“孕鑲金剛石鉆頭+高速螺桿”技術在川東北致密地層應用及效果分析

陳海峰，李凱賢

（中石化西南石油工程有限公司，四川成都610041）

“孕鑲金剛石鉆頭+高速螺桿”技術在川東北致密地層應用及效果分析

陳海峰*，李凱賢

（中石化西南石油工程有限公司，四川成都610041）

川東北地區自流井珍珠沖段及須家河組地層可鉆性差，研磨性強。為提高破巖效率，降低鉆井成本，前期進行了多井次的孕鑲金剛石鉆頭+螺桿的應用研究，取得一定的提速破巖效果。YB12-1H井在總結前期使用經驗的基礎上，選用DIG259S和NR826M兩種國產孕鑲金剛石鉆頭以及5LZ216和CLZ216兩種型號國產高速螺桿，分別搭配使用進行鉆頭和螺桿的選型研究。應用結果表明，NR826M鉆頭搭配CLZ216螺桿具有較高的機械鉆速和純鉆時間。該鉆具組合在珍珠沖段地層，單趟進尺191.32m，純鉆時間208.75h，平均機械鉆速0.92m/h，在須家河組平均機械鉆速達到1.01m/h，有效地提高了該區塊的純鉆時效，為元壩地區同類地層孕鑲金剛石鉆頭和高速螺桿的選型提供了良好的借鑒經驗。

元壩；孕鑲金剛石鉆頭；高速螺桿；珍珠沖；須家河

元壩地區的自流井組和須家河組地層巖性堅硬、石英含量高、研磨性強、部分井段含礫巖，可鉆性極差，前期一直以牙輪鉆頭常規鉆井為主，單趟入井純鉆時間短，機械鉆速低。為提高鉆井效率，先后采用了欠平衡鉆井、渦輪鉆井等鉆井技術，取得了一些進步［1-4］。但是由于自流井及須家河組存在高壓油氣層，欠平衡鉆井井控風險大，限制了該技術的應用推廣；渦輪鉆井技術雖可大幅度地提高機械鉆速和純鉆時間，但由于其結構的特殊性，極易發生卡鉆等井下事故，提速效果不穩定，且渦輪及與其配合的孕鑲金剛石鉆頭皆為國外進口，成本費用較高［3］。

為了提出與元壩地區自流井組和須家河組地層相適應的高效破巖鉆頭和破巖工具，經過研究與實踐，選擇了風險小、成本低的孕鑲金剛石鉆頭+螺桿鉆井技術，并在該地區多口井中得到應用，取得了一定現場經驗和破巖效果。前期多口井使用了孕鑲金剛石鉆頭+螺桿鉆井技術，但由于鉆頭和螺桿的選型適應性問題，并存在純鉆時間短、機械鉆速低的問題。

本文在分析了該技術前期使用經驗的基礎上，給出了元壩地區螺桿和鉆頭適應性選型的建議，并在YB12-1H井中進行了應用，取得了提速破巖效果，機械鉆速和純鉆時間均有較大提高，為該地區鉆井提速提效及降本增效探索了一個新的方向。

1　孕鑲金剛石鉆頭+螺桿破巖技術的工作原理

孕鑲金剛石鉆頭主要通過研磨破巖，金剛石顆粒在軸向力和扭矩的作用下，連續研磨、刻劃、犁削巖石，達到破碎巖石目的，以這種破巖方式為主的金剛石鉆頭具有很高的耐磨性，因此極適用于硬—堅硬研磨性地層的鉆進。

螺桿鉆具是一種將液體的壓力能轉化為轉動的機械能的容積式井下動力鉆具。螺桿鉆具接在鉆頭的上面，高壓泥漿流經螺桿鉆具的馬達時，產生扭矩，驅動馬達的轉子轉動，從而帶動下面的鉆頭工作，提高鉆頭的破巖效率。目前國產單頭高速螺桿最高轉速可300～500r/min。

高速螺桿配合長壽命、高效的孕鑲金剛石鉆頭，輔之以轉盤（或頂驅）復合鉆進，就可以在常規鉆壓下獲得較高的機械鉆速和較長的鉆井進尺，尤其適合在研磨性強、可鉆性差的地層使用。

