松遼盆地低滲水平井鉆井提速工具研制及應用

魏向輝，王 輝，張 斌

（中國石油渤海石油裝備鉆井裝備分公司，天津 300280）

0 引言

目前，全球油氣勘探開發趨勢正從常規油氣藏向低滲透、非常規發展。其中，探明儲量中，低滲、特低滲透油氣藏達70%，由于水平井能有效擴大油氣儲層的裸露面積，日產量平均為直井的4 倍以上，所以水平井已經成為低滲油藏高效開采的主要方式。

在國內，隨著螺桿鉆具和鉆頭技術的發展，工具的匹配技術在水平井中的研究應用也有了較大的進步。螺桿鉆具加鉆頭復合鉆井技術在各油田水平井開發中已經開始全面推廣，復合鉆井的技術特點是采用滑動及旋轉復合的鉆井方式，進一步提高了PDC 鉆頭在井底的旋轉速度，充分發揮PDC 鉆頭在井底高轉速下鉆速快的優勢。

由于大部分鉆井工具生產廠家僅單獨進行一種產品研制，在針對工況變化及產品優化配置提速方面的研究不夠深入。在使用的過程中，由于螺桿鉆具和鉆頭的匹配技術研究不夠深入，相關提速工具研發和配套應用技術研究進度慢，使水平井在鉆井提速中遇到了一些問題。例如，使用PDC 鉆頭定向時工具面不穩定，螺桿鉆具或鉆頭早期失效的情況也時有發生。

松遼盆地低滲透油藏水平井主要區塊為大慶、吉林的致密油、頁巖油區塊，目的層為青山口和泉頭組，青山口以灰黑色泥巖、泥頁巖、油頁巖為主，泉頭組以紫紅色泥巖、灰白色粉細砂巖為主，該井段泥巖多，鉆頭易泥包，造斜段、水平段使用需要提升鉆頭、螺桿鉆具等提速工具產品工具面的穩定性和造斜能力。本文通過PDC 鉆頭、螺桿鉆具、井壁修復工具等提速工具的個性化設計及一體化配套優化技術研究，整體提高水平井鉆井機械鉆速。

1 個性化PDC 鉆頭設計研究

1.1 一體式鉆頭結構提升定向造斜能力

研究表明縮短鉆頭長度，可以有效提升鉆具組合的造斜能力，通過對鉆頭整體結構優化設計及加工制造工藝攻關，將以往應用的鉆頭冠和接頭分體式鉆頭改進成一體式結構，通過五軸數控加工的工藝改進，使″鉆頭整體長度縮短了80 mm以上，提升了鉆頭的定向造斜能力（圖1）。

圖1 創新型高造斜的一體式設計鉆頭

1.2 高攻擊性布齒減少反扭矩

為提高機械鉆速，減少鉆頭反扭矩，通過地層可鉆性分析及機械鉆速模擬分析，最終采用19°～21°小后傾角高攻擊性布齒設計（圖2），同時在肩部選用異型切削齒，分解地層對鉆頭的正面沖擊力，可有效減少巖屑與復合片35%的摩擦，產生巖屑更薄、更小，有效降低鉆頭反扭矩，提升機械鉆速和定向工具面控制能力。同時，通過異型切削的尖角設計，實現點應力破巖，提高鉆頭吃入地層的能力，加強鉆頭攻擊性。

圖2 異形切削齒鉆頭

1.3 高效攜巖防泥包設計

在長水平段泥巖施工中，主要通過個性化流道和水眼空間設計提高鉆頭的排屑能力，采用彈頭形排屑槽設計（圖3），提高了表面流速；在兩刀翼規徑之間的流道上增設一圈固定噴嘴，規徑直沖噴嘴設計實現了泥漿直接沖洗排屑槽，防止水平段施工時刀翼之間的流道泥包；采用定向分流噴嘴，改變射流方向，直接沖洗復合片，定向分流噴嘴設計可有效提高切削齒冷卻效率及鉆頭攜巖能力。

