“孕鑲金剛石鉆頭+高速螺桿”技術(shù)在川東北致密地層應(yīng)用及效果分析

陳海峰，李凱賢

（中石化西南石油工程有限公司，四川成都610041）

“孕鑲金剛石鉆頭+高速螺桿”技術(shù)在川東北致密地層應(yīng)用及效果分析

陳海峰*，李凱賢

（中石化西南石油工程有限公司，四川成都610041）

川東北地區(qū)自流井珍珠沖段及須家河組地層可鉆性差，研磨性強(qiáng)。為提高破巖效率，降低鉆井成本，前期進(jìn)行了多井次的孕鑲金剛石鉆頭+螺桿的應(yīng)用研究，取得一定的提速破巖效果。YB12-1H井在總結(jié)前期使用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選用DIG259S和NR826M兩種國產(chǎn)孕鑲金剛石鉆頭以及5LZ216和CLZ216兩種型號國產(chǎn)高速螺桿，分別搭配使用進(jìn)行鉆頭和螺桿的選型研究。應(yīng)用結(jié)果表明，NR826M鉆頭搭配CLZ216螺桿具有較高的機(jī)械鉆速和純鉆時間。該鉆具組合在珍珠沖段地層，單趟進(jìn)尺191.32m，純鉆時間208.75h，平均機(jī)械鉆速0.92m/h，在須家河組平均機(jī)械鉆速達(dá)到1.01m/h，有效地提高了該區(qū)塊的純鉆時效，為元壩地區(qū)同類地層孕鑲金剛石鉆頭和高速螺桿的選型提供了良好的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

元壩；孕鑲金剛石鉆頭；高速螺桿；珍珠沖；須家河

元壩地區(qū)的自流井組和須家河組地層巖性堅(jiān)硬、石英含量高、研磨性強(qiáng)、部分井段含礫巖，可鉆性極差，前期一直以牙輪鉆頭常規(guī)鉆井為主，單趟入井純鉆時間短，機(jī)械鉆速低。為提高鉆井效率，先后采用了欠平衡鉆井、渦輪鉆井等鉆井技術(shù)，取得了一些進(jìn)步［1-4］。但是由于自流井及須家河組存在高壓油氣層，欠平衡鉆井井控風(fēng)險大，限制了該技術(shù)的應(yīng)用推廣；渦輪鉆井技術(shù)雖可大幅度地提高機(jī)械鉆速和純鉆時間，但由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，極易發(fā)生卡鉆等井下事故，提速效果不穩(wěn)定，且渦輪及與其配合的孕鑲金剛石鉆頭皆為國外進(jìn)口，成本費(fèi)用較高［3］。

為了提出與元壩地區(qū)自流井組和須家河組地層相適應(yīng)的高效破巖鉆頭和破巖工具，經(jīng)過研究與實(shí)踐，選擇了風(fēng)險小、成本低的孕鑲金剛石鉆頭+螺桿鉆井技術(shù)，并在該地區(qū)多口井中得到應(yīng)用，取得了一定現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)和破巖效果。前期多口井使用了孕鑲金剛石鉆頭+螺桿鉆井技術(shù)，但由于鉆頭和螺桿的選型適應(yīng)性問題，并存在純鉆時間短、機(jī)械鉆速低的問題。

本文在分析了該技術(shù)前期使用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，給出了元壩地區(qū)螺桿和鉆頭適應(yīng)性選型的建議，并在YB12-1H井中進(jìn)行了應(yīng)用，取得了提速破巖效果，機(jī)械鉆速和純鉆時間均有較大提高，為該地區(qū)鉆井提速提效及降本增效探索了一個新的方向。

1　孕鑲金剛石鉆頭+螺桿破巖技術(shù)的工作原理

孕鑲金剛石鉆頭主要通過研磨破巖，金剛石顆粒在軸向力和扭矩的作用下，連續(xù)研磨、刻劃、犁削巖石，達(dá)到破碎巖石目的，以這種破巖方式為主的金剛石鉆頭具有很高的耐磨性，因此極適用于硬—堅(jiān)硬研磨性地層的鉆進(jìn)。

螺桿鉆具是一種將液體的壓力能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動的機(jī)械能的容積式井下動力鉆具。螺桿鉆具接在鉆頭的上面，高壓泥漿流經(jīng)螺桿鉆具的馬達(dá)時，產(chǎn)生扭矩，驅(qū)動馬達(dá)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，從而帶動下面的鉆頭工作，提高鉆頭的破巖效率。目前國產(chǎn)單頭高速螺桿最高轉(zhuǎn)速可300～500r/min。

高速螺桿配合長壽命、高效的孕鑲金剛石鉆頭，輔之以轉(zhuǎn)盤（或頂驅(qū)）復(fù)合鉆進(jìn)，就可以在常規(guī)鉆壓下獲得較高的機(jī)械鉆速和較長的鉆井進(jìn)尺，尤其適合在研磨性強(qiáng)、可鉆性差的地層使用。