2　YB12-1H井鉆頭及螺桿選型

2.1選型依據

分析前期孕鑲金剛石鉆頭+高速螺桿使用情況，YB12-1H井選型主要針對以下問題：

（1）鉆頭缺乏地層適應性，使用效果不穩定。YB1-1H在自流井組珍珠沖段和須家河四段各使用S281型號鉆頭1只。珍珠沖段進尺99.25m，純鉆時間160h，平均機械鉆速0.62m/h，鉆遇巖性為灰色泥巖、灰黑色頁巖、灰色細粒砂巖、礫巖；須家河四段進尺僅14.39m，純鉆時間46.83h，平均機械鉆速0.31m/h，鉆遇巖性為粗粒巖屑砂巖及砂礫巖。由此可見鉆頭對巖性及其敏感，選用合適的鉆頭對破巖效率的提升至關重要。

（2）螺桿轉速普遍較低導致破巖效果不理想。前期應用中使用了5LZ197和7LZ197兩種型號螺桿，螺桿鉆速普遍較低，最高轉速為160r/min，達不到孕鑲鉆頭高速破巖的要求。因此需要選用高速、長壽命螺桿來提高相應鉆頭的破巖效率、發揮出鉆頭的破巖潛能。

2.2鉆頭選型

根據元壩地區地層特性及鄰井使用情況，YB12-1H井自流井珍珠沖段及須家河組地層部分井段選取了NR826M和DIG259S型號孕鑲金剛石鉆頭，其結構特點分別如下：

NR826M型號鉆頭如圖1所示。該鉆頭改進了胎體配方，提高了胎體對金剛石的包鑲能力；采用耐磨的混鑲金剛石熱壓鑲嵌齒作為切削齒，提高鉆頭壽命和進尺；選擇交錯布齒的方式減小鉆頭在井底的接觸面積，提高鉆頭切削效率，采用大直徑底噴式、深流道輻射狀水路，充分滿足鉆頭冷卻和井底排屑要求，同時保徑部位將水路流道槽合并加寬，大間隙刀翼結構不易被掉落巖塊卡死。

DIG259S型號鉆頭如圖2所示。該鉆頭借鑒PDC鉆頭設計理念，采用離散化切削結構，形成了獨特的孕鑲切削破巖模式；冠部形狀設計為中拋物線形防掏心結構，克服了老式孕鑲鉆頭易掏心的缺陷；選擇長保徑設計增加了鉆頭穩定性；并且增加水眼優化了水力結構，適用于中硬—極硬研磨性地層。

圖1　NR826M型號鉆頭入井前

圖2　DIG259S型號鉆頭入井前

2.3螺桿選型

根據孕鑲金剛石鉆頭高轉速要求，選取了5LZ216 和CLZ216兩種型號的國產高速螺桿。根據使用統計結果，該兩種螺桿性能穩定，高速旋轉情況下使用壽命長，滿足地層破巖和選型鉆頭的要求，其性能參數見表1。

表1　YB12-1H井螺桿性能參數表

3　YB12-1H井應用效果分析

3.1應用情況介紹

YB12-1H井在自流井組珍珠沖段及須家河組使用NR826M型號鉆頭3只，DIG259S型號鉆頭1只，國產CLZ216型號高速螺桿2根，5LZ216型號高速螺桿1根，共下5鉆趟，本文為表述方便，將NR826M型號鉆頭分別編號為1#、2#和3#，將CLZ216螺桿分別編號為1#、2#。5趟鉆情況見表2。

第1趟使用NR826M型號鉆頭（1#）配合CLZ216螺桿（1#），出井口鉆頭及螺桿都到達使用壽命，鉆頭孕鑲塊磨損15～17mm，磨損程度60%，鉆頭出井情況如圖3所示。

第2趟下入DIG259S型號鉆頭CLZ216螺桿（2#），起鉆時螺桿時間113.33h，起鉆前鉆時連續15m超過70min/m，出井鉆頭孕鑲齒磨損9～11mm，磨損程度50%，鉆頭出井圖片如圖4所示。

