高研磨性硬地層鉆井提速技術

蘭 凱張金成母亞軍晁文學

（1. 中國石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術研究院，河南濮陽 457001；2.中國石化石油工程技術研究院，北京 100101；3. 中國石化中原石油工程有限公司西南鉆井分公司，四川南充 637001）

高研磨性硬地層鉆井提速技術

蘭 凱1張金成2母亞軍3晁文學1

（1. 中國石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術研究院，河南濮陽 457001；2.中國石化石油工程技術研究院，北京 100101；3. 中國石化中原石油工程有限公司西南鉆井分公司，四川南充 637001）

引用格式：蘭凱，張金成，母亞軍，等.高研磨性硬地層鉆井提速技術［J］.石油鉆采工藝，2015，37（6）：18-22.

川東北陸相自流井組和須家河組地層巖性致密、研磨性強，機械鉆速低、鉆頭消耗量大，是制約該區域鉆井提速的關鍵層段。為實現提速，各種新型井下工具得到了試驗應用，但效果參差不齊。通過計算分層段巖石可鉆性，推薦自流井組至須家河組采用孕鑲金剛石鉆頭提高破巖效率；為降低硬地層和軟硬交互層段鉆頭失效導致的鉆速低問題，開展了三開井段典型鉆具組合扭轉和縱向振動理論分析，提出東岳廟段以淺地層采用扭力沖擊器配合PDC鉆頭降低黏滑，珍珠沖段含礫巖層段需使用減震工具或改變鉆具組合降低縱振，砂泥巖互層段需推廣使用雙向減震器或水力加壓器降低縱振；采用高速螺桿+孕鑲金剛石鉆頭的復合鉆進，提高自流井組至須家河組大井眼定向速度。5口井現場實施后，機械鉆速成倍增加、鉆頭新度提高30%，須家河組?311.2 mm井眼定向速度提高1.32倍。

高研磨性地層；扭轉振動；縱向振動；孕鑲金剛石鉆頭；扭力沖擊器；水力加壓器；動力鉆具

川東北地區陸相自流井組和須家河組地層巖性致密，砂巖石英含量高、且多為硅質膠結，硬度大，研磨性強，地層可鉆性級值平均在6級以上，部分層段高于8級，機械鉆速低；且該層段含砂礫巖互層和砂泥巖互層，憋跳鉆現象時有發生，鉆頭進尺短［1-5］。前期的鉆井實踐表明，在陸相的自流井組、須家河組，機械鉆速平均0.36～0.75 m/h；其中YYHF-1井90.89 m的井段使用了11只鉆頭，PL1-2井287 m井段使用了10只鉆頭。

為了提高該層段的機械鉆速，混合鉆頭、扭力沖擊器、渦輪鉆具、旋沖工具、水力加壓器等多種提速工具在工區得到了大量試驗應用，有些取得了顯著的提速效果，而有些則不盡如人意。為了更好的發揮提速工具的使用效果、指明提速的可能途徑，文中從提高鉆頭破巖效率、保證鉆頭運行平穩性、優選大尺寸井眼斜井段動力鉆具出發，探討了提高鉆頭使用壽命和行程鉆速從而實現高研磨性地層鉆井提速的機理，針對性的優選出相適應的提速工具，并在川東北地區多口井應用，實現了鉆井提速提效。

1　硬地層鉆頭優選研究

1.1巖石可鉆性分析

采用巖石力學實驗與測井資料相結合的方法對巖石力學參數進行預測，得到元壩地區陸相地層巖石力學參數分布特征，見表1。

表1　元壩地區陸相地層巖石力學參數統計平均值

表1的計算結果表明，隨著埋深的增加，巖石顯著壓實，抗壓和抗剪強度逐步增加。

在巖心可鉆性實驗的基礎上，得到分層段的可鉆性規律：上沙溪廟組可鉆性較好，可鉆性極值基本在7.0以下；進入下沙溪廟組后可鉆性級值明顯增大，自流井組為砂泥巖互層、可鉆性變化幅值大，須家河組為致密細砂巖夾粉砂巖和泥巖，可鉆性級值高，部分層段可鉆性級值達到8.5～9.3，鉆井難度明顯增加。圖1為PL1-2H井自流井組和須家河組可鉆性隨井深分布規律，在3 048 m之前的自流井組幅值跳變嚴重，且平均值小于后段的須家河組。

