灰質泥巖地層鉆井提速技術研究

韋丙珂

摘要：濟陽坳陷部分區塊的沙三段地層以灰質泥巖為主，塑性系數高，可鉆性級值較高，硬度中等，鉆進時體積破碎困難，機械鉆速慢，同時砂-泥巖互層多鉆具蹩跳嚴重，大幅降低鉆頭的壽命，根據鉆頭破巖機理設計研制了微心PDC鉆頭，為解決鉆頭憋跳的問題研制了恒扭矩工具，配套形成灰質泥巖地層鉆井提速技術開展了現場應用，與鄰井相同井段相比，節省兩趟鉆，單只鉆頭進尺是鄰井PDC鉆頭的2.2倍，平均機械鉆速7.83m/h，比鄰井提高39%，具有良好的推廣應用前景。

關鍵詞：機械鉆速;微心鉆頭;恒扭矩工具;灰質泥巖

濟陽坳陷下部地層，特別是部分區塊的沙三段地層以灰質泥巖為主，巖性較硬，機械鉆速慢，特別是在很多深井、探井中，機械鉆速只有不到1m/h，選用牙輪鉆頭起下鉆頻繁，選用PDC鉆頭容易泥包，地層適應差，且缺少配套的提速提效工具。因此迫切需要研發一種適應下部泥巖地層的鉆井提速技術，滿足鉆井提速的需要。

1 ?提速難點分析

室內實驗結果表明，濟陽坳陷沙三段灰質泥巖塑性系數高（5-7），平均可鉆性級值5.26，研磨性2-4級，硬度100-500MPa，造成鉆進時體積破碎困難，機械鉆速慢（1m/h左右）。

實鉆情況表明沙三段砂泥巖互層多，如圖1所示，鉆具扭矩波動大，軟硬交替鉆具蹩跳嚴重。這些劇烈的沖擊載荷將會大幅降低鉆頭的壽命，降低機械鉆速。另一方面，扭矩的過量累積容易損壞一些精細的工具，例如旋轉導向工具、MWD等。

2 ?提速原理

在旋轉鉆井中，鉆頭與地層相互作用的能量E主要有兩部分，旋轉產生的動能Ex和震動產生的沖擊能Ez：

式中：Ez—沖擊能，J;Ex—動能，J;Fz—沖擊力，N;N—扭矩，Nmm;d—切削深度，mm;V—破碎的地層體積，mm³。

根據式（3），鉆頭與井底接觸各部位的動能相差較大，在鉆頭最外部的部位，切削能和切削速度越大，而鉆頭軸線上速度為0，破巖能量也為0。此時軸線上的巖石破碎只能依靠鉆頭的沖擊能，因此破巖效率低，從而降低了鉆頭的整體機械鉆速。

3 微心PDC鉆頭的研發

為提高機械鉆速，防止鉆頭軸線附近因動能不足引起的機械鉆速下降，研發了針對軸線部位破巖的微心PDC鉆頭^[1-2]，其核心思想是盡量避免直接切削鉆頭軸線上的的巖石，而是通過特殊的斷心設計使心部的巖石整體斷裂，從而形成一定直徑的巖心，既提高了機械鉆速，又提高了巖屑的研究價值。

（1）型心結構設計。重點優化設計了布齒結構，在鉆頭的軸線部位空置，鉆頭與地層接觸時，鉆頭的軸線部位會通過旋轉磨削形成一個圓柱狀的小巖心，簡稱為微心。

（2）斷心結構設計。通過優化，鉆頭軸線上靠近基體部位與鉆頭軸線設計為具有一定傾斜角度的斜面，主要作用是隨著鉆頭在地層中不斷深入，微心不斷增長，當微心頂端碰到斜面時，斜面會對微心形成一個反作用力，方向與巖心軸線呈一定角度，當作用力超過巖心的斷裂極限時，巖心斷裂。

（3）返心結構設計。巖心斷裂后會進入鉆頭排屑槽，考慮微心的尺寸，同時為了盡量提高微心的收獲率，并使其順利返回地面，因此與斷心結構想通的排屑槽進一步加寬加深，同時通過水力學模擬分析對鉆頭水力結構進一步優化，以提高流量和流速。

4 恒扭矩工具研發

為解決軟硬交替互層鉆具蹩跳問題，根據鉆頭扭矩控制技術，利用預設扭矩閥值來動態平衡井下扭矩。恒扭矩工具通過鉆壓來有限控制鉆頭的切削深度，使用旋轉轉矩作為輸入控制參數，通過簡單有效的方式抵消地層軟硬交錯產生的轉矩突然變大和粘滑^[3]。工作原理是將引起鉆頭蹩鉆的轉矩轉化為BHA的軸向收縮，降低鉆壓，減少切削齒吃入深度，維持繼續旋轉。

5 現場試驗情況

G171井是一口勘探評價井，完鉆層位中生界孔店組。該井中下部地層沙一段至沙四段含有多套致密泥巖、砂巖，鄰井實鉆數據表明，該段機械鉆速較慢，鉆頭磨損嚴重。根據該井的具體巖性特點針對性的優選了微心PDC鉆頭+恒扭矩工具+螺桿鉆具的提速方案并在該井取得了突出的使用效果.

鉆具組合于3開2756m沙三段下井，鉆至3300m沙四段起出，進尺544m，起出后鉆頭和工具新度都在95%以上，還可以繼續下井。相比鄰井GX17井相同井段，節省兩趟鉆，單只鉆頭進尺是鄰井PDC鉆頭的2.2倍，平均機械鉆速7.83m/h，比鄰井提高39%。

6 結論

（1）沙三段灰質泥巖塑性強，可鉆性級值高，體積破碎困難，同時砂泥巖互層鉆具蹩跳嚴重，影響鉆頭壽命，是該地層機械鉆速慢的主要原因。

（2）為提高泥巖的機械鉆速，設計研制了微心PDC鉆頭，提高了鉆頭心部破碎效率，也增大了巖屑的直徑。

（3）為有效解決鉆頭憋跳問題，研制了恒扭矩工具，可有效保護鉆頭，提高鉆頭使用壽命。

（4）現場試驗結果表明，采用微心PDC鉆頭配合恒扭矩工具和螺桿動力鉆具顯著提高了機械鉆速和鉆頭進尺，具有良好的推廣應用前景。

參考文獻

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作者簡介：韋丙珂（1970.3-）男，漢族，山東省禹城縣人，中石化勝利油田分公司石油工程監督中心河口監督站，高級工程師，主要從事鉆井工程監督管理工作。