三種鉆井提速工具在隴東氣田的應用研究

摘 要：為了解決隴東氣田水平井和定向井鉆進過程中定向嚴重托壓、工具面不穩定、滑動鉆進困難、定向段機械鉆速低等技術難題，使用了水力振蕩器、牙輪-PDC混合鉆頭、定制螺桿三種新型井下工具?，F場應用表明，這三種新型井下工具基本上解決了區塊定向托壓、滑動鉆進困難、機械鉆速低的問題，達到了區塊鉆井提速的目的。

關鍵詞：隴東氣田；混合鉆頭；水力振蕩器；定制螺桿

中圖分類號：TE921 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）14-00115-03

Study on Three New Downhole Tools Application in Longdong Gas Field

ZHANG Shizhong

（Henan Drilling Company of SINOPEC North China Oil Engineering Limited Corporation，Nanyang Henan 473000）

Abstract： In order to solve the technical difficulties during the directional well and the horizontal well drilling， such as serious backpressure， unstable tool face， difficulty in sliding drilling and lower drilling speed in directional section， hyfraulic oscillator， roller-PDC hybird drill bit and custom hydraulic motor hadbeen applied in Longdong Gas Field. Field application showed that， these three new downhole tools could solve the drilling problems to a certain extend， and achieve the aim at increasing speed of drilling in Longdong Gas Field.

Keywords： Longdong Gas Field；roller-PDC hybird drill bit； hydraulic oscillator；customhydraulic motor

隴東氣田是長慶油田近年來的主力開發氣田之一，其位于鄂爾多斯盆地西南部，即伊陜斜坡、天環坳陷和渭北隆起3個構造單位的交界處。其地層從上到下依次為第四系，白堊系，侏羅系安定組、直羅組和延安組，三疊系延長組、紙坊組、和尚溝組和劉家溝組，二疊系石千峰組、石盒子組、山西組和太原組，石炭系本溪組，奧陶系馬家溝組，寒武系張夏組和徐莊組。

1 鉆井施工難點

1.1 目的層埋藏深度大、地層老，機械鉆速低

區塊開發井多以二疊系石盒子組、山西組和太原組為目的層，部分探井以奧陶系馬家溝組、寒武系張夏組和徐莊組為目的層，其地層埋藏垂直深度普遍在4 000m以上，且地層古老。這使得地層的可鉆性較差，特別是定向滑動鉆進過程中，由于鉆壓很難有效施加在鉆頭上，機械鉆度較低[1]。

1.2 定向鉆進托壓嚴重，滑動鉆進困難

區塊大斜度定向井和水平井施工中，井深3 500m以上，井斜在40°以上井段，定向托壓嚴重。慶1-11-67H2井每次定向僅能滑動鉆進0.2～0.5m，就需要活動鉆具，重新擺工具面，嚴重影響定向施工。慶1-11-69C4井在定向增斜段，日進尺僅25m。

2 常規技術措施

為了解決上述兩大難題，針對性制定了工程和鉆井液技術措施，主要包括：加強四級固相控制，減少鉆井液中劣質固相；及時補充降失水劑，降低鉆井液失水，在井壁上形成優質泥餅；加大潤滑劑的用量，提高含油量，以增加鉆井液潤滑性；優化鉆具組合，細化鉆進參數；強化劃眼和短起下，及時修整井壁等。這些技術措施在現場應用過程中取得了一定效果，定向托壓得到一定改觀，但其根本問題依然未得到徹底解決，嚴重制約著區塊鉆井提速[2]。為了有效解決這些問題，隴東氣田使用了3種鉆井提速工具，現在對這3種工具的應用進行詳細分析。

3 水力振蕩器的應用

水力振蕩器通過產生縱向脈沖改善鉆進中的鉆壓傳遞，滑動鉆進時，將鉆具與井壁間的靜摩擦轉化為動摩擦，有效減小摩阻，改善托壓情況，并使得定向工具面穩定，以達到提高機械鉆速的目的。

慶1-12-67H2井自井段4275～4436m下入Φ172mmAgitator水力振蕩器（見圖1），鉆具組合為：Φ216mmPDC鉆頭+Φ172mm×1.5°螺桿+Φ127mm無磁承壓鉆桿+脈沖發生器懸掛短節+Φ127mm無磁承壓鉆桿+Φ127mm斜坡鉆桿×9根+Φ172mm水力振蕩器短節+Φ127mm斜坡鉆桿×36根+Φ127mm加重鉆桿×45根+Φ127mm斜坡鉆桿串[3]。

