鉆井提速及鉆頭優(yōu)選研究在某油田的應(yīng)用

羅 曼，和鵬飛，宋峙潮

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

引言

鉆井是油氣開發(fā)的主要工程過程，面臨卡、漏、噴等諸多風(fēng)險(xiǎn)，隨著國家油氣勘探開發(fā)形勢的發(fā)展，各大油田鉆井工程呈現(xiàn)向縱深發(fā)展的趨勢[1-4]。為了提高效率、降低成本，采用科學(xué)化、信息化、數(shù)字化鉆井是新的方向，以提高鉆井效率為例，從傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)法鉆井向科學(xué)選型鉆頭、科學(xué)選擇鉆井參數(shù)邁進(jìn)[5-8]。針對(duì)川中東某油田的鉆井提速問題，進(jìn)行了研究與相關(guān)應(yīng)用。

1 項(xiàng)目簡介

井身結(jié)構(gòu):該區(qū)塊位于川中東部。以探明須家河油氣為主，完鉆層位雷口坡或須一，垂直井深2 300 m 左右。某129井用時(shí)28.25 d 鉆進(jìn)至井深2 328 m 順利完鉆，平均機(jī)械鉆速5.94 m/h，見表1。某131 井用時(shí)50.54 d 鉆進(jìn)至井深2 803 m 順利完鉆，井斜73.89°，位移733.5 m，平均機(jī)械鉆速4.20 m/h，見表2。某140 井用時(shí)21.62 d 鉆進(jìn)至井深2 440 m 順利完鉆，平均機(jī)械鉆速7.37 m/h，見表3。

表1 某129 井井身結(jié)構(gòu)實(shí)際數(shù)據(jù)表

表2 某131 井井身結(jié)構(gòu)實(shí)際數(shù)據(jù)表

表3 某140 井井身結(jié)構(gòu)實(shí)際數(shù)據(jù)表

2 提速難點(diǎn)

（1） 地層夾層多。沙溪廟、涼高山和自流井組地層為泥巖、頁巖砂巖夾層，均質(zhì)段短，軟硬交錯(cuò)明顯、鉆頭繃齒嚴(yán)重，不利于鉆頭選型和判斷。

（2） 須家河地層可鉆性極差。須家河地層以砂巖泥頁巖為主，砂巖巖性致密，可鉆性差，厚度在450 m～600 m 左右，同時(shí)該段油氣顯示活躍，鉆井液密度相對(duì)較高，仍是制約本區(qū)塊提高鉆速的一個(gè)瓶頸，起鉆換鉆頭頻繁。目前還沒有優(yōu)選出成熟的適合該地層的PDC 鉆頭。

（3） 油氣顯示頻繁。從沙一、涼高山、大安寨、東岳廟到須六、須五、須四、須二都能見油氣顯示。井控風(fēng)險(xiǎn)大，如鉆遇高壓層因頻繁壓井影響時(shí)效。

（4） 本區(qū)塊上部地層坍塌嚴(yán)重，造成機(jī)械鉆速較低，起下鉆遇阻嚴(yán)重等問題。若同時(shí)出現(xiàn)大井眼，鉆井設(shè)備能力不足，將導(dǎo)致井下攜砂困難，發(fā)生鉆頭憋跳和起下鉆遇阻頻繁，嚴(yán)重影響鉆井周期。

（5） 軌跡控制上經(jīng)驗(yàn)不夠成熟，四合一鉆具穩(wěn)定性不高，須家河滑動(dòng)鉆進(jìn)效率很低。

3 提速及鉆頭優(yōu)選關(guān)鍵技術(shù)

3.1 鉆壓和轉(zhuǎn)速優(yōu)選實(shí)驗(yàn)

