蘇里格南小井眼鉆頭優選及改進設計

郁燕飛，郭 亮，董易凡，陶瑞東，馮雪誠，魯 超

（1.渤海鉆探第三鉆井公司，天津 300280；2.中國石油長慶油田蘇里格南作業分公司，陜西西安 710018）

蘇里格南區塊為長慶油田公司與法國道達爾公司共同投資開發的合作項目，該區塊位于內蒙古自治區鄂托克前旗南部地區，與陜北接壤，地處毛烏素沙漠南部。由于小井眼井鉆井在成本節約及環保方面都具有巨大優勢，可降低鉆井綜合成本，經濟效益十分可觀[2]。因此，建設方在該區塊全部采用小井眼鉆井以達到節約投資的目的。該區塊實施小井眼井的井身結構為二開五段制定向井，表層采用φ222.25 mm鉆頭，二開使用φ152.4 mm或φ155.6 mm鉆頭。造斜點一般為表層井深400 m，二開裸眼段長達3 200 m，長井段的小井眼鉆井施工一直是國內外鉆井的技術難題，國內此類的小井眼井鉆井還處于試驗探索階段，鉆井施工難度大，可借鑒經驗極少[2-5]。本文重點介紹該區塊小井眼井的鉆頭優選及個性化設計，對今后蘇里格氣田以及國內其他地區實施此類井身結構開發，提供了寶貴經驗，以供借鑒。

1 概況

1.1 地層特點

該區塊上部地層安定組、直羅組易垮塌，但可鉆性好；紙坊組和和尚溝組含礪夾層；下部地層劉家溝組、石千峰、馬家溝地層可鉆性變差；石千峰地層棕紅色泥巖易對鉆頭產生泥包。若采用大井眼尺寸的鉆頭可通過加大鉆壓的方式提高破巖效率，但小井眼（φ152.4 mm或φ155.6 mm）能夠采用的最大鉆壓僅為80 kN，鑒于上述情況，對鉆頭的防泥包、攻擊性、切削齒質量等綜合性能提出了嚴峻的挑戰。

1.2 井身結構

表層采用φ222.25 mm鉆頭鉆至700 m～800 m，二開使用φ152.4 mm或φ155.6 mm鉆頭鉆至完井（3 800 m～4 000 m）。造斜點一般為表層井深400 m，裸眼段長達3 200 m。

1.3 鉆井液體系及基本性能

二開小井眼井段試驗了三種鉆井液體系，即高效水基鉆井液、天然高分子、天然高分子+有機鹽。三種鉆井液體系所達到的性能基本一致，事故復雜為零，能滿足抑制性、井壁穩定、攜砂等性能要求。

2 鉆頭優選及改進設計

該區塊實施的井表層大多在700 m～800 m，且上部地層可鉆性較好，提速空間不大，因此本文重點圍繞二開進行鉆頭優選和個性化改進設計。二開使用φ152.4 mm或φ155.6 mm（非標鉆頭，通用性差）鉆頭，裸眼段長達3 200 m，提速空間大，但對鉆頭優選和個性化改進設計要求較高。

表1 SN134-01井鉆頭實鉆統計表

2.1 φ155.6 mmPDC鉆頭優選

結合該區塊地層特點，考慮定向工具面穩定，兼顧攻擊性，初步設計第一口井小井眼φ155.6 mmPDC鉆頭采用SD6532和SD6531兩種型號，根據實鉆情況（見表1）進行詳細分析對比后對鉆頭進行改進，從而達到提高機械鉆速的目的。

鉆頭起出后發現SD6531和SD6532兩種型號均有不同程度泥包現象，特別是SD6532較為嚴重，通過水力模擬發現（見圖1和圖2），該鉆頭水力設計存在低流速區。

2.2 φ155.6 mmPDC鉆頭改進設計

通過分析鉆頭的速度分布圖（見圖1）和起出磨損情況（見表1），對φ155.6 mm上部井段使用的SD6532鉆頭進行優化設計（見表2），調整了噴嘴數量、大小、噴射方向，解決鉆頭泥包問題；優化冠部輪廓、切削齒數量、角度，增加整體鉆頭攻擊性，提高鉆頭吃入深度、提升破巖效率。將φ155.6 mmSD6532型號的鉆頭經過個性化優化設計后的型號命名為φ155.6 mmSD6522。

圖1 SD6532速度分布圖

表2 φ155.6 mm上部井段鉆頭優化前后參數對比

同理，調整了SD6531鉆頭噴嘴噴射方向、大小、數量（見表3），解決鉆頭泥包問題。優化了切削齒角度，提升破巖效率，提高了機械鉆速，比改進前提高20%以上。

圖2 SD6532速度矢量圖

表3 φ155.6 mmSD6531優化前后參數對比

表4 改進后PDC鉆頭使用效果分析

改進設計的鉆頭型號φ155.6 mmSD6522和SD6531在現場進行了3口井試驗，滑動鉆進時工具面穩定，起出后均無鉆頭泥包現象（見表4）。

2.3 φ152.4 mmPDC鉆頭改進設計

因φ155.6 mm鉆頭通用性差，與建設方協商后將井眼尺寸改為φ152.4 mm，在φ155.6 mmPDC鉆頭個性化設計的基礎上，進一步提高鉆頭穩定性、攻擊性，主要有以下四個方面優化。

（1）增加保徑長度。沿用了φ155.6 mm的三長兩短的刀翼設計思路，同時在原基礎上增加了保徑面長度，修改后在定向井滑動鉆進時保證工具面的穩定性，在直井鉆進中起到防斜打直的作用。

圖3 布齒分布圖

（2）調整布齒，增加攻擊性。減少了主切削齒數量，由17片減少到15片；后傾角由原來的20°～14°減小為18°～12°；側傾角控制在 0°～10°，通過減小復合片傾角來提高鉆頭攻擊性（見圖3）。

（3）優化水力參數。沿用寬深水槽設計，減少刀翼厚度；采用五個可調水眼的水力設計，便于鉆頭調整水力參數。

（4）調整復合片出韌高度。增加了鉆頭復合片的出露高度，復合片的出露高度由6 mm提高到8 mm，使鉆頭在井底工作時增加復合片對地層的吃入深度（見圖4），從而達到提高機械鉆速的目的。

圖4 復合片出韌高度調整

新設計的φ152.4 mm鉆頭型號為SD6521ZC，在SN134-05（直井）和 SN134-06（定向井）兩口井中進行了現場試驗，提速效果明顯，實現了兩趟鉆完成（見表5）。該型號鉆頭能同時兼顧φ155.6 mm個性化設計的SD6531和SD6522兩種型號鉆頭的優點，同時減少了φ155.6 mm井眼更換鉆頭起下鉆次數，從而提高了行程鉆速。

表5 φ152.4 mmSD6521ZC使用效果分析

3 結論與建議

（1）改進設計的φ155.6 mmSD6531和SD6522型號PDC鉆頭，既成功解決鉆頭泥包問題，也能滿足提高機械鉆速的要求。

（2）改進設計的φ152.4 mmSD6521ZC鉆頭型號，能實現單井二開兩趟鉆完井，但下部井段鉆頭磨損嚴重，建議根據實鉆資料和地層分析，進一步對鉆頭進行改進設計，力爭早日能夠實現二開井段一趟鉆完成。