圖1　PL1-2H自流井組、須家河組可鉆性分布

1.2鉆頭優選

巖石力學參數的分析結果表明，自流井組珍珠沖段到須家河組地層可鉆性差、硬度高、純剪強度大。實踐表明在該層段內采用牙輪鉆頭時碎斷齒嚴重、進尺少、機械鉆速低；PDC鉆頭能提高鉆速，但在軟硬交互層段不耐沖擊，易提前失效。為提高機械鉆速，試驗應用了孕鑲金剛石鉆頭。

在YB222井自流井組?311.2 mm井眼中，采用孕鑲金剛石鉆頭DD3540-AT共進尺369.31 m、平均機械鉆速1.14 m/h。在YLH-1井須家河組水平段?215.9 mm井眼中，采用1只孕鑲金剛石鉆頭K705共進尺1 292 m、平均機械鉆速2.76 m/h、出井新度90%。

完鉆井統計結果表明［2］，元壩地區自流井、須家河組平均機械鉆速為0.81 m/h；相較之下，YB222井自流井組試驗井段機械鉆速提高40.74%，YLH-1井須家河組試驗井段機械鉆速提高2.41倍。

實踐證明，孕鑲金剛石鉆頭可以有效提高自流井組至須家河組的機械鉆速。

2　提高鉆頭運動平穩性研究

由于陸相地層軟硬交互頻繁且地層研磨性強，憋跳鉆時有發生，鉆頭磨損快、崩齒現象多，既減少了行程進尺、增加鉆頭消耗量，也增加了井下復雜風險。因此，在選擇了合適的破巖鉆頭后，也需要采取相應的技術措施提高鉆頭在軟硬交錯地層的運動平穩性，提高鉆頭壽命，從而實現提速。

2.1硬地層降低黏滑振動技術

在鉆遇深部硬地層時，鉆頭和鉆柱系統的周期性黏滑振動使得鉆頭產生間歇性破巖過程，其強大的瞬時沖擊極易造成鉆頭的損壞。以元壩陸相三開井段的4 000 m典型鉆具組合為例（?215.9 mmPDC×0.22 m+?158.8 mmDC×9.18 m+?158.8 mmDC×173.36 m +?127 mmHWDP×128.19 m+?127 mmDP×1570.64 m+?139.7 mmDP），建立扭轉振動模型［6-8］，計算出鉆柱系統的本征角頻率為2.219 5 Hz，扭轉自然振動周期為2.830 9 s；不同鉆壓作用下鉆柱系統的黏滑振動頻率變化規律如圖2，不同鉆壓和轉速作用下鉆頭的角速度變化規律如圖3。

圖2　不同鉆壓和轉速時，鉆柱系統的黏滑振動頻率

圖3　不同鉆壓和轉速時，鉆頭的旋轉角速度

從圖2可以看出，增大鉆壓會降低黏滑振動產生的激振頻率，即增壓越大，黏滑產生的可能性越大；增大轉速會增大黏滑振動頻率，即轉速越高，黏滑發生的間隔時間越短。

從圖3可以看出，當轉速一定時，增大鉆壓鉆頭的旋轉角速度波動顯著增加，黏滑振動表現增強，但振動間隔時間延長；當鉆壓一定時，增大轉速會顯著增加鉆頭的旋轉角速度；對比結果表明，轉速增加比增加鉆壓引起的黏滑振動作用更顯著，總體而言發生黏滑振動時鉆頭的角速度會增大至轉盤轉速的2倍以上，其沖擊作用對鉆頭的破壞巨大。

黏滑振動分析的結果表明：在鉆井實踐中，增大轉速可避免外激振動頻率小于鉆柱固有頻率，降低鉆壓則既可減少鉆柱彎曲、減小鉆柱與井壁摩擦也可降低鉆頭與地層相互作用的破巖阻力，均有利于降低黏滑振動；但降低鉆壓雖有利于避免黏滑振動，但不利于提速，為實現鉆井提速提效，以高頻扭轉沖擊工具為代表的減振工具得到了試驗應用［9-10］。

