許 愛

(中石化華北石油工程有限公司五普鉆井分公司東北指揮部，吉林 長春 130062)

1 概況

梨樹斷陷位于吉林省公主嶺市松遼盆地南部東南隆起區(qū)，地層自上而下為第四系，白堊系上統(tǒng)青山口組，白堊系下統(tǒng)泉頭組、登婁庫組、營城組、沙河子組;中國石化在該區(qū)擁有礦權面積1835.91 km2，油氣資源當量3.55億t，已探明油氣當量7383.68萬t，占東北分公司總探明儲量的46%，具有重要的資源戰(zhàn)略地位。但由于該區(qū)塊登婁庫組及以下地層鉆井效率較低，鉆井周期較長;鉆井成本較高，并且直接影響建產(chǎn)進度，在本區(qū)塊開展渦輪鉆井技術提速提效勢在必行。

2 梨樹斷陷巖石力學參數(shù)

通過對測井資料的分析和巖心的實驗，梨樹斷陷的巖石力學強度變化規(guī)律如下。

(1)梨樹斷陷地層巖石強度隨地層埋深增加而增加。上部地層至登婁庫組，巖石抗壓強度近似呈快速線性遞增，抗壓強度平均值從40～140 MPa;登婁庫組至沙河子組地層巖石強度增速變緩，三層強度基本相當，抗壓強度平均值基本上處于150 MPa左右;進入火石嶺，抗壓強度平均值快速增加到240 MPa。

(2)由于地層受沉積環(huán)境、構造運動等綜合因素影響，層間巖石強度變化大，同一地層間的抗壓強度最大值與最小值之間的差值有50～140 MPa，泉頭組相對變化強度較小，至沙河子組地層二者之間的差值較大。

(3)青山口組及上部地層，地層抗壓強度平均值靠向抗壓強度的最小值，泉頭組及下部地層，巖石抗壓強度平均值靠向抗壓強度的最大值。

(4)巖石的彈性模量與巖石的抗壓強度體現(xiàn)的規(guī)律一致，從嫩江組至登婁庫組，地層巖石彈性模量平均值由8 GPa線性遞增到40 GPa;登婁庫組至沙河子組，巖石彈性模量平均值處于50 GPa左右;進入火石嶺組，巖石彈性模量平均值又快速增加到60 GPa。

(5)從巖石的變形能力來說，登婁庫組及上部地層的巖石泊松比平均值在0.25～0.34之間，變形能力較強，塑性特征明顯;登婁庫組至沙河子組地層巖石泊松比平均值在0.25左右;火石嶺組地層巖石泊松比平均值快速降到0.21左右，呈現(xiàn)硬脆性特征。

(6)青山口組及上部地層巖石抗拉強度較小，平均值＜3 MPa;從泉頭組至沙河子組，地層巖石抗拉強度平均值處于3.5～5.2 MPa之間;火石嶺組巖石抗拉強度平均值7 MPa。

(7)由營城組二段至營城組四段巖石強度逐步增加，平均彈性模量由上部的28369 MPa增加到下部的38212 MPa，平均泊松比也由上部的0.233降低到下部的0.231，抗壓強度則由100.61 MPa增加到175.97 MPa，抗拉強度由3.22 MPa增加到下部的8.37 MPa，粘聚力也由上部的18.34 MPa逐步增加到下部的23.27 MPa;在營城組，與砂巖相比泥巖強度很低，中砂巖強度高于細砂巖，泥質粉砂巖強度最高。

(8)對于沙河子組埋藏深，巖石強度整體較高，但由于沉積與構造運動的影響，部分巖層發(fā)育裂縫，致使這些地層強度較低(只有58.73 MPa)，其余完整地層巖石強度最高達到253.3 MPa，沙河子地層巖石平均彈性模量為38935.83 MPa，平均泊松比0.213，平均抗壓強度為 153.96 MPa，粘聚力為23.57 MPa;沙河子組的泥巖處于粉砂巖和含礫細砂巖之間。

