提高鉆井速度配套技術(shù)的研究與應(yīng)用

徐響

摘要：針對影響江蘇油田鉆井速度的主要原因，對提高鉆井速度的配套技術(shù)進行了研究，初步形成了直螺桿鐘擺、反鐘擺、柔性加壓器鐘擺、單彎雙穩(wěn)組合等有利于提高機械鉆速的新型鉆具組合系列。通過高效PDC鉆頭的優(yōu)選與應(yīng)用，新型工具的研制與推廣應(yīng)用，引進柔性加壓器，在減輕大斜度井、水平井的托壓問題起到了較好的作用。

關(guān)鍵詞 ：鉆井速度 ? 鉆具組合 ?PDC鉆頭 ? 新型工具

Abstract： In view of the main reasons affecting the drilling speed of Jiangsu Oilfield， the supporting technologies to improve the drilling speed are studied， and a new BHA series conducive to improving the mechanical drilling speed are preliminarily formed， such as straight screw pendulum， reverse pendulum， flexible pressurizer pendulum， single bending bistable assembly and so on. Through the optimization and application of high-efficiency PDC bits， the development and popularization of new tools， and the introduction of flexible pressurizer， it has played a good role in alleviating the problem of supporting pressure in large deviated Wells and horizontal Wells.

Key Words： Drilling speed; BHA; PDC bit; New tools

江蘇油田地處水網(wǎng)地帶，地下構(gòu)造復(fù)雜，斷層繁多，屬復(fù)雜小斷塊油田。隨著勘探開發(fā)的深入，井身質(zhì)量要求越來越高，使得施工難度越來越大，機械鉆速慢已成為影響勘探開發(fā)速度的技術(shù)瓶頸之一。

鉆井速度慢的原因主要有：（1）鉆具組合及鉆井參數(shù)未進行優(yōu)化;（2）PDC鉆頭未進行精細選型，在有些區(qū)塊和有些井上使用效果并不是很理想;（3）PDC鉆頭在大斜度井段特別是水平井滑動送鉆困難，影響機械鉆速及施工速度。

1新型鉆具組合的研究與應(yīng)用

1.1新型直井防斜打快鉆具組合

1.1.1直螺桿鐘擺組合

直螺桿鐘擺防斜組合的實質(zhì)仍然是鐘擺鉆具防斜，不同之處在于鉆頭轉(zhuǎn)速提高了數(shù)倍，利用螺桿的高轉(zhuǎn)速，提高鉆具的糾斜能力。適用范圍：在地層傾角較小區(qū)塊、軟到中硬地層推薦使用。

1.1.2反鐘擺鉆具組合

鐘擺鉆具因其糾斜理論和結(jié)構(gòu)特點所限，在糾斜過程中必須減壓吊打，因此機械鉆速很慢，只能以犧牲經(jīng)濟利益的方式來換取井身質(zhì)量。為了解決鉆壓與防斜的矛盾，應(yīng)用了反鐘擺鉆具防斜打快技術(shù)。適用范圍：在地層傾角較大、地層硬度高的區(qū)塊推薦使用反鐘擺鉆具，如玄武巖、輝綠巖等需降斜的井段[1]。

反鐘擺鉆具組合防斜的基本原理是通過合理設(shè)計鉆具組合的剛度，即第一穩(wěn)定器以下采用柔性鉆具，使鉆具組合第一穩(wěn)定器與上井壁接觸，可使下穩(wěn)定器處內(nèi)彎矩的絕對值減小，從而得到較大的降斜力，從而把鉆壓變?yōu)橛欣诮敌钡囊蛩兀黄屏顺Ｒ?guī)鐘擺鉆具中“鉆壓幫助增斜”的傳統(tǒng)觀念，因而把鉆直與鉆快統(tǒng)一起來。有以下特點：（1）第一穩(wěn)定器抵上井壁;（2）第一跨撓度向上;（3）鉆壓產(chǎn)生降斜力，鉆壓越大，降斜力越大;（4）鉆頭傾角向下（At<0）有助于降斜。

其中沙19塊定向井多為五段制定向井，施工難點：在垂深1610～1800m發(fā)育有火成巖，且該井段往往設(shè)計為降斜井段。在火成巖井段使用常規(guī)鐘擺鉆具鉆進，鉆壓不能強化，機械鉆速低;其次，根據(jù)以往已鉆井經(jīng)驗，該地區(qū)降斜難度大，下部掛直井段降斜率小。為提高沙19五段制井的施工速度，在沙19-68、沙19-72井的下部掛直井段試驗了反鐘擺鉆具組合，取得了較好的效果。沙19-68井由于反鐘擺鉆具鉆進時，強化了鉆壓至160～200kN，機械鉆速也相對較高，達到9.59m/h，與同一區(qū)塊相同段最高機械鉆速的沙19-50相比，機械鉆速提高了8.1%。

