龍鳳山氣田中基性火山巖鉆井提速提效技術

摘? ?要： 針對龍鳳山氣田下部火石嶺組中基性火山巖儲層鉆井機械鉆速慢、鉆井周期長的難題，開展鉆井提速提效技術研究。對金剛石復合片（PDC）鉆頭復合片側傾角、鉆頭出露高度、鉆壓設定及測定方法等進行調(diào)整，形成優(yōu)化的巖石可鉆性級值評價方案;結合工區(qū)工程地質(zhì)條件、巖石破碎機理和破巖鉆頭應用特點，對原有鉆井技術的適應性進行評價，形成適用于火山巖儲層的、鉆頭和螺桿性能適合各個井段的鉆井提速提效技術。在以滑動鉆進為主的井段，采用牙輪—PDC混合鉆頭，在以滾動鉆進為主的井段，采用PDC鉆頭，并配套等應力螺桿進行鉆井提速。技術應用后，單只鉆頭平均進尺提高35.11%，機械鉆速提高25.35%。

關鍵詞： 龍鳳山氣田;火山巖;巖石可鉆性級值;鉆井提速提效;金剛石復合片（PDC）;鉆頭平均進尺

中圖分類號：TE242? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2095-8412 （2020） 05-125-07

工業(yè)技術創(chuàng)新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.05.023

引言

龍鳳山氣田位于吉林省長春市西北方向約120 km、長嶺縣西南方向約20 km處的前七號鎮(zhèn)。構造上，該氣田位于松遼盆地長嶺斷陷龍鳳山鼻狀構造帶，本區(qū)儲層主要為火石嶺組中基性火山巖。通過近五年的研究及探索，在龍鳳山工區(qū)上部碎屑巖地層，有效的鉆完井配套工藝技術已經(jīng)形成，鉆井機械鉆速慢、鉆井周期長等問題得以解決[1-3];在工區(qū)下部的火石嶺組中基性火山巖儲層，地層平均進尺為1 239 m，占全井的30%，鉆井周期為38 d，占全井的61%（不包含完井時間），是鉆井提速的重點井段，但地層研磨性強、可鉆性較差，使得機械鉆速偏低，目前尚無對該儲層的針對性研究。

為此，本文以龍鳳山工區(qū)下部火石嶺組中基性火山巖為研究對象，以地層巖石可鉆性為依據(jù)，結合巖石破碎機理和破巖鉆頭應用特點，完成現(xiàn)有技術的適應性評價，進而形成了火山巖配套提速提效關鍵技術，為其他相似工程地質(zhì)條件下的鉆井提速提效提供有益借鑒。

1? 地層巖石可鉆性研究

準確認識地層巖石可鉆性級值，對優(yōu)選鉆頭等配套工具、提高地層層段的機械鉆速具有重要意義。地層巖石可鉆性級值可通過實驗方法確定[4-6]。經(jīng)過多次實驗，本文在現(xiàn)有實驗方法[7]的基礎上為可鉆性級值高于7級的地層提出一種新方案，基礎數(shù)據(jù)精確度更高，鉆頭選型指導意義更強。

1.1? 原實驗方法主要存在的問題

（1）金剛石復合片（PDC）測試鉆頭復合片側傾角為15°不合理。實驗中發(fā)現(xiàn)：未鉆達規(guī)定深度前，PDC側面與巖石存在干涉現(xiàn)象。如圖1a所示，PDC側面會承擔部分鉆壓，使得鉆頭的實際鉆壓低于規(guī)定鉆壓，鉆進越深，干涉越嚴重，對于高強度巖石，通常難以鉆達規(guī)定深度，影響測試結果的準確性。此外，凹臺會在一定程度上發(fā)生破壞，如圖1b所示。

（2）PDC安裝后外凸出鉆頭體的尺寸是44 mm不合理。該尺寸正好是實驗規(guī)定鉆深，會影響實驗結果。

（3）原實驗沒有規(guī)定PDC的切削刃倒角參數(shù)。實驗研究表明，該參數(shù)對巖石可鉆性測試結果影響顯著。

（4）根據(jù)巖石可鉆性測定方法，原實驗中PDC鉆頭分攤到每個PDC的平均鉆壓僅為250 N，低于中硬巖石的“門限鉆壓”，常常出現(xiàn)PDC無法有效壓入巖石的問題，導致其長時間在鉆窩里打滑，不能鉆達規(guī)定鉆深，使得巖石可鉆性級值測試結果偏高。