為了確定最優(yōu)鉆井參數(shù)，在現(xiàn)場做了如下實(shí)驗(yàn)，首先要選擇可鉆性比較均勻的地層。根據(jù)鉆井經(jīng)驗(yàn)，分別記錄了某 -24-X4 和某-55-X1 井在沙一段的鉆時(shí)，見表4。可以看出沙一段的可鉆性比較均勻，所以選擇某-55-X2 井沙一段地層進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。確定實(shí)驗(yàn)井段：由表4 的鉆時(shí)記錄得，實(shí)驗(yàn)可以選擇1 150～1 180 m 和1 180～1 202 m兩個(gè)井段。確定實(shí)驗(yàn)參數(shù)：在1 150～1 180 m 井段保持鉆壓80 KN不變，轉(zhuǎn)速的變化區(qū)間為30～90 rpm；在1 180～1 202 m 井段保持轉(zhuǎn)速60 rpm 不變，鉆壓的變化區(qū)間為20～120 KN，依次在兩個(gè)井段選擇7 個(gè)點(diǎn)和11 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。根據(jù)表5 的鉆時(shí)記錄數(shù)據(jù)分別作圖1 和圖2。

表4 沙一段鉆時(shí)記錄表

表5 某-55-X2 沙一段鉆時(shí)記錄表

分析圖1 得：

圖1 轉(zhuǎn)速-鉆速曲線(W=80 KN)

（1） 機(jī)械鉆速與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為指數(shù)關(guān)系,且指數(shù)小于1。可用如下形式表示：

式中：vpc-鉆速，m/h；n-轉(zhuǎn)速，rpm；λ-轉(zhuǎn)速指數(shù)，一般小于1。

（2） 隨轉(zhuǎn)速的增大，轉(zhuǎn)速指數(shù)是逐漸變小的，并且鉆速存在最大值。

分析圖2 得：

圖2 鉆壓-鉆速曲線(n=60 rpm)

（1） 本試驗(yàn)鉆壓在20 KN 之前基本是沒有進(jìn)尺的，也就是說該鉆頭在本地層的門限鉆壓等于20 KN。

（2） 機(jī)械鉆速在一定限度內(nèi)與鉆頭壓力的增大成比例地增長，圖中的區(qū)間為40～90 KN 的范圍。由圖可得鉆壓與鉆速可表示為：

式中：W-鉆壓，kN；M-門限鉆壓，kN。

（3） 當(dāng)鉆壓高于某一數(shù)值時(shí)，鉆壓的增加不會(huì)使鉆速變快，反而有變慢的趨勢，然后趨于一個(gè)穩(wěn)定值。

3.2 PDC 鉆頭19 mm，16 mm，13 mm 復(fù)合片現(xiàn)場選型對(duì)比

為了確定鉆頭選型的最優(yōu)化，在現(xiàn)場做了如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)鉆記錄同井場不同兩口井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)比。如某-55-X2 井和某-55-X3 井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表（表6）。由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)合PDC 鉆頭現(xiàn)場使用情況，并依據(jù)PDC鉆頭的特性，分析總結(jié)得出以下結(jié)論：

表6 某-55-X2 和某-55-X3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

（1） 表層鉆進(jìn)和二開鉆進(jìn)沙西廟東岳廟地層，地層可鉆性比較穩(wěn)定，選擇19 mm 復(fù)合片的PDC 鉆頭鉆進(jìn)是比較成熟的方式，19 mm 復(fù)合片的PDC 鉆頭選型應(yīng)注重刀翼部齒攻擊性較強(qiáng)，同時(shí)也減弱了抗磨損的能力，所以在使用中應(yīng)注意保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速和送鉆的均勻性。在前期鉆壓使用上保證鉆壓維持在4～8 t 合理范圍之內(nèi)，轉(zhuǎn)速控制在55～60 +L 左右，防止鉆頭出現(xiàn)前期磨損過大。尤其在涼高山含有灰黑色頁巖和泥質(zhì)細(xì)沙巖不等互層鉆時(shí)波動(dòng)較大，為防止泥包現(xiàn)象卡鉆，適當(dāng)上調(diào)轉(zhuǎn)速，調(diào)整泥漿性能。