水力振蕩器使用前后機械鉆速對比結果見表1。從表1可知，使用水力振蕩器后，滑動鉆機械鉆速達到1.89m/h，較未使用水力振蕩器前1.29m/h提高了約47%；復合鉆機械鉆速穩中有升，達到3.01m/h，較未使用水力振蕩器前2.88m/h提速約5%。可見，水力振蕩器在定向滑動鉆進中提速明顯。

水力振蕩器使用前期效果更為顯著，滑動工具面能保證在要求的范圍內，基本不用上提下放活動鉆具，保證了螺桿的造斜率，確保井眼軌跡平滑，能夠達到預期的效果。后期也出現了托壓粘卡及工具面不回的現象，但其滑動鉆進托壓情況仍有很大的改善，能滿足定向施工需要。

4 牙輪-PDC混合鉆頭的應用

牙輪-PDC混合鉆頭兼具牙輪沖擊破碎和PDC剪切破碎的特點，牙輪齒的沖擊力對巖石產生預破碎，減弱了巖石的強度，一方面降低了PDC切削齒的切削載荷，另一方面提升了鉆頭破巖效率。此外，在定向滑動鉆進中，牙輪-PDC混合鉆頭的扭矩波動相對PDC鉆頭較小，定向工具面穩定，造斜率更高。在大斜度井段應用混合鉆頭，能較大程度地降低托壓對滑動鉆進的影響，從而達到減少滑動鉆、增加復合鉆、提高機械鉆速的目的[4]。

慶1-12-68H2井在二開造斜段應用江鉆Φ216mmKPM1642ART牙輪-PDC混合鉆頭（見圖2），較普通PDC鉆頭工具面更穩定，造斜率平均增加49%，最高增加87%。牙輪-PDC混合鉆頭使用前后增斜效果對比結果具體見表2。

5 定制螺桿的應用

滑動鉆進造成的不規則井壁或螺旋狀井眼，或大斜度井段的巖屑床，都會增大井下摩阻。隴東區塊定向段一般使用Φ172mm單彎螺桿，帶有近鉆頭扶正器，其尺寸一般多為212mm或213mm，其形狀多為常規螺旋式或三瓣式。在定向鉆進過程中，由于螺桿扶正器靠近鉆頭，極易卡在不規則井壁處，或被堆積的巖屑承托，造成定向托壓[5]。

定制螺桿優化螺桿結構，適當縮小扶正器尺寸，增大螺桿環空間隙，減小螺桿扶正器與井壁的接觸面積，達到減小井下摩阻，改善定向滑動鉆進托壓的目的。

慶1-12-68H2井在增斜段使用定制螺桿，極大改善了定向托壓問題，滑動鉆進過程中基本不需要反復上下活動鉆具，在定向增斜段配合牙輪-PDC混合鉆頭使用，工具面穩定。該井定向增斜段平均日進尺達到80m以上，較使用前增加了一倍以上。

6 結論與建議

①新型井下工具的應用，基本解決了隴東氣田大斜度定向井與水平井施工中定向托壓、滑動鉆進困難的問題，有效減少了定向滑動鉆進時間，增加了復合鉆時間，一定程度上提高了機械鉆速，實現了隴東氣田鉆井提速的目的。

②水力振蕩器能有效改善滑動鉆進托壓，提高機械鉆速。在現場使用過程中，應優化其在下部鉆具中的安放位置，最大限度地發揮其優勢。

③牙輪-PDC混合鉆頭的使用，能顯著提高定向造斜率，減少滑動鉆進，增加復合鉆進。但是，受到牙輪軸承壽命的制約，應注意避免掉牙輪事故的發生。

④通過定制螺桿，優化螺桿結構，能有效減小井下摩阻，改善定向滑動鉆進托壓情況。

參考文獻：

[1]王萬慶.隴東氣田水平井鉆井技術[J].石油鉆探技術，2017（2）：15-19.

[2]明瑞卿，張時中，王海濤，等.國內外水力振蕩器的研究現狀及展望[J].石油鉆探技術，2015（5）：116-122.

[3]石崇東，黨克軍，張軍，等.水力振蕩器在蘇36-8-18H井的應用[J].石油機械，2012（3）：35-38.

[4]明瑞卿.水力振蕩器提速原理分析與現場試驗[J].石油工業技術監督，2015（9）：7-9.

[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（6）：8-12，149.