1.2? 新實驗方法主要改進措施

（1）PDC鉆頭復合片側傾角由15°減少到5°。經(jīng)過模型構建與模擬計算分析，在側傾角為55°、后傾角為20°的情況下，在鉆達44 mm鉆深之前，PDC始終處于正常切削狀態(tài)，復合片內(nèi)側面和外側面均不會與巖石接觸，不會分配鉆壓。

（2）將PDC測試鉆頭的PDC在安裝后高出鉆頭本體的出露高度由4 mm調(diào)整至5 mm。

（3）將500 N固定鉆壓優(yōu)化為3級鉆壓。1級鉆壓（500 N），2級鉆壓（1 000 N），3級鉆壓（2 000 N），滿足不同強度試樣測定要求。

（4）修改鉆壓測定方法。對于測定試樣，首先采用第1級鉆壓測定，如果128 s以內(nèi)未鉆達規(guī)定深度，則采用第2級鉆壓測定;如果第2級鉆壓下128 s以內(nèi)未鉆達規(guī)定深度，再采用第3級鉆壓測定;如果第3級鉆壓下128 s以內(nèi)仍未鉆達規(guī)定深度，則測試終止。按照確定的測試鉆壓，測試三次以上。

1.3? 巖石可鉆性級值實驗測定結果

對北213井3 521～3 524 m井段、北216井3 677～3 681 m井段進行巖心取樣，通過TerraTek巖石力學參數(shù)測試儀、巖石可鉆性測試儀開展相關實驗。對7塊全直徑巖心、牙輪鉆頭和PDC鉆頭進行了一共21組可鉆性實驗，檢測結果如表1所示。

2? 現(xiàn)有技術地層適應性評價

2.1? PDC鉆頭適應性評價

PDC鉆頭利用剪切方式破巖，在適應地層中具有機械鉆速快、進尺高、鉆壓較小的特點，但是PDC鉆頭的金剛石層只有2 mm左右，金剛石含量較低。如圖2所示的PDC鉆頭破巖分析，對于高研磨性地層來說，PDC鉆頭的復合片容易脆裂并磨損失效，使其壽命短、進尺低。

龍鳳山氣田火石嶺組可鉆性較好，PDC鉆頭可鉆性級值主要分布在5級左右，且地層含礫情況不突出、研磨性不高，現(xiàn)場鉆進過程中未出現(xiàn)明顯憋跳鉆現(xiàn)象，PDC的磨損基本為正常磨損。

統(tǒng)計了北213和北216兩個井區(qū)中基性火山巖PDC鉆頭應用情況，如表2所示?？梢钥闯?，PDC鉆頭在龍鳳山中基性火山巖適應性很好，單只鉆頭平均進尺412.8 m，平均機械鉆速4.34 m/h。

2.2? 牙輪—PDC混合鉆頭適應性評價

牙輪—PDC混合鉆頭同時發(fā)揮PDC鉆頭具有優(yōu)勢的切削破巖機理及牙輪鉆頭特有的沖擊破碎機理。牙輪切削齒形成不連續(xù)的齒坑，對巖石產(chǎn)生預破碎;PDC切削齒通過切削作用，將牙輪切削齒形成的不連續(xù)的齒坑連通，從而形成完整的破碎環(huán)帶，使得混合鉆頭在硬塑性地層中具有較高的機械鉆速[8-9]。混合鉆頭破巖機理分析如圖3所示。

混合鉆頭鉆遇硬夾層時，扭矩波動平穩(wěn)程度明顯好于PDC鉆頭，較小的扭矩波動可保持井底工具運行相對平穩(wěn)，同時提高鉆頭操控性，有助于工具面穩(wěn)定，適合在軟硬交錯頻繁的地層及定向作業(yè)中應用。

龍鳳山水平井定向段混合鉆頭和PDC鉆頭的使用指標對比如表3所示。龍鳳山水平井定向段混合鉆頭單只平均進尺302 m，平均機械鉆速4.09 m/h;PDC鉆頭單只平均進尺167.8 m，平均機械鉆速3.03 m/h。在水平井定向段，混合鉆頭進尺較PDC鉆頭提高79.98%，機械鉆速較PDC鉆頭提高34.98%。

龍鳳山中基性火山巖水平井造斜段深度主要在3 100～3 600 m。根據(jù)表4進行計算可知，采用混合鉆頭，造斜段單井周期較PDC鉆頭縮短2.5 d，投資較PDC鉆頭節(jié)約27.1 萬元。

