松遼盆地低滲水平井鉆井提速工具研制及應(yīng)用

魏向輝，王 輝，張 斌

（中國(guó)石油渤海石油裝備鉆井裝備分公司，天津 300280）

0 引言

目前，全球油氣勘探開發(fā)趨勢(shì)正從常規(guī)油氣藏向低滲透、非常規(guī)發(fā)展。其中，探明儲(chǔ)量中，低滲、特低滲透油氣藏達(dá)70%，由于水平井能有效擴(kuò)大油氣儲(chǔ)層的裸露面積，日產(chǎn)量平均為直井的4 倍以上，所以水平井已經(jīng)成為低滲油藏高效開采的主要方式。

在國(guó)內(nèi)，隨著螺桿鉆具和鉆頭技術(shù)的發(fā)展，工具的匹配技術(shù)在水平井中的研究應(yīng)用也有了較大的進(jìn)步。螺桿鉆具加鉆頭復(fù)合鉆井技術(shù)在各油田水平井開發(fā)中已經(jīng)開始全面推廣，復(fù)合鉆井的技術(shù)特點(diǎn)是采用滑動(dòng)及旋轉(zhuǎn)復(fù)合的鉆井方式，進(jìn)一步提高了PDC 鉆頭在井底的旋轉(zhuǎn)速度，充分發(fā)揮PDC 鉆頭在井底高轉(zhuǎn)速下鉆速快的優(yōu)勢(shì)。

由于大部分鉆井工具生產(chǎn)廠家僅單獨(dú)進(jìn)行一種產(chǎn)品研制，在針對(duì)工況變化及產(chǎn)品優(yōu)化配置提速方面的研究不夠深入。在使用的過程中，由于螺桿鉆具和鉆頭的匹配技術(shù)研究不夠深入，相關(guān)提速工具研發(fā)和配套應(yīng)用技術(shù)研究進(jìn)度慢，使水平井在鉆井提速中遇到了一些問題。例如，使用PDC 鉆頭定向時(shí)工具面不穩(wěn)定，螺桿鉆具或鉆頭早期失效的情況也時(shí)有發(fā)生。

松遼盆地低滲透油藏水平井主要區(qū)塊為大慶、吉林的致密油、頁(yè)巖油區(qū)塊，目的層為青山口和泉頭組，青山口以灰黑色泥巖、泥頁(yè)巖、油頁(yè)巖為主，泉頭組以紫紅色泥巖、灰白色粉細(xì)砂巖為主，該井段泥巖多，鉆頭易泥包，造斜段、水平段使用需要提升鉆頭、螺桿鉆具等提速工具產(chǎn)品工具面的穩(wěn)定性和造斜能力。本文通過PDC 鉆頭、螺桿鉆具、井壁修復(fù)工具等提速工具的個(gè)性化設(shè)計(jì)及一體化配套優(yōu)化技術(shù)研究，整體提高水平井鉆井機(jī)械鉆速。

1 個(gè)性化PDC 鉆頭設(shè)計(jì)研究

1.1 一體式鉆頭結(jié)構(gòu)提升定向造斜能力

研究表明縮短鉆頭長(zhǎng)度，可以有效提升鉆具組合的造斜能力，通過對(duì)鉆頭整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及加工制造工藝攻關(guān)，將以往應(yīng)用的鉆頭冠和接頭分體式鉆頭改進(jìn)成一體式結(jié)構(gòu)，通過五軸數(shù)控加工的工藝改進(jìn)，使″鉆頭整體長(zhǎng)度縮短了80 mm以上，提升了鉆頭的定向造斜能力（圖1）。

圖1 創(chuàng)新型高造斜的一體式設(shè)計(jì)鉆頭

1.2 高攻擊性布齒減少反扭矩

為提高機(jī)械鉆速，減少鉆頭反扭矩，通過地層可鉆性分析及機(jī)械鉆速模擬分析，最終采用19°～21°小后傾角高攻擊性布齒設(shè)計(jì)（圖2），同時(shí)在肩部選用異型切削齒，分解地層對(duì)鉆頭的正面沖擊力，可有效減少巖屑與復(fù)合片35%的摩擦，產(chǎn)生巖屑更薄、更小，有效降低鉆頭反扭矩，提升機(jī)械鉆速和定向工具面控制能力。同時(shí)，通過異型切削的尖角設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)應(yīng)力破巖，提高鉆頭吃入地層的能力，加強(qiáng)鉆頭攻擊性。

圖2 異形切削齒鉆頭

1.3 高效攜巖防泥包設(shè)計(jì)

在長(zhǎng)水平段泥巖施工中，主要通過個(gè)性化流道和水眼空間設(shè)計(jì)提高鉆頭的排屑能力，采用彈頭形排屑槽設(shè)計(jì)（圖3），提高了表面流速；在兩刀翼規(guī)徑之間的流道上增設(shè)一圈固定噴嘴，規(guī)徑直沖噴嘴設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了泥漿直接沖洗排屑槽，防止水平段施工時(shí)刀翼之間的流道泥包；采用定向分流噴嘴，改變射流方向，直接沖洗復(fù)合片，定向分流噴嘴設(shè)計(jì)可有效提高切削齒冷卻效率及鉆頭攜巖能力。

