深部含礫地層液動旋沖工具鉆進技術探索

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(1.大慶油田 鉆井工程技術研究院，黑龍江 大慶 163413；2. 中國石油大慶鉆探工程公司 鉆井一公司，黑龍江 大慶 163413)①

大慶油田深部地層巖石地傾角大，可鉆性差，在縱向上存在砂泥巖互層且含礫巖層，機械鉆速低，且容易發生鉆頭失效、井斜嚴重等復雜情況，造成頻繁起下鉆。

液動旋沖工具作為大慶油田鉆井研究院自主研發的井下動力鉆具，通過鉆井液將錘頭沖擊力作用于鉆頭上。在周向上產生均勻穩定的高頻沖擊力，在較硬地層鉆進時，預先形成巖石裂紋，改善了PDC鉆頭的切削環境；在軸向上產生高頻水力加壓脈沖，提高了井底巖屑的清洗和運移，減少巖石重復切削，提高鉆頭切削效率。配合PDC鉆頭在砂泥巖地層應用取得了較好的提速效果，但在礫巖層段鉆進中，為防止PDC切削片崩齒，極少使用。

本文分析了制約大慶油田深層鉆井速度的因素，在鉆具組合優化、鉆井參數設計和鉆頭選擇等方面進行了探索與實踐，在深部含礫地層應用取得了較好的效果。

1 影響深部地層鉆井速度的主要因素

1.1 井斜嚴重

造成井斜的原因主要有兩方面，一是鉆頭與地層巖石相互作用方面，即地層存在傾角[1]和非均質性，使鉆頭受力不平衡，造成井斜；二是鉆柱力學方面，即下部鉆具組合不合理，使鉆具產生彎曲變形，加劇鉆頭偏斜[2]，導致鉆頭受力不平衡，造成井斜。

1.2 鉆頭適應性差

在深部礫巖層等巖性堅硬地層，要求鉆頭必須具有良好的耐磨性。在鉆頭破碎硬地層過程中，是非連續的剪切崩裂過程，井底巖石施加給鉆頭的作用力往往是忽大忽小、變化頻繁的沖擊力，加之液動旋沖工具的脈沖作用，要求鉆頭必須具有良好的抗沖擊能力，而抗耐磨和抗沖擊是相互矛盾的兩個方面，使鉆頭的選擇和使用受到很大限制，需要尋找其它高效鉆頭[3-6]。

1.3 鉆井參數不合理

長期以來，PDC鉆頭使用中強調“低鉆壓-高轉速”，這種做法僅適用于軟到中軟地層。在礫巖地層，“低鉆壓-高轉速”對鉆頭造成的損壞比“高鉆壓-低轉速”更嚴重，鉆頭能量不能充分發揮，破巖效率低。

2 提速關鍵技術

2.1 鉆具組合優選

根據液動旋沖工具現場施工參數，利用Landmark軟件，對各種鉆具組合的造斜率進行計算，得到不同鉆具組合與造斜率的關系曲線，如圖1。

圖1 鉆具組合與造斜率的關系

由圖1可知，隨著鉆壓的增加，液動旋沖工具配合雙鐘擺、光鉆鋌和塔式鉆具組合后，造斜率曲線呈上升趨勢，且造斜率較高，容易發生井斜；配合滿眼鉆具組合受鉆壓影響較小，在井斜嚴重時仍可采用大鉆壓鉆進，對提速有利，但井斜呈穩定或緩慢上升趨勢，不能用來降斜或靈活控制井斜大小。如果鉆井過程中由于各種原因造成井徑擴大，使穩定器失去有效支撐，將導致滿眼鉆具組合失敗，引起井斜急劇變化；配合單鐘擺鉆具組合不僅可用于降斜，也可用于增斜和穩斜，應用范圍較廣，但在井斜較嚴重的情況下，須采用小鉆壓鉆進，對鉆速不利。

