鉆井提速及鉆頭優選研究在某油田的應用

羅 曼，和鵬飛，宋峙潮

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

引言

鉆井是油氣開發的主要工程過程，面臨卡、漏、噴等諸多風險，隨著國家油氣勘探開發形勢的發展，各大油田鉆井工程呈現向縱深發展的趨勢[1-4]。為了提高效率、降低成本，采用科學化、信息化、數字化鉆井是新的方向，以提高鉆井效率為例，從傳統的經驗法鉆井向科學選型鉆頭、科學選擇鉆井參數邁進[5-8]。針對川中東某油田的鉆井提速問題，進行了研究與相關應用。

1 項目簡介

井身結構:該區塊位于川中東部。以探明須家河油氣為主，完鉆層位雷口坡或須一，垂直井深2 300 m 左右。某129井用時28.25 d 鉆進至井深2 328 m 順利完鉆，平均機械鉆速5.94 m/h，見表1。某131 井用時50.54 d 鉆進至井深2 803 m 順利完鉆，井斜73.89°，位移733.5 m，平均機械鉆速4.20 m/h，見表2。某140 井用時21.62 d 鉆進至井深2 440 m 順利完鉆，平均機械鉆速7.37 m/h，見表3。

表1 某129 井井身結構實際數據表

表2 某131 井井身結構實際數據表

表3 某140 井井身結構實際數據表

2 提速難點

（1） 地層夾層多。沙溪廟、涼高山和自流井組地層為泥巖、頁巖砂巖夾層，均質段短，軟硬交錯明顯、鉆頭繃齒嚴重，不利于鉆頭選型和判斷。

（2） 須家河地層可鉆性極差。須家河地層以砂巖泥頁巖為主，砂巖巖性致密，可鉆性差，厚度在450 m～600 m 左右，同時該段油氣顯示活躍，鉆井液密度相對較高，仍是制約本區塊提高鉆速的一個瓶頸，起鉆換鉆頭頻繁。目前還沒有優選出成熟的適合該地層的PDC 鉆頭。

（3） 油氣顯示頻繁。從沙一、涼高山、大安寨、東岳廟到須六、須五、須四、須二都能見油氣顯示。井控風險大，如鉆遇高壓層因頻繁壓井影響時效。

（4） 本區塊上部地層坍塌嚴重，造成機械鉆速較低，起下鉆遇阻嚴重等問題。若同時出現大井眼，鉆井設備能力不足，將導致井下攜砂困難，發生鉆頭憋跳和起下鉆遇阻頻繁，嚴重影響鉆井周期。

（5） 軌跡控制上經驗不夠成熟，四合一鉆具穩定性不高，須家河滑動鉆進效率很低。

3 提速及鉆頭優選關鍵技術

3.1 鉆壓和轉速優選實驗

為了確定最優鉆井參數，在現場做了如下實驗，首先要選擇可鉆性比較均勻的地層。根據鉆井經驗，分別記錄了某 -24-X4 和某-55-X1 井在沙一段的鉆時，見表4。可以看出沙一段的可鉆性比較均勻，所以選擇某-55-X2 井沙一段地層進行實驗。確定實驗井段：由表4 的鉆時記錄得，實驗可以選擇1 150～1 180 m 和1 180～1 202 m兩個井段。確定實驗參數：在1 150～1 180 m 井段保持鉆壓80 KN不變，轉速的變化區間為30～90 rpm；在1 180～1 202 m 井段保持轉速60 rpm 不變，鉆壓的變化區間為20～120 KN，依次在兩個井段選擇7 個點和11 個點進行實驗。根據表5 的鉆時記錄數據分別作圖1 和圖2。

表4 沙一段鉆時記錄表

表5 某-55-X2 沙一段鉆時記錄表

分析圖1 得：

圖1 轉速-鉆速曲線(W=80 KN)

（1） 機械鉆速與轉速的關系為指數關系,且指數小于1。可用如下形式表示：

式中：vpc-鉆速，m/h；n-轉速，rpm；λ-轉速指數，一般小于1。

（2） 隨轉速的增大，轉速指數是逐漸變小的，并且鉆速存在最大值。

分析圖2 得：

圖2 鉆壓-鉆速曲線(n=60 rpm)

