復(fù)合鉆井技術(shù)在油田的應(yīng)用研究

常紅梅

（陜西延長(zhǎng)石油集團(tuán)公司延長(zhǎng)油田股份有限公司，陜西 延安 716000）

由于受地理?xiàng)l件的限制,延長(zhǎng)油田在一個(gè)井場(chǎng)有多口定向井已很常見。由于同一井場(chǎng)井位較多,按以前常規(guī)鉆具組合施工,井眼軌跡控制難度大,起下鉆頻繁嚴(yán)重地制約了鉆井速度，延長(zhǎng)了建井周期，影響了經(jīng)濟(jì)效益。

復(fù)合鉆井技術(shù)主要采用“PDC鉆頭+螺桿”鉆具組合，利用單點(diǎn)、有線隨鉆進(jìn)行軌跡跟蹤監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了滑動(dòng)導(dǎo)向與旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)相結(jié)合。在鉆進(jìn)過程中，依據(jù)單、多點(diǎn)數(shù)據(jù)預(yù)算井眼軌跡，一旦發(fā)現(xiàn)實(shí)鉆井眼軌跡數(shù)據(jù)偏離計(jì)值時(shí)，隨時(shí)采取相應(yīng)的鉆進(jìn)措施，確保井身質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求[1]。復(fù)合鉆井技術(shù)是大幅度提高鉆井速度的主要手段之一，是近幾年來機(jī)械鉆速飛躍的關(guān)鍵技術(shù)。隨著井下動(dòng)力鉆具性能、型號(hào)的完善，再加上適合各種地層的高效PDC鉆頭的蓬勃發(fā)展，復(fù)合鉆井技術(shù)大規(guī)模推廣應(yīng)用的時(shí)代已經(jīng)到來.由于受地理?xiàng)l件的限制，延長(zhǎng)油田在一個(gè)井場(chǎng)有多口定向井已很常見。由于同一井場(chǎng)井位較多，按以前常規(guī)鉆具組合施工，井眼軌跡控制難度大，起下鉆頻繁嚴(yán)，嚴(yán)重地制約了鉆井速度，延長(zhǎng)了建井周期，影響了經(jīng)濟(jì)效益。

本論文研究的內(nèi)容是對(duì)延長(zhǎng)油田的地質(zhì)環(huán)境、施工設(shè)備、鉆井工具進(jìn)行調(diào)研，了解復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)的特點(diǎn)，根據(jù)延長(zhǎng)油田的實(shí)際情況，對(duì)鉆進(jìn)方式、鉆具組合、鉆進(jìn)參數(shù)、鉆頭等進(jìn)行優(yōu)選，以提高延長(zhǎng)油田的鉆井速度，降低鉆井成本。復(fù)合鉆井硬件設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀主要由鉆頭、鉆具的研究發(fā)展制約。在這里我們主要研究一下PDC（聚晶金剛石復(fù)合片）鉆頭和螺桿鉆具。

1 PDC鉆頭和動(dòng)力鉆具的組合

復(fù)合鉆井是指在井下鉆具組合中，加一動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置，該裝置利用鉆井液循環(huán)時(shí)的動(dòng)能來驅(qū)動(dòng)鉆頭高速運(yùn)轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速可以通過鉆井液流量的變化在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。在復(fù)合鉆井工藝中，鉆頭的驅(qū)動(dòng)由地面驅(qū)動(dòng)(轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)或頂部驅(qū)動(dòng))和地下驅(qū)動(dòng)兩部分組成，而且由地下驅(qū)動(dòng)作為鉆頭的主要?jiǎng)恿Α?/p>

