哈薩克斯坦KKM油田鉆具強穩降振提速技術研究

趙全民

(中國石化集團國際石油勘探開發有限公司，北京 100121)

哈薩克斯坦KKM油田鉆遇了中新生代的沉積地層，最大厚度3662 m。以三疊系地層開始，以新近系-第四系地層(含第四系地層)結束。該油田為受斷層影響的近東西走向的長軸背斜構造，主要儲層為中侏羅系，埋深2550～3150 m。巖性為含泥質砂巖，屬于低孔、低滲、高溫、高礦化度、砂巖復雜油藏。由于油田油藏地質條件復雜，軟硬地層互層，對鉆井和增產工程技術提出了較大挑戰，鉆井機械鉆速平均11.27 m，鉆井周期達到29.5 d，提高了鉆井成本，降低了開發效益，因此需要開展適合該油田的鉆井提速技術研究。

1 高攻擊性鉆頭設計

KKM油田三開地層巖性600～950 m為灰色灰巖，950～2300 m巖性為灰色、棕紅色泥巖和灰色砂巖互層，2300～2550 m巖性為泥巖、砂巖和泥灰巖，2550 m至井底為大段的砂巖和泥巖地層。基于測井資料，首先對KKM地層的可鉆性剖面進行了分析，見圖1。KKM油田下部地層，巖性為砂泥巖，可鉆性級值大部分在2～6。

圖1 KKM油田地層可鉆性分析Fig.1 Drillability analysis of KKM Oilfield

鉆頭是通過鉆頭牙齒來直接破碎巖石的，每個牙齒的破巖過程是鉆頭破碎地層的微小單元和基本過程。對于牙輪鉆頭來講主要的破碎過程是沖擊，剪切為次要作用；雖然PDC鉆頭的主要破巖過程是切削，但是切削的前提必須是牙齒進入地層。因此無論對于牙輪鉆頭還是PDC鉆頭來講，牙齒進入地層的深度都是影響機械鉆速的重要原因。

牙齒破碎巖石是一個非常復雜的過程，目前并沒有一個完善的模型去描述這個過程。從鉆井的實際出發，機械鉆速是最為關注的結果，通過分析,牙齒吃入地層的深度是一個關鍵的影響因素。因此本文以牙齒吃入地層深度為研究重點，分析牙齒形狀、巖石力學性質以及破巖的力學環境對于牙齒吃入地層深度的影響規律。

根據實驗及理論證實，鉆頭牙齒吃入地層分為兩個步驟：牙齒在力的作用下接觸巖石，隨著力的增大巖石內部應力變大，尤其是靠近牙齒的部分，內部的應力狀態很快就超過了巖石的強度而出現破碎，由于力足夠大，并且破碎的碎片在無法流動到其他的地方因此被重復破碎直至成為粉末，粉末被擠壓成為可以觀察得到的密實核。如果施加的力繼續增加，則更多的巖石被壓碎；與此同時牙齒和密實核共同作用在巖石內部形成了新的應力場，尤其是粉末形成的密實核在高壓下具有一定的流動性，因此在軸向方向的力會被流動的密實核傳遞到周圍，這就是巖石破碎的第二階段。指向周圍的壓力隨著軸向壓力的增大而增大，吃入深度也在增加，這樣的過程一直持續到周圍壓力超過了巖石強度，而出現大范圍的巖塊崩落，至此一個周期的破碎過程結束[1]。

首先建立了“地層特性-鉆壓-PDC齒尺寸”吃入深度計算模型[2]，采用常用的摩爾庫倫準則作為巖石的破壞準則：

τ-σtgφ=c

(1)

式中：τ——巖石受到的剪切應力，MPa；φ——巖石內摩擦角，(°)；c——巖石粘聚力，MPa。

圖2 牙齒吃入巖層示意圖Fig.2 Sketch map of PDC invasion

綜合考慮地應力、PDC齒尺寸、鉆壓、地層強度等因素，推導了牙齒吃入地層深度的計算公式，因此可以將各種因素對吃入深度的影響反映出這些因素對機械鉆速的影響[3-5]。

h=〔cos(α+θ)-sin(α+θ)tgφ〕/{〔(Pf+Pm)/2-

cos(2θ)(Pf-Pm)/2-bPp〕tgφ+cθ-

sin(2θ)(Pf-Pm)/2}·Fsinθ/(2sinα)

(2)

式中：h——吃入深度，m；Pf——水平圍壓，MPa；Pm——鉆井液井底壓力，MPa；Pp——地層孔隙壓力，MPa；θ——巖石剪切破壞面與井底平面夾角，(°)；α——牙齒一半尖角，(°)；F——牙齒受到的力，N。

從公式中可以看出這些因素包括：牙齒形狀及受力、地層壓力、鉆井液井底壓力、巖石力學性質、地層性質以及井底流性質等。因此就可以將各種因素對吃入深度的影響反映出這些因素對機械鉆速的影響。

基于模型計算結果(見圖3)，設計的4刀翼19 mm大尺寸復合片可切削破碎更大體積的砂泥巖地層，吃入地層更深；相對于常規的5～6刀翼小尺寸PDC復合片鉆頭，機械鉆速更高。