圖3 彈頭形排屑槽

流道個性化設計建模后，通過PDC 鉆頭水力優化技術研究，建立PDC 鉆頭井底三維模型，通過進口、出口和井底平面三個面的邊界條件設置，利用數值模擬功能完成了刀翼表面鉆井液流動情況、距井底不同距離平面泥漿的速度云圖模擬計算，提高鉆頭表面流速，優化水眼噴射方向，消除了鉆頭中心部分低速區，解決了水平段鉆遇泥巖時排屑困難導致的鉆頭泥包問題。

2 短彎點高造斜螺桿設計

針對水平井快速調整井眼軌跡使用需求，研制新型結構傳動軸、改進扶正器結構、采用高性能串軸承、水帽一體式接頭、將彎點下移至傳動軸殼體上等新型結構設計，使彎點距鉆頭端面的距離縮短了30.6%，造斜率提升22%。

3 水平井井壁修復工具設計技術

井壁修復器和通井工具的切削齒是用于輔助修復井壁的作用，不同于PDC 鉆頭復合片的直接切削地層。井壁修復器切削齒是安裝在同圓心的扶正筋上，與井壁的切削作用是旋轉刮擦，給予切削齒25°～30°后傾倒角，以提高切削齒抗沖擊及抗研磨性能。

從井壁修復器常規切削齒、低摩阻切削齒工作模擬中可以看出（圖4），其工作特點為低摩阻切削齒與井壁的接觸面積較大，提高了切削齒的抗沖擊和抗研磨性能，同時降低了切削齒與井壁的摩擦阻力，具有低扭矩特征，適合作為井壁修復器切削元件用于PDC 保徑部位。

而切削齒與硬質合金混合布齒設計（圖5），則是根據井壁修復器扶正筋寬度來計算硬質合金的布齒間距及位置，以達到360°范圍內扶正筋全覆蓋，從而全方位保護扶正筋本體不受磨損。

圖5 井壁修復器扶正筋硬質合金布齒

4 一體化配套優化技術

針對長水平段水平井施工中的提速難點，在鉆井提速工具產品個性化設計的基礎上，研究形成了“一體式穿山甲異型齒PDC 鉆頭+大排量、高造斜螺桿”優化配置提速方案，全面提升低滲透油藏水平井鉆井工具一體化提速技術能力。在提高造斜能力方面，一體式異型齒PDC 鉆頭與短彎點高造斜螺桿實現強強結合，全面提升了鉆具組合在造斜段和水平段應用的造斜能力，提高長水平段井施工中井眼軌跡的調整能力，同時可以有效降低滑動鉆進占比，提高鉆進機械鉆速。

在優化水力結構方面，鉆頭的高效攜巖水力結構配合螺桿鉆具大排量馬達線型結構，在滿足現場大排量使用工況需求的同時，可以有效防止鉆頭泥包，充分發揮激進鉆井的技術優勢，整體提升了水平井鉆井機械鉆速。

5 現場應用成果

鉆井提速工具在大慶松遼盆地乾安某頁巖油井水平段使用兩趟鉆，使整井鉆進周期縮短到35.56 d，較之前超2000 m 水平段水平井的最快完鉆記錄提前了11.36 d，水平段平均機械鉆速達到7.17 m/h，創該區塊指標；水平段最高日進尺達到228 m，創該區塊最長日進尺指標；水平段單趟鉆進尺達到1016 m，創該區塊水平段單趟鉆進尺指標（圖6）。

圖6 試驗鉆頭出井狀態

6 結束語

針對松遼盆地低滲透致密油鉆井難點進行了水平井鉆井提速工具研制及應用攻關，特別是針對性地開展了PDC 鉆頭個性化設計、短彎點高造斜大排量螺桿設計、井壁修復工具等提速工具的個性化設計及一體化配套優化技術。經過鉆井現場試驗，取得了極佳的鉆井提速效果，整體鉆井成本明顯下降，為實現本區致密油藏的效益化開發提供了強大的技術支撐。