提高小井眼機械鉆速技術研究

【摘要】小井眼鉆井技術可用于新探區及邊遠地區和復雜油氣區的第一口探井，以減少空井風險損失。本文從鉆頭機械破巖和水力破碎、小井眼用鉆頭的狀況、配套鉆井工具、以及壓差形成的壓持效應等方面分析了造成小井眼機械鉆速低的原因。總結和提出了提高小井眼機械鉆速的途徑和研究方法。

【關鍵詞】小井眼；經濟效益；機械鉆速；提高鉆速

1、小井眼機械鉆速低的原因分析

1.1 鉆柱的失效

鉆柱的失效。由于小井眼鉆桿重量的減輕使得鉆柱的機械性能比常規的要差。此外，由于鉆頭直徑的減小，就需要更高的轉速以維持牙輪的線速度，高的鉆頭速度可能會引起可靠性的問題。小井眼鉆井的另一個問題是工具接頭失敗。井涌監測對小井眼鉆井也是一個較困難的事情。因為侵入井筒小井眼環形空間的油層氣比常規井中充滿高得多，這導致在套管達到最大的允許壓力，并比在常規井更快地接近這個壓力。因此，有必要進行早期井涌監測，以保證安全井控。

1.2 破巖效率低。

對旋轉鉆井來說，機械能量主要以在鉆頭上所加鉆壓和鉆頭轉速二項指標的乘積來衡量。高壓噴射鉆井技術的廣泛應用，在鉆頭進尺和機械鉆速方面取得了優異的指標，也為快速鉆井開辟了廣闊的前景，噴射鉆井技術要求鉆井泥漿通過噴嘴的噴速不能小于80米/秒，而目前針對小井眼鉆井方面，這個要求顯得十分苛刻，主要原因是小井眼的循環壓耗遠遠高于鉆頭壓降。另外在鉆井技術上針對小井眼環空水力學以及管內水力學的認識還存在較大的分歧。

1.3 小井眼鉆具可選性小

常規井眼用的鉆桿和鉆鋌的剛度比小井眼大的多。 經過多年研究，常規井眼提高鉆井速度的鉆井工藝、鉆井工具及預防、處理常規井眼鉆井事故的工具等都有了突破性進展，但針對小井眼的實際情況，對如何進一步提高機械鉆速所需的獨特鉆井工藝、工具以及鉆井事故的處理等方面研究不夠。

1.4 鉆井液性能不全

環空間隙小有利于井眼的穩定，但需要使用相當高的當量鉆井液密度來保證。而使用固相含量較高的鉆井液時，易產生環空抽吸和壓差卡鉆等問題。同時小環空要求泥漿有更好的潤滑性能，以減少環空壓耗。在鉆井過程中，井底的凈化程度對鉆頭的工作指標有著十分重要的影響，最理想的情況是井底巖屑及時得到清除，鉆頭工作刃始終和新露出的巖層接觸，保持高效率的破碎以得到較高的機械鉆速。

2、提高小井眼鉆井機械鉆速的一些方法

2.1 合理選用鉆頭。

鉆頭的使用效果首先取決于鉆頭類型選擇得是否合理，就目前技術而言，鉆頭選型合理與否主要看地層與鉆頭是否相互匹配。在鉆頭選型時，通常根據所鉆地層巖性，選配軟硬程度與之相對應的鉆頭，這是目前現場普遍采用的定性鉆頭選型方法。其缺點是當對應地層的鉆頭類型較多或地層巖性未知時，就很難確定合適的鉆頭類型。

合理選用鉆頭的原則：對上部可鉆性較好的地層，主要以提高機械鉆速為目的。在深井段選用進尺較多的鉆頭。深井段鉆進主要考慮鉆頭的進尺和鉆頭與所鉆地層的匹配性。對研磨性強、堅硬的地層，選用保徑加強、圓錐形和球形齒鉆頭、針對特殊的地層巖性定制鉆頭。

