雙級雙速鉆井工具設計與現場試驗

宿振國 ， 唐志軍

（1. 中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島 266580；2. 中石化勝利石油工程有限公司技術發展處，山東東營 257000；3. 中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257000）

目前，低滲透油氣藏是我國油氣開發的重點，但該類油氣藏具有儲層地質年代久遠、構造復雜、埋藏深和巖石堅硬等特點，所以存在一系列鉆井難點。其中，在確保鉆井安全的前提下，提高機械鉆速、降低鉆井成本是面臨的主要問題[1-7]。目前，國外的低滲透地層鉆井技術較為先進，如垂直鉆井系統、旋轉導向鉆井系統、高效PDC鉆頭、高效動力鉆具及相關的地面鉆井裝備，但相關工具和設備只出租不出售，且租用價格高昂；國內主要采用常規PDC鉆頭和井下動力鉆具，這些工具使用成本較低、應用范圍較廣，但技術水平相對落后，提高機械鉆速的能力較低，難以滿足低滲透油氣藏高效開發的需求[8-10]。為了在一定程度上解決上述問題，筆者基于分級破巖的方法，在PDC鉆頭破巖機理及“PDC鉆頭+螺桿”復合鉆井技術的基礎上，對螺桿鉆具及PDC鉆頭進行了優化，設計了適用于?215.9，?241.3和?311.1 mm井眼的雙級雙速鉆井工具，并進行了現場試驗，結果證明，雙級雙速鉆井工具既能充分發揮PDC鉆頭的優勢，又不會改變現有鉆井工藝和設備，性價比高，提速效果好。

1 雙級雙速鉆井工具破巖機理

從鉆頭破巖原理講，雙級雙速鉆井工具與常規PDC鉆頭沒有區別，都是利用PDC鉆頭犁削破巖。兩者的主要區別是破巖的具體方式不同，雙級雙速鉆井工具有兩級直徑不同的鉆頭，利用較大直徑的一級鉆頭鉆出導眼，釋放巖石內應力，然后利用較小直徑的二級鉆頭跟進破巖。因為一級鉆頭破巖過程中使井底巖石的應力場發生了變化，巖石的抗破碎強度降低，所以二級鉆頭的破巖效率得到提高，從而提高了整體鉆進效率。

雙級雙速鉆井工具與單級鉆頭鉆井時的井底巖石應力場分布如圖1所示。

從圖1可以看出，雙級雙速鉆井工具鉆井時的井底應力擴散區域明顯大于單級鉆頭鉆井，應力集中度也高于單級鉆頭鉆井。這表明一級鉆頭鉆出導眼使井底巖石內應力釋放，巖石內應力大幅降低，使井底巖石的抗破碎強度大幅降低。因此，在相同鉆井參數下，雙級雙速鉆井工具的破巖效率高于常規單級鉆頭。

2 雙級雙速鉆井工具常見結構

雙級雙速鉆井工具主要有同心式和偏心式2種，該工具在“PDC鉆頭+螺桿”復合鉆井的基礎上進行設計的，利用常規動力鉆具驅動雙級PDC鉆頭破巖，既充分發揮了PDC鉆頭的破巖優勢[11]，又具有結構簡單可靠、成本低的特點。

2.1 同心式鉆井工具

2.1.1 同心一體式

美國NOV公司開展了同心式雙級鉆井工具的破巖研究[9]，并研制了雙級鉆頭，如圖2所示。通過室內及現場試驗，發現該鉆頭主要有以下2方面的優點：1）有利于提高鉆井的穩定性，減小鉆井過程中的振動；2）由于一級鉆頭釋放了二級鉆頭鉆進時的壓應力，能夠大幅提高鉆進速度。NOV公司雙級鉆頭的鉆井數據及與常規PDC鉆頭的鉆速對比情況見表1。

