖層的特質(zhì)，改善鉆頭的整體結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)大直徑PDC 鉆頭的研究，研制新型的444.5mm鉆頭，加強(qiáng)鉆頭穩(wěn)定性，保障鉆頭的合理建成工藝，既有適應(yīng)大鉆壓的低速滑動(dòng)軸承牙輪鉆頭，也有能適應(yīng)中速和高速的滑動(dòng)或滾動(dòng)軸承牙輪鉆頭，同時(shí)加強(qiáng)攻擊性、穩(wěn)定性更好的PDC鉆頭。

3.2 提高鉆井裝備配套

鉆井現(xiàn)場(chǎng)配三臺(tái)鉆井泵保證雙泵鉆進(jìn)，降低修泵的時(shí)效，提高鉆井時(shí)效，提高井底和鉆頭的凈化能力，保證井眼的凈化。循環(huán)系統(tǒng)配備高頻振動(dòng)篩、高密度鉆井液所用的離心設(shè)備，完善地將固相含量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制，不但能夠加強(qiáng)鉆井速率，也能降低鉆井設(shè)備的損傷，防止井下復(fù)雜的產(chǎn)生。

3.3 使用大尺寸鉆鋌、鉆桿強(qiáng)化水力參數(shù)

較硬的地層中鉆進(jìn)，提高鉆壓是必要手段，當(dāng)444.5mm 鉆頭的比壓提高到215.9mm 和311.2mm 鉆頭的20kN/in 的水平時(shí)，總鉆壓將達(dá)350kN，國(guó)外大尺寸牙輪鉆頭均在此鉆壓下使用，而國(guó)內(nèi)卻很少采用如此高的鉆壓鉆進(jìn)，其原因是國(guó)內(nèi)不使用10″及之上的大尺寸鉆具。現(xiàn)階段基本上使用127mm內(nèi)加厚鉆桿，在50～60L/s 的鉆井排量下大部分水力能量都消耗在鉆桿內(nèi)，如使用139.7mm或168.3mm鉆桿，則能夠在一定程度上釋放水能量，加強(qiáng)噴射力度，2500m不同鉆桿的沿程壓耗對(duì)比見表4。

表4 2500m不同鉆桿的沿程壓耗對(duì)比

按照運(yùn)算能夠看出，對(duì)于2500m深444.5mm井眼，排量50L/s，采用139.7mm與168.3mm鉆桿，與127mm鉆桿進(jìn)行對(duì)比水能量的損耗分別降低并能夠維持在9.3MPa 和13.7MPa，提升井底的水功率數(shù)值分別為465kW 和685kW，水功率的使用率能夠通過之前的15.4%加強(qiáng)到60%～70%，因?yàn)樗β氏某潭炔粩嗫s減，能夠?yàn)樘嵘龓r屑的攜帶程度提供有利條件。所以，采用大尺寸鉆桿，解放水力能量，是解決大直徑井段鉆井問題的首要措施。

3.4 合理使用噴嘴組合改善井底清洗

在提高井底水功率的條件下，不斷優(yōu)化水力數(shù)值，改變井底的凈化效率，穩(wěn)定提升排量，加強(qiáng)攜砂能力；并且利用組合噴嘴、加長(zhǎng)噴嘴、斜噴嘴和中心噴嘴等多種方式，清除井底死角，充分發(fā)揮水力清巖和輔助破巖的作用[9]。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）改進(jìn)鉆頭設(shè)計(jì)，完善大尺寸鉆頭系列，加強(qiáng)鉆頭合理選型，采用優(yōu)質(zhì)鉆頭，配合減速器渦輪鉆具，提高機(jī)械鉆速。

（2）提高鉆井裝備的配套能力，強(qiáng)化水力參數(shù)，采用大尺寸鉆桿、大尺寸鉆鋌，降低沿程壓耗，解放水力能量，強(qiáng)化水力參數(shù)及鉆井參數(shù)改善井底清洗狀況。

（3）采用中鉆速大扭矩的井下動(dòng)力鉆具，優(yōu)化鉆井液性能，保證井下安全，預(yù)防鉆頭泥包，有利于提高機(jī)械鉆速。