牙輪、PDC鉆頭配合在營6-平12井軌跡控制中的應用

管錫斌

1長江大學石油工程學院，湖北省荊州市 434023

2勝利鉆井工程技術公司定向井公司定向三隊，山東省東營市 257064

牙輪、PDC鉆頭配合在營6-平12井軌跡控制中的應用

管錫斌1.2

1長江大學石油工程學院，湖北省荊州市 434023

2勝利鉆井工程技術公司定向井公司定向三隊，山東省東營市 257064

PDC鉆頭在定向井成功應用，可以大大提高機械轉速，但由于PDC鉆頭在結構與鉆進參數上的特殊性，造成了定向井中井眼軌跡控制方面上的難度；牙輪鉆頭恰恰相反，雖然在軌跡控制上更容易，但是其機械鉆速卻不能與PDC鉆頭同日而語。營6-平12井根據牙輪、PDC鉆頭的不同特點在現場施工過程中靈活配合使用,加之技術保證措施正確,各方面配合密切,取得了較好的經濟效益和社會效益。

牙輪；PDC；特點；軌跡控制；機械鉆速

1.牙輪鉆頭和PDC鉆頭的特點及規律

1.1 牙輪、PDC鉆頭特點

三牙輪鉆頭破巖以壓碎和沖擊破巖為主,牙輪在井底滾動時伴隨產生一定的剪切破巖。所以三牙輪鉆頭時應用大鉆壓、低轉速的參數組合。

PDC鉆頭破巖是以剪切破巖為主 ,并伴隨少量的壓碎破巖。這一破巖機理決定了在使用PDC鉆頭時應用小鉆壓、高轉速的參數組合。

由于PDC鉆頭的破巖特點決定了 PDC鉆頭所適應的地層應是軟到中硬地層 ,且巖性均質、脆性較大。一般的地層剪切強度要小于抗壓強度,剪切破碎的巖石體積大于 PDC切削塊的吃入體積 ,且PDC鉆頭沒有牙輪鉆頭的壓持效應,所以在 PDC鉆頭適應的地層,其機械鉆速比三牙輪的機械鉆速明顯提高。[1]

由于鉆壓的差異，進行復合鉆進時采用牙輪鉆頭往往會產生明顯的增斜效果，而使用PDC鉆頭卻是穩斜甚至降斜效果。但是在剛開始定向時，由于PDC鉆頭與牙輪鉆頭相比在破巖機理、鉆進參數的特點，往往難以控制，而且由于其對鉆壓的超敏感性，只要鉆壓稍大或稍小，工具面都會跑，給定向施工帶來一定的困難，所以在定向時很多井隊都喜歡使用牙輪鉆頭，這點也是牙輪鉆頭和PDC鉆頭相比獨特的優勢。

1.2 工作規律

在總結現場施工的經驗時，我們發現使用PDC鉆頭鉆進時，井眼方位飄移遵循以下規律：

1、井斜角越大，井眼方位飄移量越小；井斜大于15°時，井眼方位比使用牙輪鉆頭穩定。

2、提高轉速，可使井眼方位左漂趨勢減弱，甚至出現右漂。

2.營6-平12井軌跡控制

2.1 營6 -平12井基本數據

2.2 井眼軌跡控制的技術難點

1、本井為水平井，施工難度大，不可預見性因素較多。

2、中靶難度大。該井靶半高要求僅為上下0.5m,靶半寬為左右5 m,中靶難度的增大對井斜控制提出了更高的技術要求。

3、防斜打直段長，防碰井較多。對于水平井來說,直井段的井身質量要求十分嚴格,一旦井斜或井底位移超標,就會對以后造斜段和水平段的井眼軌跡控制造成很大的困難。而該井直井段長約2420 m,所以需采取有效的防斜打直技術措施予以保證。本井為老區開發井，臨井較多，防碰情況較為復雜，加強實時監控，勤做防碰掃描，加密測點，以求提高測量精度。在直井段即要求進行繞障，如不進行繞障，直井段距離營6-斜29井最近距離0.24m。