圖2 NOV公司研制的雙級鉆頭Fig. 2 Two-stage drill bit developed by NOV

由表1可知，NOV公司研制的雙級鉆頭能夠大幅提高機械鉆速，與常規PDC鉆頭相比，最高可提高88.9%。

2.1.2 同心分體式

NOV公司研制出一種同心分體式雙級雙速鉆井工具，如圖3所示。該鉆井工具的優點為[12-13]：1）一級鉆頭較二級鉆頭具有更高的轉速，有利于提高一級鉆頭的破巖效率，同時降低二級鉆頭的破巖難度，提高二級鉆頭鉆速；2）雙級鉆頭轉向相反時，有助于降低鉆柱的附加扭矩；3）一級鉆壓與二級鉆壓的匹配達到最優時，更有利于快速鉆進；4）轉向相同時，當一級鉆頭轉速高于二級鉆頭轉速時，有利于延長鉆頭壽命；5）適用于多類型鉆頭組合。

表1 NOV公司雙級鉆頭的鉆井數據及與常規PDC鉆頭的鉆速對比Table1 Drilling data of NOV's two-stage drill bit and the comparison of ROP with conventional PDC bit

圖3 同心分體式雙級雙速鉆井工具示意Fig. 3 Schematic of concentric split two-stage and twospeed drilling tool

另外，Baker Hughes公司針對同心分體式[10]雙級鉆井工具提出了多種專用工具設計方案，如圖4所示。但是，截至目前，國外也僅僅是提出了同心分體式雙級雙速鉆井工具的技術方案，未見相關樣機及現場應用方面的報道。

圖4 Baker Hughes公司設計的同心分體式雙級雙速鉆井工具Fig. 4 Concentric split two-stage and two-speed drilling tool designed by Baker Hughes

2.2 偏心分體式鉆井工具

根據相關報道[11]，國外于2014年開始研究偏心分體式雙級鉆井工具，但國內在這方面的研究目前尚處于空白。相關資料表明[11]，偏心式雙級雙速鉆井技術具有以下優點：1）能夠進一步降低巖石破碎難度；2）能夠克服鉆頭中心線速度慢、切削效率低的不足，有利于大幅提高鉆頭切削效率；3）能夠減弱鉆柱的振動[13]，保持鉆井過程的平穩性。

3 雙級雙速鉆井工具優化設計

2016年，勝利油田開始研究雙級雙速鉆井工具，在設計排量、輸出扭矩與轉速和鉆進工具長度等參數后，結合現場實際需要，設計了雙級雙速鉆井工具，該工具采用螺桿鉆具驅動兩級鉆頭，兩級鉆頭均為常規PDC鉆頭，均正向轉動。

3.1 每轉排量設計

鉆井過程中，鉆井液在管柱中自上而下流經雙級雙速鉆井工具，驅動鉆井工具順時針旋轉。因此，螺桿鉆具轉子自轉速度的計算公式為：

式中：γ為轉子自轉轉速，r/min；z為螺桿鉆具轉子密封線下移距離，m；N為轉子頭數；h為轉子與定子的螺距，m。

由式（1）可以得到螺桿鉆具轉子自轉一周后密封線下移距離的計算公式：

式中：H為螺桿鉆具轉子自轉1周后密封線的下移距離，m；Ts為定子導程，m；Tr為轉子導程，m。

定子線性包裹面積減去轉子線性包容面積，即為轉子的截流面積，則螺桿鉆具每轉排量的計算公式為：

式中：q為螺桿鉆具的每轉排量，m3/s；AG為轉子截流面積，m2；As為定子線性包裹面積，m2。

3.2 輸出扭矩與轉速設計

螺桿鉆具的輸出扭矩即為鉆頭的扭矩，其與壓降、每轉排量有關，考慮現場實際工況，設計計算相關參數時忽略螺桿鉆具內部傳動軸等部件間的摩擦。因此，螺桿鉆具輸出扭矩的計算公式為：