圖3 彈頭形排屑槽

流道個(gè)性化設(shè)計(jì)建模后，通過PDC 鉆頭水力優(yōu)化技術(shù)研究，建立PDC 鉆頭井底三維模型，通過進(jìn)口、出口和井底平面三個(gè)面的邊界條件設(shè)置，利用數(shù)值模擬功能完成了刀翼表面鉆井液流動(dòng)情況、距井底不同距離平面泥漿的速度云圖模擬計(jì)算，提高鉆頭表面流速，優(yōu)化水眼噴射方向，消除了鉆頭中心部分低速區(qū)，解決了水平段鉆遇泥巖時(shí)排屑困難導(dǎo)致的鉆頭泥包問題。

2 短彎點(diǎn)高造斜螺桿設(shè)計(jì)

針對(duì)水平井快速調(diào)整井眼軌跡使用需求，研制新型結(jié)構(gòu)傳動(dòng)軸、改進(jìn)扶正器結(jié)構(gòu)、采用高性能串軸承、水帽一體式接頭、將彎點(diǎn)下移至傳動(dòng)軸殼體上等新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使彎點(diǎn)距鉆頭端面的距離縮短了30.6%，造斜率提升22%。

3 水平井井壁修復(fù)工具設(shè)計(jì)技術(shù)

井壁修復(fù)器和通井工具的切削齒是用于輔助修復(fù)井壁的作用，不同于PDC 鉆頭復(fù)合片的直接切削地層。井壁修復(fù)器切削齒是安裝在同圓心的扶正筋上，與井壁的切削作用是旋轉(zhuǎn)刮擦，給予切削齒25°～30°后傾倒角，以提高切削齒抗沖擊及抗研磨性能。

從井壁修復(fù)器常規(guī)切削齒、低摩阻切削齒工作模擬中可以看出（圖4），其工作特點(diǎn)為低摩阻切削齒與井壁的接觸面積較大，提高了切削齒的抗沖擊和抗研磨性能，同時(shí)降低了切削齒與井壁的摩擦阻力，具有低扭矩特征，適合作為井壁修復(fù)器切削元件用于PDC 保徑部位。

而切削齒與硬質(zhì)合金混合布齒設(shè)計(jì)（圖5），則是根據(jù)井壁修復(fù)器扶正筋寬度來計(jì)算硬質(zhì)合金的布齒間距及位置，以達(dá)到360°范圍內(nèi)扶正筋全覆蓋，從而全方位保護(hù)扶正筋本體不受磨損。

圖5 井壁修復(fù)器扶正筋硬質(zhì)合金布齒

4 一體化配套優(yōu)化技術(shù)

針對(duì)長(zhǎng)水平段水平井施工中的提速難點(diǎn)，在鉆井提速工具產(chǎn)品個(gè)性化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，研究形成了“一體式穿山甲異型齒PDC 鉆頭+大排量、高造斜螺桿”優(yōu)化配置提速方案，全面提升低滲透油藏水平井鉆井工具一體化提速技術(shù)能力。在提高造斜能力方面，一體式異型齒PDC 鉆頭與短彎點(diǎn)高造斜螺桿實(shí)現(xiàn)強(qiáng)強(qiáng)結(jié)合，全面提升了鉆具組合在造斜段和水平段應(yīng)用的造斜能力，提高長(zhǎng)水平段井施工中井眼軌跡的調(diào)整能力，同時(shí)可以有效降低滑動(dòng)鉆進(jìn)占比，提高鉆進(jìn)機(jī)械鉆速。

在優(yōu)化水力結(jié)構(gòu)方面，鉆頭的高效攜巖水力結(jié)構(gòu)配合螺桿鉆具大排量馬達(dá)線型結(jié)構(gòu)，在滿足現(xiàn)場(chǎng)大排量使用工況需求的同時(shí)，可以有效防止鉆頭泥包，充分發(fā)揮激進(jìn)鉆井的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，整體提升了水平井鉆井機(jī)械鉆速。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用成果

鉆井提速工具在大慶松遼盆地乾安某頁(yè)巖油井水平段使用兩趟鉆，使整井鉆進(jìn)周期縮短到35.56 d，較之前超2000 m 水平段水平井的最快完鉆記錄提前了11.36 d，水平段平均機(jī)械鉆速達(dá)到7.17 m/h，創(chuàng)該區(qū)塊指標(biāo)；水平段最高日進(jìn)尺達(dá)到228 m，創(chuàng)該區(qū)塊最長(zhǎng)日進(jìn)尺指標(biāo)；水平段單趟鉆進(jìn)尺達(dá)到1016 m，創(chuàng)該區(qū)塊水平段單趟鉆進(jìn)尺指標(biāo)（圖6）。

圖6 試驗(yàn)鉆頭出井狀態(tài)

6 結(jié)束語

針對(duì)松遼盆地低滲透致密油鉆井難點(diǎn)進(jìn)行了水平井鉆井提速工具研制及應(yīng)用攻關(guān)，特別是針對(duì)性地開展了PDC 鉆頭個(gè)性化設(shè)計(jì)、短彎點(diǎn)高造斜大排量螺桿設(shè)計(jì)、井壁修復(fù)工具等提速工具的個(gè)性化設(shè)計(jì)及一體化配套優(yōu)化技術(shù)。經(jīng)過鉆井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了極佳的鉆井提速效果，整體鉆井成本明顯下降，為實(shí)現(xiàn)本區(qū)致密油藏的效益化開發(fā)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。