圖3 不同鉆頭類型吃入巖層深度計算結果Fig.3 Calculation results of different bit invasion depth

2 強穩減振提速鉆具組合設計

4刀翼19 mm大尺寸復合片在提高機械鉆速的同時也加劇了井下振動，將導致鉆頭及鉆具組合的損壞。為了解決這一問題，提高鉆井效率，降低鉆井成本，在借鑒國內水平井井眼軌跡控制技術的基礎上，單彎雙扶螺桿具有優良的降斜性能，后面再配有一個?214 mm穩定器可起到穩定鉆具組合、降低井下振動的作用。單彎螺桿形成的微擴徑井段，可有效避免三扶鉆具組合的卡鉆事故。

造斜或增斜時，彎外殼鉆具組合滑動鉆進可以完成，旋轉鉆進時可以保持穩斜鉆進，外殼體螺桿鉆具復合鉆進時，彎殼體螺桿在彎曲井眼中旋轉，其變形受力呈周期性變化形成交變應力，尤其當螺桿彎曲與井眼彎曲方向相反時，要經受巨大的變形和受力。而之后形成的小曲率井眼使得本來彎曲的螺桿鉆具組合變直，因此受力變形同樣很大。

對于KKM油田地層，雖然疏松的地層不利于井眼軌跡的控制，但是由于井眼的擴大使得彎外殼導向馬達復合鉆進時的受力降低很多，這就有利于大角度導向鉆具的旋轉復合鉆進，因此可以采用一套鉆具組合，使用一趟鉆打完造斜段、穩斜調整段以及水平段。

基于上述組合和較為疏松的哈國地層，對于上述組合旋轉鉆進時的力學參數進行計算，利用縱橫彎曲連續理論可以計算不同彎角的彎殼體螺桿鉆具在不同曲率井眼中各處的彎矩，鉆頭以及穩定器處的受力：

(3)

式中：M(i)——第i個穩定器處的彎矩，N·m；X(ui)、Y(ui)、Z(ui)——為第i跨梁柱的放大因子；Li——第i跨梁柱的長度,m；Ii——第i跨梁柱的截面軸慣性矩,m4；qi——第i跨梁柱上的均布橫向載荷集度，N/m；E——鉆柱彈性模量，N·m2;ei——第i個穩定器處的間隙，m。

設計了以下鉆具組合：?215.9 mm PDC鉆頭+?172 mm 0.5°單彎雙扶螺桿×1根+?158.8 mm鉆鋌×1根+?214 mm穩定器+?158.8 mm無磁鉆鋌×1根+?158.8 mm鉆鋌×1～4根+?127 mm加重鉆桿×15根+?127 mm鉆桿。鉆井參數：鉆壓10～60 kN，轉速50+螺桿，排量25～32 L/s。

對上述鉆具組合進行了分析：圖4計算結果顯示，KKM采用的單彎雙扶+穩定器組合隨著鉆壓的增加，其側向力變化小，相對常規的單彎單扶+穩定器組合其穩定性更強。這就意味著可以在較高的鉆壓下進行鉆進，側向力保持相對穩定，從而可以在保持井眼軌跡穩定的同時提高機械鉆速。

圖4 不同鉆具組合側向力對比Fig.4 Comparison of different BHA side force

根據美國石油學會推薦公式，鉆柱橫向振動是鉆鋌兩個接觸點為鉸支點，發生琴弦狀的振動，橫振固有轉速公式如下：

式中：nc——鉆鋌橫震頻率；D——鉆鋌外徑，m；d——鉆鋌內徑，m；l——兩個穩定器之間的長度，m。

基于圖5計算結果，對于常規鉆具組合，兩穩定器之間距離在20～30 m，其固有轉速在100 r/min，與正常鉆進時的轉速相當，因此容易引起橫向振動。KKM油田采用的單彎雙扶+穩定器組合的兩穩定器之間距離控制在10 m以內，固有轉速可達700 r/min，基本避開了正常鉆進的鉆柱轉速，因而可保持穩定，避免橫向振動。

圖5不同鉆具組合穩定性對比
Fig.5Comparison of different BHA stability

3 應用及效果分析

基于研究成果，在KKM油田先后順利完成10口井深3200 m左右的鉆井工程，各項指標大幅提高。如KKM814井在三開768～2181 m井段使用了一只4刀翼19 mm 1914D鉆頭，進尺1413 m，純鉆時間28 h，平均機械鉆速50.46 m/h，機械鉆速明顯優于同井段的其他鉆頭；而在KKM813井三開使用一只VIS519鉆頭從井深1019 m鉆至3225.5 m，單只鉆頭進尺2206.0 m，純鉆時間180.5 h，機械鉆速12.22 m/h，創出該區塊單只鉆頭最大進尺記錄，較大地提高了工作效率。總體上，攻擊力強的19 mm復合片PDC鉆頭能在?215.9 mm井段取得較好鉆速。4刀翼的19 mm PDC鉆頭在2300 m以淺明顯優于5刀翼的MS1951KZ型號的PDC鉆頭。通過成功的鉆頭設計，10口井平均機械鉆速24.27 m/h，比盧克公司11.27 m/h提高了13 m/h，提高幅度達115.35%。在鉆頭大幅度提高機械鉆速的同時，井斜角保持在2°～4°，完全符合井身質量要求，體現出KKM單彎雙扶+穩定器組合優秀的防斜效果。

4 結論

(1)基于KKM油田地層分析，研究提出了高攻擊性PDC鉆頭與強穩減振提速鉆具組合，形成了針對性的提速技術，取得了良好的提速效果。

(2)形成的強穩減振提速技術主要是鉆頭和鉆具組合研究，建議對鉆壓、轉速及水力等鉆井參數進行進一步研究。