式中：MT為螺桿鉆具輸出扭矩，N·m；p為螺桿鉆具的壓降，MPa。

螺桿鉆具輸出轉速的計算公式為：

式中：n為螺桿鉆具的輸出轉速，r/min；Q為排量，m3/s；ηv為螺桿鉆具定子與轉子的容積效率。

3.3 鉆井工具長度設計

隨著螺桿鉆具轉子的不斷轉動，轉子在相對定子轉過轉角α時，隨著轉角不斷增大，轉子與定子之間的過流面積逐漸縮小，轉子與定子之間的過流面也是逐漸關閉的，那么沿著軸向累計，即可計算出螺桿鉆具的長度。

式中：L為螺桿鉆具的長度，m。

根據螺桿鉆具內擺線等距線型的要求，即可用式（6）計算出雙級雙速鉆井工具的長度。

3.4 鉆井工具總體結構設計

考慮現場實際工況，結合國內現有螺桿鉆具的制造工藝，設計了雙級雙速鉆井工具的總體結構。該鉆井工具主要由旁通閥、防脫保護模塊、螺桿動力模塊、雙級雙速輸出軸總成模塊和同心分體式兩級PDC鉆頭組成。

根據現場鉆井的實際需要，分別設計了適用于?215.9，?241.3和?311.1 mm井眼的雙級雙速鉆井工具。其操作方法與常規鉆井工藝基本相同，即：啟動鉆井泵，雙級雙速鉆井工具在高壓鉆井液的驅動下，利用鉆頭的旋轉破巖。

1）適用于?215.9 mm井眼的雙級雙速鉆井工具，長度 7 600.0 mm，質量950 kg，壓降 3.0～3.5 MPa，輸出轉速100～140 r/min，輸出扭矩6 300 N·m。

2）適用于?241.3 mm井眼的雙級雙速鉆井工具，長度7 500.0 mm，質量1 200 kg，壓降3.0～3.5 MPa，輸出轉速100～150 r/min，輸出扭矩8 500 N·m。

3）適用于?311.1 mm井眼的雙級雙速鉆井工具，長度7 500.0 mm，質量1 500 kg，壓降3.0～3.5 MPa，輸出轉速100～150 r/min，輸出扭矩9 500 N·m。

4 現場試驗

筆者所設計的雙級雙速鉆井工具在勝利油田營66-斜98井、營2-斜更9井和夏52-斜227井等3口井進行了現場試驗。試驗結果表明，雙級雙速鉆井工具應用效果良好，不但具有穩斜、穩壓作用，而且提速效果顯著。

4.1 營 66–斜 98 井

4.1.1 試驗井參數

營66-斜98井最大井斜角35°，穩斜段鉆遇東營組，設計井身結構見表2。該井利用常規鉆井技術鉆進時蹩跳鉆頻繁，鉆壓波動較大。因此，在該井2 373.00～2 523.50 m井段進行了雙級雙速鉆井工具試驗，其目的是，在滿足井眼軌跡控制要求的同時，是否能穩定鉆壓、提高鉆速。

表2 營66–斜98井的井身結構Table2 Casing program of Well Y66-X98

4.1.2 試驗結果及效果分析

試驗井段鉆壓20～40 kN，排量27～30 L/s，泵壓11～13 MPa。鉆進過程中鉆壓平穩，泵壓穩定無異常波動，鉆具上提下放順暢，大鉤載荷正常；完成試驗后將工具起出井眼，檢查鉆井工具、鉆頭都無損傷。

營66-斜98井采用雙級雙速鉆井工具鉆進井段的機械鉆速與鄰井使用常規鉆具鉆進的相同井段的機械鉆速進行了對比，結果如圖5所示。

圖5 營66–斜98井雙級雙速鉆井工具與鄰井常規鉆具鉆速對比Fig. 5 Comparison of ROP between two-stage and twospeed drilling tool in Well Y66-X98 and the conventional drilling tools in offset wells