2　YB12-1H井鉆頭及螺桿選型

2.1選型依據(jù)

分析前期孕鑲金剛石鉆頭+高速螺桿使用情況，YB12-1H井選型主要針對以下問題：

（1）鉆頭缺乏地層適應(yīng)性，使用效果不穩(wěn)定。YB1-1H在自流井組珍珠沖段和須家河四段各使用S281型號鉆頭1只。珍珠沖段進(jìn)尺99.25m，純鉆時間160h，平均機(jī)械鉆速0.62m/h，鉆遇巖性為灰色泥巖、灰黑色頁巖、灰色細(xì)粒砂巖、礫巖；須家河四段進(jìn)尺僅14.39m，純鉆時間46.83h，平均機(jī)械鉆速0.31m/h，鉆遇巖性為粗粒巖屑砂巖及砂礫巖。由此可見鉆頭對巖性及其敏感，選用合適的鉆頭對破巖效率的提升至關(guān)重要。

（2）螺桿轉(zhuǎn)速普遍較低導(dǎo)致破巖效果不理想。前期應(yīng)用中使用了5LZ197和7LZ197兩種型號螺桿，螺桿鉆速普遍較低，最高轉(zhuǎn)速為160r/min，達(dá)不到孕鑲鉆頭高速破巖的要求。因此需要選用高速、長壽命螺桿來提高相應(yīng)鉆頭的破巖效率、發(fā)揮出鉆頭的破巖潛能。

2.2鉆頭選型

根據(jù)元壩地區(qū)地層特性及鄰井使用情況，YB12-1H井自流井珍珠沖段及須家河組地層部分井段選取了NR826M和DIG259S型號孕鑲金剛石鉆頭，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分別如下：

NR826M型號鉆頭如圖1所示。該鉆頭改進(jìn)了胎體配方，提高了胎體對金剛石的包鑲能力；采用耐磨的混鑲金剛石熱壓鑲嵌齒作為切削齒，提高鉆頭壽命和進(jìn)尺；選擇交錯布齒的方式減小鉆頭在井底的接觸面積，提高鉆頭切削效率，采用大直徑底噴式、深流道輻射狀水路，充分滿足鉆頭冷卻和井底排屑要求，同時保徑部位將水路流道槽合并加寬，大間隙刀翼結(jié)構(gòu)不易被掉落巖塊卡死。

DIG259S型號鉆頭如圖2所示。該鉆頭借鑒PDC鉆頭設(shè)計(jì)理念，采用離散化切削結(jié)構(gòu)，形成了獨(dú)特的孕鑲切削破巖模式；冠部形狀設(shè)計(jì)為中拋物線形防掏心結(jié)構(gòu)，克服了老式孕鑲鉆頭易掏心的缺陷；選擇長保徑設(shè)計(jì)增加了鉆頭穩(wěn)定性；并且增加水眼優(yōu)化了水力結(jié)構(gòu)，適用于中硬—極硬研磨性地層。

圖1　NR826M型號鉆頭入井前

圖2　DIG259S型號鉆頭入井前

2.3螺桿選型

根據(jù)孕鑲金剛石鉆頭高轉(zhuǎn)速要求，選取了5LZ216 和CLZ216兩種型號的國產(chǎn)高速螺桿。根據(jù)使用統(tǒng)計(jì)結(jié)果，該兩種螺桿性能穩(wěn)定，高速旋轉(zhuǎn)情況下使用壽命長，滿足地層破巖和選型鉆頭的要求，其性能參數(shù)見表1。

表1　YB12-1H井螺桿性能參數(shù)表

3　YB12-1H井應(yīng)用效果分析

3.1應(yīng)用情況介紹

YB12-1H井在自流井組珍珠沖段及須家河組使用NR826M型號鉆頭3只，DIG259S型號鉆頭1只，國產(chǎn)CLZ216型號高速螺桿2根，5LZ216型號高速螺桿1根，共下5鉆趟，本文為表述方便，將NR826M型號鉆頭分別編號為1#、2#和3#，將CLZ216螺桿分別編號為1#、2#。5趟鉆情況見表2。

第1趟使用NR826M型號鉆頭（1#）配合CLZ216螺桿（1#），出井口鉆頭及螺桿都到達(dá)使用壽命，鉆頭孕鑲塊磨損15～17mm，磨損程度60%，鉆頭出井情況如圖3所示。

第2趟下入DIG259S型號鉆頭CLZ216螺桿（2#），起鉆時螺桿時間113.33h，起鉆前鉆時連續(xù)15m超過70min/m，出井鉆頭孕鑲齒磨損9～11mm，磨損程度50%，鉆頭出井圖片如圖4所示。

表2　YB12-1H井孕鑲金剛石鉆頭+高速螺桿使用情況

圖3　第1只NR826M型號鉆頭出井照片

圖4　DIG259S型號鉆頭出井照片

圖5　第2只NR826M型號鉆頭出井照片

圖6　第3只NR826M型號鉆頭出井照片

考慮到2號CLZ216螺桿未達(dá)到使用壽命，第3趟鉆下入全新礦NR826M鉆頭（2#）配合該螺桿，螺桿到達(dá)使用壽命后鉆頭出井孕鑲塊磨損5～6mm，如圖5所示。