綜合考慮糾斜、井下安全因素及大鉆壓加速鉆頭失效的影響，推薦選用單鐘擺鉆具組合。

2.2 鉆井參數優化

根據液動旋沖工具現場施工參數，建立了鉆壓指數、轉速指數、水力指數、鉆速系數與地層可鉆性級值之間的函數關系，如圖2。

圖2 巖石可鉆性與各項指數關系曲線

運用回歸分析方法，根據通用鉆速方程[7]，建立液動旋沖工具鉆速方程為

由旋沖工具鉆速方程，得到如下結論：

1) 二級以上地層的鉆壓指數a隨著kd的增大而增大，且均大于1，此值對鉆速快慢影響較大。在不影響井眼軌跡的條件下，應盡量增大鉆壓值。

2) 各級地層的轉速指數b隨著kd的增大而減小，且均小于1，其最小值大于0.6，此值對鉆速快慢的影響中等。在軟地層，為獲得較好的鉆進效果，可采用較高轉速鉆進。但在硬地層降低轉速勢在必行。

3) 各級地層的水力指數c隨著kd的增大而減小，且均小于0.5，其最小值為-0.007 4，五級值為0.253 1。此值對一至四級地層鉆速快慢影響較大，而對五至九級地層影響較??；而對十級地層其值約為“0”，水力參數僅有清巖作用[8]，故五級以上地層水力參數選擇，應以清巖作用為主。

4) 鉆速系數是指除上述各參數外其他因素對鉆速影響的綜合系數。該系數是kd的負冪函數，隨kd的增大而逐漸接近于“1”，故在深井鉆井中，其他因素對鉆速的影響可不予考慮。

2.3 鉆頭設計

1) 切削齒設計[9]。通過提高鉆頭切削齒金剛石含量，增強切削齒的耐研磨性和熱穩定性；通過改善切削齒PDC片與碳化鎢硬質合金柱之間的應力分布，降低殘余應力，提高切削齒的抗沖擊性能。

2) 鉆頭結構設計。根據地層巖石硬度，設計鉆頭冠部形狀、布齒密度、切削齒尺寸和切削齒后傾角[10-15]如表1，優化切削齒載荷、磨損特性。在易發生崩齒或磨損的刀翼肩部采用防碰節等保護結構。

表1 鉆頭設計參數

3 應用效果

以徐深6-303井為例，采用單鐘擺鉆具組合配合液動旋沖工具進行施工。該井2 700～3 200 m巖性以砂泥巖為主，3 200～3 600 m以礫巖、砂質礫巖為主，夾薄層深灰色泥巖，高研磨性砂巖。在上部軟地層，采用5刀翼長拋物線低密度階梯狀布齒的Tek Tonic鉆頭(如圖3)，刀翼采用前傾設計，選用?16 mm PDC切削齒，保持“低鉆壓-高轉速”鉆進。在下部含礫硬地層，采用8刀翼中短拋物線高密度螺旋布齒的Fuse TekTM鉆頭(如圖4)，選用?13 mm最新INFERNO系列PDC切削齒和孕鑲金剛石材料，將孕鑲鉆頭和PDC鉆頭完美融合在一起，抗研磨性更好。在鉆頭接近礫巖層段前20～30 m時，采取低鉆壓低轉速起動磨合鉆頭，防止鉆頭先期損壞，進入礫巖層后保持“中低排量、中低轉速、中高鉆壓”平穩鉆進，保證鉆頭在相對穩定的狀態下進行切削。

圖3 Tek Tonic鉆頭

圖4 Tek Tonic鉆頭

施工井段2 864.79～3 415.48 m，共550.69 m，施工2趟鉆，純鉆時間 176.4 h，平均機械鉆速3.12 m/h。與鄰井徐深606井相比，平均單趟鉆進尺提高1.45倍，平均機械鉆速提高1.62倍，節約1趟起下鉆，節約純鉆時間4.93 d。如表2所示。

4 結論

1) 通過鉆具組合優選，滿眼鉆具和單鐘擺鉆具均具有較好的穩斜效果，綜合考慮糾斜、井下安全因素及高鉆壓加速鉆頭失效的影響，推薦選用“液動旋沖工具+單鐘擺鉆具組合”。

2) 運用回歸分析方法建立液動旋沖工具鉆速方程，形成了軟地層“低鉆壓-高轉速”鉆進，礫巖層“低排量、中低轉速、中高鉆壓”平穩鉆進的鉆井參數優化方案。

表2 徐深6-303井液動旋沖工具使用情況

3) 基于地層及液動旋沖工具對抗沖擊能力的要求，對鉆頭切削齒及結構進行了設計，兼顧鉆頭的抗耐磨性和抗沖擊性。

4) 大慶油田鉆井研究院自主研發的液動旋沖工具，在深部含礫地層中同樣具有明顯的提速效果。

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