在龍鳳山中基性火山巖直井段，混合鉆頭和PDC鉆頭的使用指標對比如表5所示?；旌香@頭單只平均進尺234.6 m，平均機械鉆速3.68 m/h;PDC鉆頭單只平均進尺545.2 m，平均機械鉆速6.02 m/h。在直井段，PDC鉆頭進尺較混合鉆頭提高1.32倍，機械鉆速較混合鉆頭提高63.59%。因此在直井段，混合鉆頭的使用效果不如PDC鉆頭。

在龍鳳山中基性火山巖水平段，混合鉆頭和PDC鉆頭的使用指標對比如表6所示?；旌香@頭單只平均進尺347 m，平均機械鉆速4.49 m/h;PDC鉆頭單只平均進尺408.25 m，平均機械鉆速4.5 m/h。因此在水平段，PDC鉆頭進尺較混合鉆頭提高17.58%，機械鉆速基本持平。

2.3? 綜合適應性分析

通過對PDC鉆頭和牙輪—PDC混合鉆頭的破巖機理以及鉆頭應用情況對比，在本區(qū)目前常用的提速提效技術中，對直井、定向井穩(wěn)斜段和水平井水平段采用PDC鉆頭提速效果最佳，對造斜段采用牙輪—PDC混合鉆頭提速效果最佳。

3? 高效鉆頭及動力鉆具優(yōu)選

3.1? 高效鉆頭優(yōu)選

根據(jù)中基性火山巖室內(nèi)實驗結果、破巖原理以及現(xiàn)場應用效果，聚焦于PDC鉆頭的應用，得到PDC鉆頭主體結構、可鉆性與地層的對應關系，如圖4所示。

3.2? 動力鉆具優(yōu)選

目前，與PDC鉆頭配套的常用輔助破巖工具有扭力沖擊器、螺桿鉆具、等壁厚螺桿鉆具以及等應力螺桿。

在龍鳳山工區(qū)復合鉆進過程中，由于扭矩平穩(wěn)，無明顯粘滑現(xiàn)象，因此扭力沖擊技術提速優(yōu)勢不明顯，其相較于螺桿鉆進，輸出轉(zhuǎn)速反而降低，適應性不強。

螺桿鉆具通過將鉆井液的水動力轉(zhuǎn)化成額外的轉(zhuǎn)速提供給PDC鉆頭，再輔以轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，使PDC鉆頭能夠在200 r/min以上的較高轉(zhuǎn)速下進行工作，既低于目前PDC鉆頭極限轉(zhuǎn)速300 r/min，不使鉆頭快速磨損，又能提供較高的動力，發(fā)揮出高速剪切破巖的優(yōu)勢。龍鳳山氣田鉆井主要采用該項技術，在以往PDC配合螺桿的復合鉆井基礎上提速10%。

等壁厚螺桿的基本結構與普通螺桿相同，在普通螺桿的基礎上，馬達定子被加工成與配套轉(zhuǎn)子相同的螺旋槽。如圖5所示，橡膠與定子內(nèi)表面的粘接面積增加了50%以上，與常規(guī)螺桿相比具有穩(wěn)定性好、扭矩大、轉(zhuǎn)速高、壽命長的特點[10]。

等應力螺桿[11-12]利用流固耦合技術建立等應力預輪廓螺桿馬達。如圖6所示，該馬達在等壁厚馬達橡膠應力幅值大的部位適當增大壁厚，降低該部位的應力幅值，從而提高定子的疲勞壽命。改進后，應力極差降低28%，應力幅值降低44%。

三種螺桿鉆具主要機械參數(shù)如表7所示。通過對比能夠得出：在轉(zhuǎn)速、工作扭矩、最大扭矩以及功率這四個參數(shù)方面，常規(guī)螺桿鉆具性能最低，等應力螺桿性能最高。

對于龍鳳山氣田二開311.2 mm井眼，其平均進尺在1 900 m左右，普通螺桿性能參數(shù)較低，單只螺桿鉆進深度一般在1 700 m左右，需要增加1趟起下鉆。針對這一情況，于北203井實驗應用等壁厚螺桿技術，進尺1 850 m完成二開，成功實現(xiàn)1趟鉆的完鉆。螺桿出井后，壓降變化不大，可繼續(xù)入井使用。