由圖5可知，采用雙級雙速鉆井工具后機械鉆速提高了61.3%，提速效果顯著。

4.2 營 2–斜更 9 井

4.2.1 試驗井參數

營2-斜更9井最大井斜角28°，下部井段扭方位，是一口典型的三維井眼定向井，設計井身結構見表3。該井采用常規鉆井技術鉆進時，蹩跳鉆頻繁，鉆壓波動較大，因此在1 434.00～1 750.22 m井段進行雙級雙速鉆井工具試驗，鉆具組合為?215.9 mm雙級雙速鉆井工具+回壓閥（411×410）+?177.8 mm無磁鉆鋌+?214.3 mm螺旋穩定器+?177.8 mm鉆鋌×2柱+?165.1 mm 鉆鋌×2柱+鉆桿。

表3 營2–斜更9井設計井身結構Table3 Casing program of Well Y2-XG9

4.2.2 試驗結果及效果分析

試驗井段鉆壓20～30 kN，排量27～30 L/s，泵壓11～12 MPa。鉆進過程中鉆壓平穩，泵壓穩定，試驗后檢查工具、鉆頭都無損傷。營2-斜更9井使用雙級雙速鉆井工具鉆進井段的機械鉆速與鄰井使用常規鉆具鉆進相同井段的機械鉆速進行了對比，結果如圖6所示。

圖6 營2–斜更9井雙級雙速鉆井工具與鄰井常規鉆具鉆速對比Fig. 6 Comparison of ROP between two-stage two-speed drilling tool in Well Y2-XG9 and the conventional drilling tools in offset wells

由圖6可知，采用雙級雙速鉆井工具后機械鉆速提高了58.9%，提速效果顯著。

4.3 夏 52–斜 227 井

4.3.1 試驗井參數

夏52-斜227井設計的井身結構見表4。其中，二開直井段設計井深1 350.00 m。為了驗證雙級雙速鉆井工具在該井直井段鉆進過程中的提速、防斜和穩定鉆壓的效果，在310.00～1 210.50 m井段（直井段）進行了試驗，鉆具組合為?215.9 mm雙級雙速鉆井工具+回壓閥（411×410）+?177.8 mm 無磁鉆鋌+?214.3 mm螺旋穩定器+?177.8 mm鉆鋌×2柱+?165.1 mm 鉆鋌×2柱+鉆桿。

表4 夏52-斜227井的井身結構Table4 Casing program of well X52-X227

4.3.2 試驗結果及效果分析

試驗井段鉆壓20～30 kN，排量27～30 L/s，泵壓11～12 MPa。鉆進過程中鉆壓平穩，泵壓穩定，直井段防斜打直效果明顯，機械鉆速相比鄰井平均提高120.9%（見圖7），試驗后檢查雙級雙速鉆井工具未損壞。

圖7 夏52–斜227井雙級雙速鉆井工具與鄰井常規鉆具鉆速對比Fig. 7 Comparison of ROP between two-stage two-speed drilling tool in Well X52-X227 and the conventional drilling tools in offset wells

雙級雙速鉆井工具在上述3口井完成試驗后，鉆頭有輕度磨損，再次開泵測試，發現該工具的動力性有所降低，分析認為螺桿鉆具部分達到使用壽命。3口井的現場試驗結果表明，機械鉆速平均提高80.37%，提速效果顯著。

5 結論與建議

1）雙級雙速鉆井工具利用一級鉆頭破巖并鉆出導眼，然后用二級鉆頭鉆進地層。一級鉆頭鉆出導眼釋放井底巖石內應力，巖石抗破碎強度降低，使二級鉆頭鉆進更為容易，從而實現提高鉆井效率的目的。

2）基于已有研究成果，根據現場鉆井的實際需要，分別設計了適用于?215.9，?241.3和?311.1 mm井眼的雙級雙速鉆井工具。

3）勝利油田3口井的現場試驗表明，雙級雙速鉆井工具提速效果顯著，試驗井段平均提速80.37%，其使用壽命達到142.4 h，鉆壓、泵壓及工具性能穩定，安全可靠性高。

4）建議開展專用螺桿鉆具和PDC鉆頭性能及匹配性的研究，以充分發揮雙級雙速鉆井工具成本低、效率高的優勢，為低滲透油氣藏的高效開發提供技術支撐。