（2） 二開鉆進(jìn)至完鉆選擇16 mm 復(fù)合片的PDC 鉆頭主要注重在鉆頭的抗磨性，同時(shí)保證較快的機(jī)械鉆速。由于珍珠沖以后的地層可鉆性差，主要以中沙巖和細(xì)沙巖為主。16 mm 復(fù)合片的PDC鉆頭布齒較密接觸地層點(diǎn)多、吃入地層深度較淺，在鉆進(jìn)過程與中硬地層之間沖擊力較小，不容易出現(xiàn)斷齒和掰齒現(xiàn)象，從而保持以較穩(wěn)定的鉆時(shí)鉆進(jìn)，減少了起下鉆次數(shù)。19 mm 復(fù)合片的PDC 鉆頭使用不理想，鉆頭鉆進(jìn)至珍珠沖地層易出現(xiàn)泥包且磨損劇烈，單只鉆頭進(jìn)尺只有20～30 m 就出現(xiàn)錐形磨損（如某-55-X2 在珍珠沖1 681～1 901 m 處）。主要原因在鉆頭刀翼排屑槽過深，泥巖容易隨鉆頭慢慢擠入刀翼之間形成泥包，PDC 布齒較希接觸地層點(diǎn)少、冠部突出復(fù)合片吃入地層較深，鉆進(jìn)中與中硬地層之間的剪切沖擊力過大而出現(xiàn)掰齒和斷齒現(xiàn)象，在冠部突出復(fù)合片出現(xiàn)缺失，從而使鉆頭刀翼出現(xiàn)磨損加劇現(xiàn)象。

（3） 三開須家河- 完鉆選擇13 mm 復(fù)合片的PDC 鉆頭。三開鉆頭尺寸主要以6″和5-7/8″為主，19 mm 復(fù)合片和16 mm 復(fù)合片布齒過于稀疏不能保證接觸地層點(diǎn)多、吃入地層深度較深，不能保證鉆頭的抗磨性。此段使用13 mm 復(fù)合片的PDC 鉆頭是為保證單只鉆頭較快的機(jī)械鉆速，同時(shí)保證單只鉆頭的進(jìn)尺。注意PDC 和螺桿的合理使用，在須六和須四段主要以細(xì)沙巖和頁巖為主，地層研磨性強(qiáng)，PDC 轉(zhuǎn)速不宜過高，主要以常規(guī)鉆具加PDC 或牙輪鉆頭。

4 現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用

以實(shí)驗(yàn)-對(duì)比-總結(jié)-調(diào)整參數(shù)的模式對(duì)各個(gè)地層進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，同時(shí)結(jié)合了牙輪鉆頭的使用。在該地區(qū)PDC 鉆頭使用情況起到較好的應(yīng)用效果。某129 井創(chuàng)下在該區(qū)塊三開探井鉆井周期最短紀(jì)錄。其中二開用時(shí)9.47 d，機(jī)械鉆速7.82 m/h，創(chuàng)造了該隊(duì)在該區(qū)塊二開一趟鉆、二開完鉆周期最短、機(jī)械鉆速最快、純鉆時(shí)率最高四項(xiàng)紀(jì)錄。某131 井是在該區(qū)首口大尺寸、大斜度、大位移氣探井。某140 井再次刷新該區(qū)塊三開探井鉆井周期最短紀(jì)錄。其中單只鉆頭進(jìn)尺達(dá)到1 166 m，成功地完成了“二開沙二至須六單只鉆頭一趟鉆試驗(yàn)”，創(chuàng)造了該區(qū)塊三開探井單只鉆頭進(jìn)尺最高新紀(jì)錄。

5 結(jié)論

（1） PDC 鉆頭在現(xiàn)場使用效果證明，在不同的地層中，PDC 鉆頭的鉆壓和轉(zhuǎn)速存在最佳參數(shù)組合。該地區(qū)地層差異性大，同層之間夾層較多，現(xiàn)場須經(jīng)常實(shí)驗(yàn)對(duì)比及時(shí)調(diào)整鉆井參數(shù)，實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)。

（2） PDC 鉆頭選型優(yōu)化需針對(duì)地層的可鉆性，泥巖的含量，以及設(shè)計(jì)井眼的大小選擇不同大小的復(fù)合片，同時(shí)注意使用過程利用鉆頭的優(yōu)勢和弱點(diǎn)合理調(diào)整技術(shù)參數(shù)。