4、本井上部地層松軟，地層造斜能力差，且是在大尺寸井眼鍛造斜，因此造斜難度較大。

5、井身軌跡撓度變化大,鉆具在井內多處彎曲,導致摩阻和扭矩增加,鉆壓不易傳遞至鉆頭,突然釋放摩阻或扭矩時,將會損壞鉆頭,大大降低鉆頭壽命。

2.3 井眼軌跡控制

本井全井使用動力鉆具，為做好軌跡控制，根據鉆具鉆進的效果合理選擇施工措施，調整好滑動鉆進與復合鉆進的比率，保證井眼軌跡的平滑，為后期水平段的延伸做好前期降摩工作。

1、二開井段軌跡控制：

(1)、二開直井段351.00～2422m,地層是明化鎮組～沙三段，設計要求井斜角＜45′。

由于直井段既要節約施工時間，又要保證井斜要求。所以利用PDC鉆頭機械鉆速的優勢，在二開直井段采用PDC鉆頭加低度數動力鉆具的組合，如下：Ф311. 20mmPDC鉆頭*0.40m+Ф197.00mm*1. 25°動力鉆具*8.42m+631×630回壓凡爾*0.46m+631×630定向接頭*0.58m+Φ 203.20mm無磁鉆鋌*8.00m+Φ203.20mm鉆鋌*17.40m +631×410配合接頭*0.49m+ Ф177.80mm無磁鉆鋌*8.99m+Φ177.80mm鉆鋌*42.77m+Φ127.00mm斜坡鉆桿*343. 58m+Φ127.00mm加重鉆桿*135.49m +Φ 127.00mm鉆桿。

在復合鉆進過程中保持鉆壓30～40KN，泵壓：8～10MPa。其間測得一點井斜1.01°，超過設計小于45′的要求。為防止井斜角繼續增大，對下面的造斜段和水平段產生更大的負面影響，及時采取了吊打鉆進的措施，將鉆壓減為20KN，井斜角糾正回0.27°，滿足設計要求。PDC鉆頭的高機械鉆速在直井段發揮得淋漓盡致，即使在吊打過程中也高效的完成任務。

(2)、二開繞障段800～900m，井斜5°，方位270°，狗腿10°/100m。

在二開繞障段利用三牙輪鉆頭在定向時對工具面的相對穩定性，再加上上部地層松軟，造斜能力差，為滿足5°的設計井斜要求，選擇1.50°動力鉆具。鉆具組合如下：Ф311.20mmHAT127鉆頭*0.25m+ Ф197.00mm*1.50°動力鉆具*8. 49m+631×530配合接頭*0.48m+531× 630定向接頭*0.38m+Φ203.20mm無磁鉆鋌*8.00m+631×410配合接頭*0.49m+ Φ177.80mm無磁鉆鋌*8.99m+Ф127. 00mm加重鉆桿*135.49m+Ф127.00mm鉆桿。

為防止狗腿過大超過設計要求，并考慮到地層松軟等原因，在730m即開始定向繞障，保持鉆壓40～50KN，泵壓8～10Mpa。繞障過程中，沒有出現明顯的因地層松軟不起斜的現象，所以不采用整單根定向的方法，改為半定半轉，定轉結合，效果較好，在793m達到井斜5.02°，方位271°。牙輪鉆頭的穩定性在造斜過程中表現突出，工具面基本穩定在要求范圍內，上下波動不超過10°。

繞障成功后，為及時修正井斜和方位，再次利用牙輪鉆頭的穩定性配合1.75°動力鉆具組合如下：Ф311.20mmHAT127鉆頭*0. 25m+Ф197.00mm*1.75°動力鉆具*8. 41m+631×530配合接頭*0.48m+531×630定向接頭*0.38m+Φ203.20mm無磁鉆鋌*8. 00m+631×410配合接頭*0.49m+Φ177. 80mm無磁鉆鋌*8.99m+Ф127.00mm加重鉆桿*135.49m+Ф127.00mm鉆桿。

鉆壓20～50KN，泵壓8～10MPa，根據設計為保證方位角不變化，井斜糾正回0°，900m開始回扣井斜，在角差量取計算準確的前提下，工具面擺置全降井斜。為避免狗腿超過5°/100m的設計要求，仍然采取定轉結合的方法。牙輪鉆頭的穩定性再次凸顯出來，至井斜回復0°，方位角的變化在4°以內。