第4趟下入全新NR826M型號鉆頭（3#）配合修復(fù)CLZ216螺桿（1#修復(fù)），進(jìn)尺31.03m后進(jìn)尺緩慢，加鉆壓無壓降，螺桿失效，出井孕鑲塊磨損3～4mm，可以繼續(xù)使用，如圖6所示。

第5趟繼續(xù)下入第3號NR826M型號鉆頭配合全新5LZ216螺桿，鉆進(jìn)至后期，螺桿壓降明顯下降，鉆頭出井孕鑲塊較入井前磨損3～4mm。

3.2應(yīng)用情況與鄰井對比

從表3可以看出，YB12-1H井孕鑲金剛石鉆頭+高速螺桿在各項(xiàng)指標(biāo)上均較鄰井大幅提高，單趟平均進(jìn)尺、平均純鉆時間和平均機(jī)械鉆速分別是鄰井最高指標(biāo)的2.38倍、1.78倍和1.30倍。

3.3YB12-1H井應(yīng)用效果評價

YB12-1H井鉆進(jìn)施工中采用了兩種鉆頭及兩種螺桿，分別配對使用，使用效果如表4、表5和表6所示。

表3　YB12-1H井孕鑲金剛石鉆頭+高速螺桿與鄰井同地層使用情況對比

表4　NR826M型號鉆頭+CLZ216螺桿鉆進(jìn)情況

表5　DIG259S型號鉆頭+CLZ216螺桿鉆進(jìn)情況

表6　NR826M型號鉆頭+5LZ216螺桿鉆進(jìn)情況

（1）鉆頭使用效果分析。純鉆時間上，第1只NR826M鉆頭純鉆時間208.75h，并且鉆穿了自流井組珍珠沖段厚度達(dá)57m的砂礫巖及礫巖層，第2只及第3只由于螺桿使用壽命的限制，純鉆時間較短，但磨損情況較第1只輕；DIG259S鉆頭入井純鉆時間86.83h，磨損程度就達(dá)到50%，且后期鉆速明顯下降，兩種型號鉆頭對比，NR826M鉆頭明顯優(yōu)于DIG259S鉆頭。

機(jī)械鉆速上，3只NR826M鉆頭平均機(jī)械鉆速為0.95m/h，DIG259S鉆頭平均機(jī)械鉆速為0.97m/h，兩種鉆頭基本持平。

綜合純鉆時間和機(jī)械鉆速兩點(diǎn)，NR826M鉆頭優(yōu)于DIG259S鉆頭，可在元壩地區(qū)大力推廣。

（2）螺桿使用效果分析。使用時間上，兩根全新CLZ216螺桿純鉆時間分別為250.27h和263.5h，5LZ216型號螺桿循環(huán)時間為163.67h，CLZ216螺桿明顯優(yōu)于5LZ216螺桿。

機(jī)械鉆速上，5LZ216螺桿平均機(jī)械鉆速僅為0.63，而CLZ216螺桿平均機(jī)械鉆速為0.95m/h，并且其中第一根全新螺桿穿越了57m厚的砂礫巖及礫巖層，第二根螺桿機(jī)械鉆速為1.01m/h，CLZ216螺桿明顯優(yōu)于5LZ216螺桿。

綜合鉆頭及螺桿，NR826M鉆頭配合CLZ216螺桿使用效果最佳，提速提效效果顯著。

4結(jié)論及建議

（1）YB12-1H井自流井組珍珠沖段及須家河組地層孕鑲金剛石鉆頭+螺桿復(fù)合鉆井技術(shù)單趟平均進(jìn)尺126.07m，平均純鉆時間144.81h，平均機(jī)械鉆速0.87m/h，分別是前期應(yīng)用井次最高水平的2.83倍、1.78倍和1.3倍。

（2）在元壩地區(qū)珍珠沖段及須家河組推薦采用NR826M鉆頭+CLZ216螺桿組合，可大幅提高純鉆時間及機(jī)械鉆速。

（3）珍珠沖段及須家河組巖性交錯，地層破碎，尤其是珍珠沖段底部普遍含礫石層，掉塊較多，螺桿+孕鑲金剛石鉆頭極易發(fā)生阻卡，推薦鉆具組合中加入隨鉆震擊器，以便在出現(xiàn)阻卡能及時處理。

（4）螺桿要求大排量和高泵壓，使用中出現(xiàn)憋泵時泵壓高達(dá)30MPa，建議使用50MPa以上的地面高壓管線，泥漿泵缸套選用?160mm。

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A

1004-5716（2016）02-0076-05

2015-02-15

2015-02-15

陳海峰（1977-），男（漢族），四川營山人，工程師，現(xiàn)從事鉆井生產(chǎn)技術(shù)管理工作。