在北213-6HF井對等應力螺桿進行了實驗，與常規(guī)螺桿鉆進速度對比如表8所示。普通螺桿配套PDC 鉆頭平均進尺412.8 m，純鉆時間95.1 h，機械鉆速達到4.34 m/h。等應力螺桿配套PDC鉆頭進尺558 m，入井時間102.5 h，機械鉆速達到5.44 m/h，進尺較普通螺桿配套PDC鉆頭提高35.11%，機械鉆速較普通螺桿配套PDC鉆頭提高25.35%。由于等應力螺桿配套PDC鉆頭在鉆達設計中從井深起鉆，使得等應力螺桿入井僅耗時102.5 h，且井口試運轉(zhuǎn)正常，故仍可再次入井使用。

5? 結論與建議

本文針對龍鳳山工區(qū)下部火石嶺組中基性火山巖機械鉆速慢的難題，開展了鉆井提速提效技術研究。以可鉆性為依據(jù)，結合巖石破碎機理和破巖鉆頭應用特點，完成了現(xiàn)有技術適應性評價，得到了以下結論及建議：

（1）對原實驗方法得到的可鉆性級值高于7級的地層，采用新實驗方法進行了實驗，得到了新的地層巖石可鉆性等級，基礎數(shù)據(jù)精確度更高，鉆頭選型指導意義更強。

（2）對于龍鳳山氣田中基性火山巖地質(zhì)條件而言，在以滑動鉆進為主的井段，宜采用牙輪—PDC混合鉆頭，在以滾動鉆進為主的井段，宜采用PDC鉆頭，并配套等應力螺桿進行鉆井提速提效。

（3）后續(xù)建議在造斜段采用牙輪—PDC混合鉆頭配套等應力螺桿進行現(xiàn)場實驗，進一步完善鉆井提速提效配套技術適應性評價。

基金項目

中國石化科技部項目：龍鳳山氣田鉆完井提速提效工藝技術研究（編號P15109）。

參考文獻

[1] 張東清. 龍鳳山氣田北209井鉆井提速技術[J]. 石油鉆探技術， 2016， 44（4）： 22-26.

[2] 褚奇， 李濤， 王棟， 等.龍鳳山氣田強抑制封堵型防塌鉆井液技術[J]. 鉆井液與完井液， 2016， 33（5）： 35-40.

[3] 馬艷超. 龍鳳山氣田易漏失井固井工藝技術研究與應用[J]. 探礦工程： 巖土鉆掘工程， 2017， 44（6）： 58-61.

[4] 鄒德永， 徐城凱， 易楊， 等. PDC鉆頭布齒參數(shù)與地層適應性的試驗研究[J]. 天然氣工業(yè)， 2017， 37（9）： 85-90.

[5] 閆吉曾. 紅河油田地層可鉆性研究與鉆頭優(yōu)選[J]. 探礦工程： 巖土鉆掘工程， 2018， 45（6）： 63-66.

[6] 趙希春， 邵東亮， 黃少華， 等. 手動巖石可鉆性測試儀的研制[J]. 石油管材與儀器， 2017， 3（4）： 57-58.

[7] 國家石油和化學工業(yè)局. 巖石可鉆性測定與分級方法： SY/T 5426-2000[S]. 北京： 石油工業(yè)出版社， 2000.

[8] 許京國， 陶瑞東， 鄭智冬， 等. 牙輪—PDC混合鉆頭在迪北103井的應用試驗[J]. 天然氣工業(yè)， 2014， 34（10）： 71-74.

[9] 劉強， 賀明敏， 黃媚. 川中須家河組牙輪—PDC混合鉆頭鉆井提速實踐[J]. 鉆采工藝， 2016， 39（6）： 7-10.

[10] 邵增元， 關勤勤， 劉軼溟. 螺桿馬達定子襯套結構設計優(yōu)化[J]. 石油工程建設， 2018， 44（6）： 24-26.

[11] 黃玉文， 張德龍. Ф89mm等壁厚螺桿鉆具實驗分析[J].探礦工程： 巖土鉆掘工程， 2016， 43（11）： 63-66.

[12] 郝榮明， 王鑫， 蘇山林. 等壁厚螺桿鉆具橡膠襯套設計分析和試驗[J]. 石油礦場機械， 2013（5）： 74-78.

作者簡介：

黃乘升（1973—），通信作者，男，江蘇鎮(zhèn)江人，中石化華東石油工程有限公司六普鉆井公司經(jīng)理。研究方向：鉆井工程技術與管理。

E-mail： 183700731@qq.com

（收稿日期：2020-07-27）