扭力沖擊器是一種將鉆井液的流體能量轉換成周向的、高頻的（750～1 500次/min）、均勻穩定的沖擊能量直接傳遞給PDC鉆頭［11］。增加該工具后，鉆頭的扭矩分布更平穩（如圖4），黏滑振動現象得到緩解，既提高了機械鉆速、又保護鉆頭提高了行程進尺。

圖4　?215.9 mm井眼、140 kN鉆壓、60 rpm轉速時，鉆頭處扭矩對比

采用PDC鉆頭配合扭力沖擊器［12］，2013年先后在YL17、YL28和YL701井推廣應用，平均機械鉆速達2.48 m/h，比常規牙輪鉆井提高2.51倍，比螺桿+PDC復合鉆井提高1.71倍，同時將地層適用層段由大安寨段延伸至東岳廟段甚至須家河組。

2.2軟硬交互地層降低縱向振動技術

常規鉆井中鉆壓需由鉆頭上部的鉆鋌重量提供，但這種剛性加壓方式極易造成跳鉆、假鉆壓、鉆具彎曲等問題，在鉆遇軟硬互層段時，由于巖性的變化，使得鉆頭縱向振動增加，更加劇了憋跳鉆等現象，嚴重危及井下工具的壽命，制約機械鉆速的提高。

基于鉆柱縱向振動數學微分方程［6，13，14］，以YL28井三開井段4 200 m處鉆遇自流井組珍珠沖段含礫巖層的鉆具組合為例，采用激勵位移法分析鉆柱的縱向振動情況。計算參數：?215.9 mm三牙輪鉆頭+430×4A10浮閥×0.61 m+?158.8 mm鉆鋌×191.87 m+4A11×410接頭×0.5 m+?127 mm加重鉆桿×119.05 m+旁通閥×0.45 m+?127 mm鉆桿×1 570.64 m +411×520接頭×0.49 m+?139.7 mm鉆桿，鉆井液黏度0.03 Pa·s，鉆頭激勵位移0.01 m。得到鉆頭受力波動幅值隨轉速的變化規律如圖5。

圖5　YL28井4 200 m處鉆頭受力波動幅值與轉速關系

從圖5中可以看出，不采用任何減震措施時，在珍珠沖組高研磨性含礫巖地層鉆進時，鉆頭受力波動幅值較大，三牙輪鉆頭的軸承壽命難以保證。在YL28井實鉆中轉速60～65 r/min，采用全新的HJT617GK型牙輪鉆頭入井，進尺21.77 m、機械鉆速僅為0.60 m/h，起出后牙輪磨損嚴重，曠動嚴重，牙輪上切削齒全部磨光脫落，保徑齒全部磨光，綜合新度60%。

為降低鉆柱縱向振動的影響，后期通過優選牙輪鉆頭、改變鉆柱結構參數、使用柔性阻尼器等減震工具，自流井組珍珠沖段機械鉆速提高到0.85 m/h。

同樣，在二開沙溪廟組砂泥巖互層段，推廣使用雙向減震器和水力加壓器，降低鉆柱縱向振動危害，圖6為模擬YL32井在3 200 m處鉆頭受力波動幅值及減震工具加裝位置的研究結果。配合常規鉆井液鉆井方式，YL32井在3 220.5～3 483.7 m砂泥巖互層段內采用水力加壓器，鉆壓120～140 kN、轉速65 r/min，平均機械鉆速1.48 m/h，鉆頭出井后新度60%、磨損均勻；YL28井在3 406.34～3 432.15 m采用水力加壓器、3 432.15 ～3 584.20 m采用減震器，平均機械鉆速2.21 m/h。配合氣體鉆井工藝，采用鉆頭后接減震器的組合方式，在YL28井實現了單只PDC鉆頭進尺1 663.52 m、平均機械鉆速22.76 m/h、鉆頭外徑磨損1 mm、鉆頭出井后綜合新度大于90%。