螺桿鉆具是按莫諾原理制成的井下動(dòng)力鉆具，采用容積式螺桿液馬達(dá)(以下簡(jiǎn)稱馬達(dá))作為動(dòng)力機(jī)，在性能上具有轉(zhuǎn)速低、扭矩大、易于啟動(dòng)和過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，比渦輪鉆具更有優(yōu)越性，特別適合配用PDC鉆頭鉆井。理論研究表明，螺桿鉆具的工作特性主要取決于馬達(dá)的轉(zhuǎn)子與定子的橫截面的過流面積，如不考慮機(jī)械效率的影響，通過線型參數(shù)設(shè)計(jì)來增大轉(zhuǎn)子與定子橫截面的過流面積，可使馬達(dá)的每轉(zhuǎn)體積流量、輸出扭矩和軸向力(由馬達(dá)壓力降引起的轉(zhuǎn)子軸向力)上升，使鉆具的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子與定子間的最大滑速及轉(zhuǎn)子離心慣性力下降，并可使馬達(dá)對(duì)鉆井液中顆粒污物的敏感性降低。若減小轉(zhuǎn)子的偏心距，可使萬向軸的運(yùn)動(dòng)幅度減小，從而可減小萬向軸內(nèi)的應(yīng)力值。減小偏心距，還會(huì)使轉(zhuǎn)子離心力降低，有助于減小鉆具的橫向振動(dòng)。這些理論上的研究結(jié)果為馬達(dá)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。然而，螺桿鉆具的工作特性不僅是由轉(zhuǎn)子與定子的線型參數(shù)決定的，制造和使用方法的因素對(duì)螺桿鉆具工作特性的影響往往也是不可忽視的.總的來說，螺桿鉆具優(yōu)點(diǎn)在于高扭矩，較高的轉(zhuǎn)速，制造及維護(hù)費(fèi)用較低且易于操作，在同樣的功率輸出條件下需要更小的不平衡水壓力。螺桿鉆具的缺點(diǎn)動(dòng)力部分使用橡膠材料，使得它受溫度及鉆井液系統(tǒng)中化學(xué)藥品的限制，然而如今的制造工藝已消除了螺桿鉆具的大多數(shù)缺點(diǎn)。在仍然保留常規(guī)螺桿鉆具優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，新型的高速螺桿鉆具已達(dá)到或超過了渦輪鉆具的鉆頭轉(zhuǎn)速，并且能可靠的應(yīng)用于高溫高壓井和為鉆頭鉆進(jìn)提供無可匹及的功率[2]。

對(duì)于延長(zhǎng)油田這種軟到中硬地層為主的地層，螺桿鉆具依靠著它的優(yōu)勢(shì)更加適合適在其使用。

在復(fù)合鉆井技術(shù)中，無論是短半徑還是中、長(zhǎng)半徑水平井，通常應(yīng)用動(dòng)力鉆具進(jìn)行井眼軌道控制作業(yè)，如造斜、糾斜、扭方位，采用動(dòng)力鉆具還可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)斜鉆進(jìn)。對(duì)于水平井段，在高溫高壓的作用下，巖石硬度大，可鉆性變差，機(jī)械鉆速低，一些泥巖，泥質(zhì)砂巖也由常壓下的脆性向塑性或彈塑性轉(zhuǎn)化，破碎這種地層特別困難。另外鉆頭破碎巖石的水力及機(jī)械能量，由于沿程壓耗的增加而降低，從而造成水平部井段的機(jī)械鉆速大大降低。牙輪鉆頭的牙齒在這種巖石中破碎起來非常困難。且由于PDC鉆頭沒有滾動(dòng)部件，使用壽命長(zhǎng)，不會(huì)形成井下落物，造成井下事故。從而成為防斜鉆井、定向鉆井海洋鉆井和井下動(dòng)力鉆井的高效、經(jīng)濟(jì)、安全的優(yōu)良的鉆井工具，成為牙輪鉆頭強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者。

基于PDC鉆頭的這些優(yōu)點(diǎn)，近年來在國(guó)內(nèi)外被廣泛應(yīng)用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。要進(jìn)一步提高PDC鉆頭在復(fù)合鉆井中應(yīng)用的技術(shù)水平，必須加強(qiáng)相關(guān)的設(shè)計(jì)技術(shù)的研究，本文將對(duì)PDC鉆頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行初步探討。

PDC鉆頭是依靠金剛石的顆粒破碎巖石的鉆頭。它在低鉆壓下即可獲得較高的鉆速和鉆井進(jìn)尺，是石油鉆井中廣泛使用的一種高效鉆頭[3]。

動(dòng)力鉆具配合PDC鉆頭鉆井，可以大大地提高機(jī)械鉆速、降低成本、縮短鉆井周期。螺桿鉆具的高轉(zhuǎn)速可以為PDC鉆頭提高切削速度提供井下動(dòng)力保障。在動(dòng)力鉆具與PDC鉆頭配合鉆井時(shí)，首先選擇配合較好的動(dòng)力鉆具和PDC鉆頭，然后根據(jù)其性能和要求選擇合適的地層。