1.1.3柔性加壓器鐘擺鉆具防斜打快技術(shù)

柔性加壓器是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，是利用循環(huán)泵泵壓為動力把液壓能轉(zhuǎn)化為鉆壓的一種新的鉆井工具。柔性加壓器鐘擺組合是柔性加壓接頭直接接在鉆頭上，通過改變鉆壓的加壓方式，有效減小穩(wěn)定器以下鉆鋌的彎曲程度，使鉆頭偏角減小，提高了鉆進速度，較好地解決了直井段小鉆壓吊打的問題。在陳1井、堡6井施工中，由于地層問題，常規(guī)鐘擺鉆具組合井斜難以控制，另井深、地層可鉆性差、鉆時慢，若采用鐘擺鉆具輕壓吊打方式，鉆時極慢且效果不明顯，鉆壓稍微加大一點則井斜增大，既影響了井身質(zhì)量，又導(dǎo)致頻繁起下鉆。為保證井身質(zhì)量，又能提高施工速度，開展了柔性加壓器鐘擺組合在直井（直井段）進行防斜打快的試驗，取得較好的效果[2]。

1.2新型單彎雙穩(wěn)鉆具組合

為解決連續(xù)導(dǎo)向鉆具組合復(fù)合鉆進的穩(wěn)斜問題，應(yīng)用了單彎雙穩(wěn)組合。適用范圍：剖面設(shè)計最大井斜小于25°的定向井，通過滑動鉆進與復(fù)合鉆進相結(jié)合，待增到最大井斜角后，強化鉆壓進行穩(wěn)斜鉆進，避免使用單彎單穩(wěn)組合進行穩(wěn)斜鉆進時，為使復(fù)合鉆進時實現(xiàn)穩(wěn)斜，使用小鉆壓鉆井，或井斜達到最大值后，為繼續(xù)復(fù)合鉆進，需降斜滑動鉆進[3]。

為減輕單彎雙穩(wěn)鉆具組合的上穩(wěn)定器對滑動鉆井的托壓的影響，對單彎雙穩(wěn)鉆具組合的上穩(wěn)定器進行了改進，研制了專用的復(fù)合鉆井專用穩(wěn)定器。以往選用常規(guī)穩(wěn)定器，外徑有效長度較長，外徑達Ф212～Ф214mm，有效長度達0.78m。專用穩(wěn)定器有效長度改為0.25m，外徑改為Ф208～Ф210mm，減少與井壁接觸面積，減少摩阻，減輕托壓。經(jīng)過多口井試驗，效果較好。

1.3新型穩(wěn)斜組合

在易降斜地層中，若采用常規(guī)微增組合來穩(wěn)斜，若把鉆壓加大，則增斜，起不到穩(wěn)斜的作用，若鉆壓降低，雖然能夠穩(wěn)斜，但影響了機械鉆速。通過力學(xué)分析，針對江蘇油田由于井深等原因致易降斜的井段，在軌跡控制要求井斜必須穩(wěn)住，既不能增得夠多，也不能降低時，設(shè)計了一種新型的穩(wěn)斜組合：φ216 mmBIT +φ214 mmSTB+φ159 mmDC×1+φ214 mmSTB+4A11×4A10+φ159 mmNDC×1+φ159 mmDC×1+φ214 mmSTB+φ159mmSDC×9+4A11×410+φ127mmHWDP×21。適用范圍：在阜寧組等易降斜地層穩(wěn)斜鉆進。經(jīng)在周X61等井的試驗，取得了較好的穩(wěn)斜效果。

周X61井為一口高難度定向井，地層復(fù)雜，地層易降斜，常規(guī)穩(wěn)斜鉆具易降斜。在該井施工中，試驗了新型的穩(wěn)斜鉆具組合，既取得較好的穩(wěn)斜效果，又取得較好的機械鉆速。在2577.10～2795m井段，使用常規(guī)穩(wěn)斜斜組合鉆進，增斜率為-1.93°/100m。在2795～3119m井段，使用新型穩(wěn)斜組合鉆進，增斜率為-0.13°/100m，基本為穩(wěn)斜。該井實際井深3119.00m，鉆機月速度2093.29m/臺月，平均機械鉆速6.76m/h。