圖6　YL32井3 200 m處鉆頭受力波動幅值與轉速關系

3　動力鉆具優化研究

川東北地區部署的陸相水平井，定向施工段主要在須家河組，增斜段井眼直徑311.2 mm、水平段井眼直徑215.9 mm，地層壓力系數高達1.85。采用常規螺桿鉆具時，地層研磨性強鉆頭失效快，工具面難控制、大井眼定向效率低，煤層、炭質泥巖段井壁穩定性差，但采用油基鉆井液時影響螺桿鉆具的使用壽命。表2為YLH-1井采用常規螺桿鉆具增斜鉆進的效果。因此，需要優選合適的動力鉆具配合孕鑲金剛石鉆頭，實現高研磨性致密地層大尺寸斜井段的科學提速。

表2　YLH-1井定向增斜段常規螺桿鉆具鉆井效果

3.1導向渦輪+孕鑲金剛石鉆井技術

與常規螺桿鉆具相比，渦輪鉆具轉速高、扭矩大、無橫向振動的特點，與孕鑲金剛石鉆頭的工作需要相吻合，同時采用全金屬部件，消除了橡膠件不耐溫、油基鉆井液體系中加速老化的問題。?168.28 mm Neyrfor1.25°渦輪鉆具先后在YLH-1和PL1-2H井應用，效果見表3。YLH-1井平均機械鉆速1.73 m/h，較常規螺桿鉆具提高1.11倍。PL1-2H井平均機械鉆速1.27 m/h，較常規螺桿鉆具提高0.98倍。

3.2高速螺桿+孕鑲金剛石鉆井技術

高速渦輪雖然能提供高轉速，但施工泵壓高，同時高轉速條件下鉆頭在油基鉆井液中冷卻效果差，易導致鉆頭提前失效。為此在PL1-2H井在三開?215.9 mm水平井段試驗應用0.75°單彎雙扶高速螺桿。表4為應用效果對比，可以看出，與渦輪相比機械鉆速相對較低；與常規復合鉆進相比，機械鉆速大幅度提升；同時，起下鉆減少，時效提高，對鉆井設備的要求低。因此，高速螺桿+孕鑲金剛石鉆頭的復合鉆進對于川東北陸相水平井提速提效具有更大的現實意義。

表3　導向渦輪+孕鑲金剛石鉆井技術應用效果

4　結論

（1）孕鑲金剛石鉆頭可以有效提高自流井組至須家河組的機械鉆速。

表4　等壁厚螺桿/高速螺桿+孕鑲金剛石鉆井技術應用效果

（2）在自流井組東岳廟段以淺的地層，采用扭力沖擊器配合PDC鉆頭，可以降低硬地層的黏滑振動，增加鉆頭的有效進尺，實現機械鉆速的成倍提高。

（3）自流井組珍珠沖段含礫巖層段縱向振動對鉆頭的沖擊磨損嚴重，可以通過優選牙輪鉆頭、改變鉆柱結構參數、使用柔性阻尼器等減震工具，使機械鉆速提高到0.85 m/h以上，同時減少鉆頭使用數量。

（4）在砂泥巖互層段跳鉆比較嚴重時，可以推廣使用雙向減震器和水力加壓器，降低鉆柱縱向振動危害。

（5）在自流井組至須家河組實施大井眼定向鉆井時，可以采用高速螺桿+孕鑲金剛石鉆頭的復合鉆進實現提速提效。

［1］張金成，張東清，張新軍. 元壩地區超深井鉆井提速難點與技術對策［J］. 石油鉆探技術，2011，39（6）：6-10.

［2］龍剛，劉偉，管志川，等. 元壩地區陸相地層鉆井提速配套技術［J］. 天然氣工業，2013，33（7）：80-84.

［3］高航獻，瞿佳，曾鵬琿. 元壩地區鉆井提速探索與實踐［J］. 石油鉆探技術，2010，38（4）：26-29.

［4］董明鍵，肖新磊，邊培明. 復合鉆井技術在元壩地區陸相地層中的應用［J］. 石油鉆探技術，2010，38（4）：38-40.

［5］胡大梁，嚴焱誠，李群生，等. 混合鉆頭在元壩須家河組高研磨性地層的應用［J］. 鉆采工藝，2013，36（6）：8-12.

［6］李子豐，張永貴，侯緒田，等. 鉆柱縱向和扭轉振動分析［J］. 工程力學，2004，21（6）：203-210.