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井下動(dòng)力鉆具是指能把鉆井液的能量轉(zhuǎn)化為鉆井破巖動(dòng)力的井底鉆具，特別是與PDC鉆頭配合使用將大大地提高鉆井速度。此外，由于鉆桿不動(dòng)，可以減少動(dòng)力消耗，減輕鉆具及套管的磨損和破壞;用井下馬達(dá)鉆定向井和叢式井時(shí)，能夠有效地控制井眼軌跡。基于此，井下動(dòng)力鉆井技術(shù)在實(shí)際鉆井中得到了廣泛應(yīng)用，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，正愈來愈多地用來取代轉(zhuǎn)盤鉆井[4]。

2 應(yīng)用效果

延長(zhǎng)油田PDC鉆頭總體使用情況：2006 以來年延長(zhǎng)油田對(duì)鉆進(jìn)技術(shù)做了部分調(diào)整，原來的牙輪鉆頭常規(guī)鉆具逐漸被PDC鉆頭復(fù)合鉆具取代。

由表1常規(guī)鉆具與表2 復(fù)合鉆具（2006年）數(shù)據(jù)比較，可以看到復(fù)合鉆具與常規(guī)鉆具在延長(zhǎng)油田應(yīng)用中，復(fù)合鉆進(jìn)的鉆速以及平均進(jìn)尺得到了極大的提高。

盡管如此，復(fù)合鉆井中還存在問題，螺桿鉆具扭矩偏低，鉆井參數(shù)有待優(yōu)化。為此，對(duì)螺桿鉆具參數(shù)進(jìn)一步調(diào)整。原來φ165(2006年)螺桿鉆具被φ172 7:8 螺桿鉆具取代.提高螺桿鉆具扭矩。

由表2與表3對(duì)比可以看出，2007年延長(zhǎng)油田通過對(duì)螺桿鉆具的調(diào)整后，機(jī)械鉆速由2006年的32.10m/h 提高到2007年的35.80m/h，提高了11.53%。

由表4可以看出，2007年P(guān)DC鉆頭使用量大幅提高，PDC完成進(jìn)尺達(dá)到738589 米，占到總進(jìn)尺的56.9%。隨著各項(xiàng)配套技術(shù)的完善，PDC鉆頭使用水平有較大的提高。

3 結(jié)束語

通過對(duì)延長(zhǎng)油田地質(zhì)條件的分析，以及對(duì)各種鉆頭鉆具優(yōu)選之后，我們得到了下面一些成果。

3.1 螺桿鉆具配合PDC鉆頭鉆井，可以大大地提高機(jī)械鉆速，降低鉆井成本，縮短鉆井周期。

3.2 采用螺桿鉆具配合PDC鉆頭鉆進(jìn)方式，首先選擇配合較好的螺桿鉆具和PDC鉆頭，然后根據(jù)其性能和要求選擇合適的地層，鉆進(jìn)應(yīng)嚴(yán)格遵守螺桿鉆具的使用規(guī)程，否則會(huì)損傷其壽命。

3.3 在螺桿鉆具上由原來的φ165 5:6 螺桿鉆具更改為φ172 7:8 螺桿鉆具，提高了扭矩，使機(jī)械鉆速提高13.8%。

3.4 通過提高鉆井液粘度、細(xì)化鉆井液維護(hù)，提高了鉆井液性能，增大泵的排量，最終達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)效益。

[1]劉謙.復(fù)合鉆井在吐哈油田的應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù)，2002，30(2):39-401.

[2]馮定.渦輪鉆具的復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù).石油鉆采工藝.2007.19-21.

[3]馬保松.PDC鉆頭的新發(fā)展及應(yīng)用[J].世界地質(zhì)，1996，15(4):94298.

[4]A 魯賓斯基.鉆井工程進(jìn)展(第二冊(cè))[M].北京:石油工業(yè)出版社，1993.42244.