2高效PDC鉆頭的優(yōu)選

采用主成分分析法對江蘇油田現(xiàn)用鉆頭進行優(yōu)選，并利用測井資料，結(jié)合室內(nèi)巖石可鉆性試驗，建立巖石可鉆性剖面，為鉆頭合理選型提供科學(xué)的依據(jù)。從江蘇油田的地層巖性來看，江蘇第三系地層為中軟地層，主要以砂泥巖為主，地層有大段泥巖，比較適合PDC鉆頭鉆進，但分散性強、容易泥包鉆頭。經(jīng)過研究認為：江蘇地層除比較適合5-6刀翼的PDC鉆頭鉆進外，也適合四刀翼鉆頭鉆進，而且更有利于機械鉆速的提高[4]。

在瓦莊、沙埝等區(qū)塊推廣使用4刀翼PDC鉆頭，松軟地層中使用4刀翼PDC鉆頭有以下優(yōu)點：比壓高，機械鉆速相對比5刀翼PDC鉆頭高;刀翼少不易泥包;起鉆抽吸壓力小，減少了井下復(fù)雜。4刀翼鉆頭使用地區(qū)包括沙埝、富民、瓦莊、碼頭莊、許莊等多個地區(qū)，使用地層從鹽城組到阜寧組的整個第三系地層。使用最深井深3080m，有10只鉆頭一次入井進尺超過1000m。富136井二開下入“4刀翼PDC鉆頭+單彎螺桿”鉆進，一趟鉆從298.00m鉆進至2363.13m，進尺達到2065.13m，平均機械鉆速達到16.63m/h。曹13-1井使用的型號為216FL1654M的4刀翼PDC鉆頭，從井深543.87m鉆進至井深2337.40m，進尺1793.53m，機械鉆速達到16.50m/h。

3柔性加壓器在減輕水平井托壓中的應(yīng)用

柔性加壓器接在常規(guī)鐘擺組合上，有利于防斜打直，而且在定向井、水平井使用柔性加壓器，可以克服鉆具摩阻作用而致使加不上鉆壓或加壓不準的弊病，能使在斜井段或水平段鉆進的鉆頭獲得穩(wěn)定、足夠的鉆壓，即能有效減輕大斜度井、水平井的托壓問題，從而加快定向井、水平井的施工速度。目前，已在陳2平2、慶豐21-1等井中進行了試驗，取得較好的效果[5]。

陳2平2井為一口水平井，實鉆井深2423m，水平位移652.19m，最大井斜角92.10°，水平段長370m。該井在鉆至1954.32m，井斜為72°時出現(xiàn)托壓，送鉆時憋泵次數(shù)增加，機械鉆速也有所降低。1954.32～2055m井段，使用PDC鉆頭鉆井，機械鉆速由1830.02～1954.32m井段的13.08m/h減為5.73m/h。此時起鉆下入牙輪鉆頭鉆進，托壓現(xiàn)象有所好轉(zhuǎn)，但鉆頭使用時間有限。為使用PDC鉆頭鉆進，且能有效減輕托壓，下入柔性加壓器進行減輕托壓的試驗。托壓現(xiàn)象明顯減輕，送鉆時憋泵次數(shù)大為減少，機械鉆速明顯提高，該井段機械鉆速達到了11.64m/h。柔性加壓器能一定程度的解決大井斜后的托壓問題，對儀器解碼影響較小[6]。

4認識與建議

（1）加大直螺桿鐘擺、反鐘擺、單彎雙穩(wěn)等新型鉆具組合及四刀翼PDC鉆頭的推廣應(yīng)用力度，是提高鉆井速度的關(guān)鍵。

（2）柔性加壓接頭在減輕大斜度井段滑動送鉆困難方面，取得了一定的成效，但PDC鉆頭在大斜度井段及水平井中滑動送鉆困難，影響機械鉆速及施工速度的問題還未完全解決，還有待進一步研究。

參考文獻

胡郁樂，胡晨，張恒春，等.鉆頭泥包原因分析及松科二井防泥包鉆井液的應(yīng)用[J].煤田地質(zhì)與勘探，2020，48（5）：254-261，268.

[2]劉學(xué)通.順煤層瓦斯抽采鉆孔施工偏斜控制技術(shù)研究及應(yīng)用[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2020.

[3]陳煉.旋轉(zhuǎn)齒單牙輪PDC鉆頭破巖機理及設(shè)計方法研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2019.

[4]蘇義腦，路保平，劉巖生，等.中國陸上深井超深井鉆完井技術(shù)現(xiàn)狀及攻關(guān)建議[J].石油鉆采工藝，2020，42（5）：527-542.

[5]李泉新.煤礦井下復(fù)合定向鉆進及配套泥漿脈沖無線隨鉆測量技術(shù)研究[D].北京：煤炭科學(xué)研究總院，2018.

[6]王敏生，光新軍.智能鉆井技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].石油學(xué)報，2020，41（4）：505-512.