2、三開井段軌跡控制：

(1)、三開直井段2422～2460m。地層進入沙三段，要求井斜角＜ 45′，優選參數，提高機械鉆速。

因為設計中明確要求提高機械鉆速，所以在施工過程中采用如下鉆具組合：Φ 215.90mmPDC鉆頭*0.30m+Φ172. 00mm*1.50°動力鉆具*7.84m+431*4A10配合接頭*0.50m +Φ158.80mm無磁鉆鋌*8.81m+4A11*410配合接頭*0.50m +Φ 177.80mm懸掛短節*4.72m+Φ127.00mm無磁承壓鉆桿*9.27m +Φ127.00mm加重鉆桿*128.00m+Φ127.00mm。

由于此直井段長度較短，并且二開直井段井斜控制較好，所以在快速鉆進的過程中井斜沒有出現較大偏差。

(2)、三開造斜段2460～2909.29m 。地層沙三段，井斜角：0～88.27°。

由于PDC鉆頭在此深度定向時，工具面不穩定性非常明顯，所以改為牙輪鉆頭配合1.50°動力鉆具的組合如下：Φ215. 90mmHAT447鉆頭*0.30m+Φ172. 00mm*1.50°動力鉆具*7. 46m+431*4A10+配合接頭*0.40m +Φ 212.00mm扶正器*0.65m+4A11*410+配合接頭*0.50m +Φ177.80mmFEWD*7.06m +Φ177.80mm懸掛短節*4.72m+Φ127. 00mm無磁承壓鉆桿*9.27m +Φ127. 00mm鉆桿*429.41m+Φ127.00mm加重鉆桿*128.00m+Φ127.00mm鉆桿。

鉆壓控制在100～120KN，泵壓12～15MPa。轉高邊后在2530.67～2594.30 m 高邊工具面為60°～70°, 井斜已達27.2°，方位228.31°。在2594.30～2662.68m ,工具面處于80°～90°之間，方位緩慢調整至267. 01°,井斜已達40.39°,在后面的施工中根據LANMARK軟件的掃描數據實時監控井身軌跡做好防碰，隨鉆隨測監控井眼軌跡，根據實際情況采用滑動鉆進和復合鉆進兩種方式施工，隨時調整井斜方位，逐步逼近設計線直至入靶。

(3)、三開水平段2909.29～3206.62m。地層沙三段，井斜角：88.27°。

一般情況下,斜井段、入窗段以滑動鉆進為主 ,水平段以復合鉆進為主,且水平段巖性穩定 ,所以斜井段、入窗段以三牙輪鉆頭為主力鉆頭較好,水平段應用 PDC鉆頭提高鉆進效率、減少起下鉆時間。

因此，在進入水平段后，鉆具組合改為：Φ215.90mmPDC鉆頭*0.30m+Φ172. 00mm*1.25°動力鉆具*7.46m+431*410配合接頭*0.50m +Φ177.80mm懸掛短節*4.72m+Φ127.00mm無磁承壓鉆桿*9. 27m +Φ127.00mm鉆桿*429.41m +Φ 127.00mm加重鉆桿*128.00m+Φ127. 00mm。

控制鉆壓20～40KN，泵壓12～15MPa。少滑動多復合，微調整勤調整。順利完鉆。

3.認識總結

1)充分利用兩種鉆頭復合鉆進時的方位漂移規律，將原來傳統向左預留3～4°余量改為不留余量或向右留余量。

2)根據PDC鉆頭的在東營組和沙一段地層采用1擋低速鉆進時左漂、采用2檔高速鉆進時右漂的特點，采用1檔2檔交替鉆進的方式，可以有效控制方位飄移。

3)鉆井參數和鉆頭的優選是水平井施工中一個很重要的技術環節,在長造斜段和水平段的施工過程中,建議使用PDC鉆頭,以進一步節省鉆井成本。

4)FEWD儀器可以對巖性變化有效識別,但未能對其進行提前預測,而且由于增加了測斜零長井身軌跡控制的難度加大,不利于水平段滑動鉆進的施工,這是需要改進的地方。

[1]陳庭根，管志川.鉆井工程理論與技術.石油大學出版社.2000.8

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.15.018

管錫斌，山東科技大學學士，長江大學工程碩士，助理工程師。研究方向，鉆井工程，定向井跡控制。