（1） 本試驗鉆壓在20 KN 之前基本是沒有進尺的，也就是說該鉆頭在本地層的門限鉆壓等于20 KN。

（2） 機械鉆速在一定限度內與鉆頭壓力的增大成比例地增長，圖中的區間為40～90 KN 的范圍。由圖可得鉆壓與鉆速可表示為：

式中：W-鉆壓，kN；M-門限鉆壓，kN。

（3） 當鉆壓高于某一數值時，鉆壓的增加不會使鉆速變快，反而有變慢的趨勢，然后趨于一個穩定值。

3.2 PDC 鉆頭19 mm，16 mm，13 mm 復合片現場選型對比

為了確定鉆頭選型的最優化，在現場做了如下對比實驗，根據實鉆記錄同井場不同兩口井數據對比。如某-55-X2 井和某-55-X3 井數據統計表（表6）。由統計數據結合PDC 鉆頭現場使用情況，并依據PDC鉆頭的特性，分析總結得出以下結論：

表6 某-55-X2 和某-55-X3 數據統計表

（1） 表層鉆進和二開鉆進沙西廟東岳廟地層，地層可鉆性比較穩定，選擇19 mm 復合片的PDC 鉆頭鉆進是比較成熟的方式，19 mm 復合片的PDC 鉆頭選型應注重刀翼部齒攻擊性較強，同時也減弱了抗磨損的能力，所以在使用中應注意保持穩定的轉盤轉速和送鉆的均勻性。在前期鉆壓使用上保證鉆壓維持在4～8 t 合理范圍之內，轉速控制在55～60 +L 左右，防止鉆頭出現前期磨損過大。尤其在涼高山含有灰黑色頁巖和泥質細沙巖不等互層鉆時波動較大，為防止泥包現象卡鉆，適當上調轉速，調整泥漿性能。

（2） 二開鉆進至完鉆選擇16 mm 復合片的PDC 鉆頭主要注重在鉆頭的抗磨性，同時保證較快的機械鉆速。由于珍珠沖以后的地層可鉆性差，主要以中沙巖和細沙巖為主。16 mm 復合片的PDC鉆頭布齒較密接觸地層點多、吃入地層深度較淺，在鉆進過程與中硬地層之間沖擊力較小，不容易出現斷齒和掰齒現象，從而保持以較穩定的鉆時鉆進，減少了起下鉆次數。19 mm 復合片的PDC 鉆頭使用不理想，鉆頭鉆進至珍珠沖地層易出現泥包且磨損劇烈，單只鉆頭進尺只有20～30 m 就出現錐形磨損（如某-55-X2 在珍珠沖1 681～1 901 m 處）。主要原因在鉆頭刀翼排屑槽過深，泥巖容易隨鉆頭慢慢擠入刀翼之間形成泥包，PDC 布齒較希接觸地層點少、冠部突出復合片吃入地層較深，鉆進中與中硬地層之間的剪切沖擊力過大而出現掰齒和斷齒現象，在冠部突出復合片出現缺失，從而使鉆頭刀翼出現磨損加劇現象。

（3） 三開須家河- 完鉆選擇13 mm 復合片的PDC 鉆頭。三開鉆頭尺寸主要以6″和5-7/8″為主，19 mm 復合片和16 mm 復合片布齒過于稀疏不能保證接觸地層點多、吃入地層深度較深，不能保證鉆頭的抗磨性。此段使用13 mm 復合片的PDC 鉆頭是為保證單只鉆頭較快的機械鉆速，同時保證單只鉆頭的進尺。注意PDC 和螺桿的合理使用，在須六和須四段主要以細沙巖和頁巖為主，地層研磨性強，PDC 轉速不宜過高，主要以常規鉆具加PDC 或牙輪鉆頭。

4 現場實際應用

以實驗-對比-總結-調整參數的模式對各個地層進行參數優化，同時結合了牙輪鉆頭的使用。在該地區PDC 鉆頭使用情況起到較好的應用效果。某129 井創下在該區塊三開探井鉆井周期最短紀錄。其中二開用時9.47 d，機械鉆速7.82 m/h，創造了該隊在該區塊二開一趟鉆、二開完鉆周期最短、機械鉆速最快、純鉆時率最高四項紀錄。某131 井是在該區首口大尺寸、大斜度、大位移氣探井。某140 井再次刷新該區塊三開探井鉆井周期最短紀錄。其中單只鉆頭進尺達到1 166 m，成功地完成了“二開沙二至須六單只鉆頭一趟鉆試驗”，創造了該區塊三開探井單只鉆頭進尺最高新紀錄。

5 結論

（1） PDC 鉆頭在現場使用效果證明，在不同的地層中，PDC 鉆頭的鉆壓和轉速存在最佳參數組合。該地區地層差異性大，同層之間夾層較多，現場須經常實驗對比及時調整鉆井參數，實現快速鉆進。

（2） PDC 鉆頭選型優化需針對地層的可鉆性，泥巖的含量，以及設計井眼的大小選擇不同大小的復合片，同時注意使用過程利用鉆頭的優勢和弱點合理調整技術參數。