［7］韓春杰，閻鐵. 大位移井鉆柱“粘滯-滑動”規律研究［J］.天然氣工業，2004，24（11）：58-60.

［8］祝效華，湯歷平，孟蘋蘋，等. PDC鉆頭粘滑振動機理分析［J］. 石油礦場機械，2012，41（4）：13-16.

［9］孫起昱，張雨生，李少海，等. 鉆頭扭轉沖擊器在元壩10井的試驗［J］. 石油鉆探技術，2010，38（6）：84-87.

［10］周祥林，張金成，張東清. TorkBuster扭力沖擊器在元壩地區的試驗應用［J］. 鉆采工藝，2012，35（2）：15-17.

［11］李瑋，何選蓬，閆鐵，等. 近鉆頭扭轉沖擊器破巖機理及應用［J］. 石油鉆采工藝，2014，36（5）： 1-4.

［12］蒲洪江，蘭凱，劉明國，等. 元壩101-1H酸性氣藏超深水平井優快鉆井技術［J］. 石油鉆采工藝，2015，37（2）： 12-15.

［13］王文龍，胡群愛，劉化偉，等. 鉆柱縱向振動分析與應用［J］. 振動與沖擊，2011，30（6）：229-233.

［14］王文龍，李子豐. 不同激振條件下減振器對鉆柱縱向振動的影響［J］. 工程力學，2011，28（4）：221-225.

（修改稿收到日期 2015-10-25）

〔編輯 薛改珍〕

Technology for increasing drilling speed in high abrasive hard formation

LAN Kai1，ZHANG Jincheng2，MU Yajun3，CHAO Wenxue1
（1. Drilling Engineering and Technology Research Institute，Zhongyuan Petroleum Engineering Co. Ltd，SINOPEC，Puyang 457001，China；2. Research Institute of Petroleum Engineering，SINOPEC，Beijing 100101，China；3. Southwest Drilling Company Zhongyuan Petroleum Engineering Co. Ltd，SINOPEC，Nanchong 637001，China）

The formation in Ziliujin Group and Xujiahe Group in northeast of Sichuan has compact and highly abrasive rock，can lead to low mechanical drilling speed and high consumption of drill bit，so that it is the key formation which restrict the increase of drilling speed in this area. In order to increase the drilling speed，various new-type downhole tools have been applied，but the effect varies from one to another. Through calculation of rock drillabillity in rock stratum separation section，it is recommended to adopt the impregnated diamond drill bit in the areas from Ziliujin Group to Xujiahe Group，so as to improve the rock-breaking efficiency. In order to reduce the low drilling speed problem caused by failure of drill bit in hard formation and soft-hard alternating formation，the theoretical analysis on torsion and longitudinal vibration of typical drilling tool combination in Three Section has been carried out，so as to advise that，the torsional impacter should be used to help the PDC drill bit to reduce sliding effect in the formation above Dongyuemiao Section，the shock absorbing tool should be used or the drilling tool combination should be changed to reduce the longitudinal vibration in conglomerate-bearing formation in Zhenzhuchong Section，and the double-acting shock absorber or hydraulic thruster should be used to reduce the longitudinal vibration in sand slime formation. The combined drilling technology based on high-speed screw + impregnated diamond drill bit should be used to increase the orientation speed of large wellbore in areas from Ziliujin Group to Xujiahe Group. After the implementation of such technologies in 5 wells，the mechanical drilling speed has been doubled，the new degree of drill bit has been improved by 30%，and the orientation speed of ?311.2 mm wellbore in Xujiahe Group has been increased by 1.32 times.

high abrasive formation； torsional vibration； longitudinal vibration； impregnated diamond drill bit； torsional impacter；hydraulic thruster； dynamical drilling tools

TE21

A

1000-7393（ 2015 ） 06-0018-05 doi:10.13639/j.odpt.2015.06.005

國家科技重大專項“高含硫氣藏超深水平井鉆完井技術”（編號：2011ZX05017-002）的部分內容。

蘭凱，1982年生。2008年獲中國地質大學（武漢）博士學位，2011年從西南石油大學博士后流動站出站，主要從事復雜結構井鉆完井技術研究，博士，高級工程師。E-mail：lank.oszy@sinopec.com。