表2　YB12-1H井孕鑲金剛石鉆頭+高速螺桿使用情況

圖3　第1只NR826M型號鉆頭出井照片

圖4　DIG259S型號鉆頭出井照片

圖5　第2只NR826M型號鉆頭出井照片

圖6　第3只NR826M型號鉆頭出井照片

考慮到2號CLZ216螺桿未達到使用壽命，第3趟鉆下入全新礦NR826M鉆頭（2#）配合該螺桿，螺桿到達使用壽命后鉆頭出井孕鑲塊磨損5～6mm，如圖5所示。

第4趟下入全新NR826M型號鉆頭（3#）配合修復CLZ216螺桿（1#修復），進尺31.03m后進尺緩慢，加鉆壓無壓降，螺桿失效，出井孕鑲塊磨損3～4mm，可以繼續使用，如圖6所示。

第5趟繼續下入第3號NR826M型號鉆頭配合全新5LZ216螺桿，鉆進至后期，螺桿壓降明顯下降，鉆頭出井孕鑲塊較入井前磨損3～4mm。

3.2應用情況與鄰井對比

從表3可以看出，YB12-1H井孕鑲金剛石鉆頭+高速螺桿在各項指標上均較鄰井大幅提高，單趟平均進尺、平均純鉆時間和平均機械鉆速分別是鄰井最高指標的2.38倍、1.78倍和1.30倍。

3.3YB12-1H井應用效果評價

YB12-1H井鉆進施工中采用了兩種鉆頭及兩種螺桿，分別配對使用，使用效果如表4、表5和表6所示。

表3　YB12-1H井孕鑲金剛石鉆頭+高速螺桿與鄰井同地層使用情況對比

表4　NR826M型號鉆頭+CLZ216螺桿鉆進情況

表5　DIG259S型號鉆頭+CLZ216螺桿鉆進情況

表6　NR826M型號鉆頭+5LZ216螺桿鉆進情況

（1）鉆頭使用效果分析。純鉆時間上，第1只NR826M鉆頭純鉆時間208.75h，并且鉆穿了自流井組珍珠沖段厚度達57m的砂礫巖及礫巖層，第2只及第3只由于螺桿使用壽命的限制，純鉆時間較短，但磨損情況較第1只輕；DIG259S鉆頭入井純鉆時間86.83h，磨損程度就達到50%，且后期鉆速明顯下降，兩種型號鉆頭對比，NR826M鉆頭明顯優于DIG259S鉆頭。

機械鉆速上，3只NR826M鉆頭平均機械鉆速為0.95m/h，DIG259S鉆頭平均機械鉆速為0.97m/h，兩種鉆頭基本持平。

綜合純鉆時間和機械鉆速兩點，NR826M鉆頭優于DIG259S鉆頭，可在元壩地區大力推廣。

（2）螺桿使用效果分析。使用時間上，兩根全新CLZ216螺桿純鉆時間分別為250.27h和263.5h，5LZ216型號螺桿循環時間為163.67h，CLZ216螺桿明顯優于5LZ216螺桿。

機械鉆速上，5LZ216螺桿平均機械鉆速僅為0.63，而CLZ216螺桿平均機械鉆速為0.95m/h，并且其中第一根全新螺桿穿越了57m厚的砂礫巖及礫巖層，第二根螺桿機械鉆速為1.01m/h，CLZ216螺桿明顯優于5LZ216螺桿。

綜合鉆頭及螺桿，NR826M鉆頭配合CLZ216螺桿使用效果最佳，提速提效效果顯著。

4結論及建議

（1）YB12-1H井自流井組珍珠沖段及須家河組地層孕鑲金剛石鉆頭+螺桿復合鉆井技術單趟平均進尺126.07m，平均純鉆時間144.81h，平均機械鉆速0.87m/h，分別是前期應用井次最高水平的2.83倍、1.78倍和1.3倍。

（2）在元壩地區珍珠沖段及須家河組推薦采用NR826M鉆頭+CLZ216螺桿組合，可大幅提高純鉆時間及機械鉆速。

（3）珍珠沖段及須家河組巖性交錯，地層破碎，尤其是珍珠沖段底部普遍含礫石層，掉塊較多，螺桿+孕鑲金剛石鉆頭極易發生阻卡，推薦鉆具組合中加入隨鉆震擊器，以便在出現阻卡能及時處理。

（4）螺桿要求大排量和高泵壓，使用中出現憋泵時泵壓高達30MPa，建議使用50MPa以上的地面高壓管線，泥漿泵缸套選用?160mm。

［1］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.

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A

1004-5716（2016）02-0076-05

2015-02-15

2015-02-15

陳海峰（1977-），男（漢族），四川營山人，工程師，現從事鉆井生產技術管理工作。