2.2 使用雙心PDC鉆頭。

全尺寸PDC鉆頭不但有較好的韌性和耐磨性。還可以根據不同地層特點，設計切削齒形狀、尺寸、后傾角和布齒方案，提高鉆頭攻擊能力。

2.3 使用單牙輪鉆頭。

單牙輪鉆頭結構、破巖機理獨特，在牙輪繞牙輪軸相對轉動對井底巖石產生沖擊和壓入作用的同時，牙輪表面相對于井底還有很大的滑移運動，而且這種滑移運動在牙輪表面的各個部位上都不相同，使牙輪上每一顆牙齒在井底表面沿不同的軌跡滑移，對地層產生切削作用，形成具有網狀切削軌跡的井底模式，這種獨特的切削方式，提高了破巖效率，尤其特別有利于破碎因井下高圍壓和高鉆井液柱壓力產生脆/塑性轉化的巖石。

2.4 井下動力鉆具配合高效鉆頭

井下動力鉆具不僅可改善鉆柱受力狀況，減少鉆柱和套管的磨損和破壞等，還可提高鉆速。

2.4.1 使用螺桿鉆具。螺桿鉆具的優點是：具有低速大扭矩的硬特性；過載能力強、操作方便、結構簡單、鉆具較短，維修方便。螺桿鉆具能做成小尺寸鉆具（鉆具直徑僅38mm），適用于小井徑鉆井。

2.4.2 采用大功率串聯馬達和加長馬達。串聯馬達是指用一桿式連接總成串聯兩個常規馬達動力段所形成的馬達，其輸出功率和扭矩比常規馬達高50%；加長馬達是指含1.5個常規馬達動力段的馬達，其輸出功率和扭矩比常規馬達高25% 。這一成果也被成功運用到小井眼水平井中。

2.5 應用水力加壓器

水力加壓器是利用液壓原理給井底鉆頭施加恒定的設計鉆壓、推動鉆頭鉆進的一種新型井下工具。當鉆井液由于鉆具內流經工具的各級液缸又從鉆頭噴嘴流出后，因噴嘴的節流和阻尼作用，在缸筒內形成高壓區，缸筒與環空間的壓力差對水力加壓器的伸縮部分形成推力，給鉆頭加壓，同時產生一個向上的反作用力使懸重減少。

2.6 改善鉆井液潤滑性減少環空壓耗

在常規井眼中，泵輸出功率的90%消耗在鉆頭水眼及鉆桿水眼內，環空壓耗僅占10%左右。如果鉆頭按最大水馬力或最大沖擊力工作方式考慮，鉆頭水眼占67%或50%，鉆柱內壓耗占23%或40%，所以鉆柱內壓耗是環空壓耗的 2～4倍。而在小井眼中，水功率的分配關系發生了很大變化，一般環空壓耗要占總壓力損失的75%以上。

總之，導致小井眼機械鉆速低的因素是多方面的，因此要提高小井眼機械鉆速就需要認真研究其中的每一個因素，做到針對性的解決問題，同時兼顧其它。微觀上我們要做到認清鉆速低原因的本質原因，宏觀上我們要學會總結分析，運用個學科各領域的先進科學和技術工藝更好的為小井眼鉆井服務，更好的為提高小井眼鉆井速度服務。

3、結論及建議

應用水力加壓器可以改善小井眼鉆頭鉆壓低的問題，尤其是在小井眼側鉆井、水平井的鉆井過程中。 井下動力鉆具配合高效鉆頭可以提高小井眼鉆井速度，并且很好的減輕了鉆具與井筒相互作用，減少了井下復雜事故的發生。認真學習和實踐國內外小井眼鉆頭的高效應用實例，總結學習鉆頭選用經驗，同時為設計和制造更高性能的鉆頭作長期準備。 開展小井眼環空流變特性、流態及其轉變規律等小環空水力學研究，以便準確計算環空壓耗，同時對低摩阻鉆井液的研制提供科學參考數據。小井眼在儲層巖石力學結構均勻完整的情況下可嘗試利用欠平衡鉆完井，以提高鉆速，減少作業時間費用同時提高油氣井產量。小井眼固井質量難以保證。要更好的開展小井眼鉆井須加強擴眼（隨鉆）技術及工藝的研究及應用。