由于登婁庫組、營城組、沙河子組、火石嶺組地層巖石力學強度較高、可鉆性差、巖性較致密、局部含礫嚴重，并且沙河子組局部層位巖石可鉆性達到7級，采用常規(guī)鉆井技術效率極低，通過嘗試渦輪鉆井技術效率得到大幅度提高。

3 渦輪鉆井技術

渦輪鉆具工作時利用高速高壓鉆井液沖擊渦輪定子、轉子葉片，反向彎曲的定轉子葉片將液能轉化為機械能;輸出扭矩驅動鉆頭轉動而破碎巖石。渦輪鉆具最大特點不含橡膠，耐高溫，適用深井、高溫高壓鉆井作業(yè)。

3.1 渦輪鉆具的結構原理

渦輪鉆具由渦輪節(jié)和支承節(jié)組成，它們分別由渦輪定子、轉子、主軸、止推軸承組、扶正軸承、聯(lián)接器和外殼等主要零部件組裝而成(見圖1)。目前渦輪鉆具采用先進的PDC軸承、平衡鼓和彎筒技術，PDC軸承的使用使渦輪鉆具能夠適應超高溫的鉆井環(huán)境，平衡鼓提高了渦輪效率，彎筒技術提高了鉆具的定向能力。2002年低速、大扭矩齒輪系統(tǒng)的開發(fā)擴展了渦輪鉆具的應用優(yōu)勢。經(jīng)過不斷的應用和改進，渦輪工具逐步發(fā)展成熟。渦輪鉆具PDC止推軸承(見圖2)具有較高的耐研磨能力，可以在超高溫度(目前最高溫度233℃)條件下進行操作，并能承受較大的軸向載荷，其材質具有較小的摩擦系數(shù)，不受鉆井中存在的天然或者泥漿中的化學物質影響，因此結構緊湊高效，有效縮短了鉆具長度。

3.2 渦輪鉆具的特點

渦輪鉆具具有高轉速、大扭矩的特性，壓降小、無橫向振動、機械鉆速高等優(yōu)點。采用渦輪鉆具的高轉速特性，壽命長，配合孕鑲金剛石鉆頭，既可以防斜，又可以在小鉆壓下獲得較高的鉆速和鉆井進尺。

渦輪鉆具目前有3種不同型號的動力系統(tǒng)(系統(tǒng)原理見圖3)，MK1是恒壓降型，不管驅動軸的轉速有多快，葉片產(chǎn)生的壓降不變，這是3種葉片中效率最高的，主要應用在直井鉆井中。

MK2是壓降變化型，地面壓力隨著驅動軸轉速的降低而減小，它的工作效率比MK1稍低，但是給司鉆提供了更多的鉆頭運轉狀況的反饋信息，主要應用在定向井鉆井中。

圖2 渦輪鉆具PDC止推軸承示意圖

MK3屬于壓降變化型，但比MK2結構性能有所加強，從而可以用在高壓、大排量的環(huán)境中。

3.3 渦輪鉆具性能參數(shù)

4 梨樹斷陷區(qū)塊渦輪鉆具結構參數(shù)優(yōu)選

4.1 渦輪鉆具葉片類型優(yōu)選

圖3 渦輪鉆具3種不同型號動力系統(tǒng)原理

表1 168 mm 138級T1XL MK1渦輪鉆具規(guī)格

表1 168 mm 138級T1XL MK1渦輪鉆具規(guī)格

參數(shù)名稱 參數(shù)值總長(臺肩到臺肩)/mm 11.490本體直徑/mm 168本體扶正器直徑/mm 213上部接頭螺紋根部直徑/mm 133.4下部接頭螺紋根部直徑/mm 117.5總質量/kg 1610適合鉆頭尺寸/mm 193～250渦輪鉆具轉速/(r·min－1) 800～1450最大制動扭矩/(N·m)4375

根據(jù)目前施工井隊的設備情況，采用MK2壓降過高，設備壓力很大。MK3能量效率較MK2弱，相較于MK2使用較少。所以優(yōu)選MK1型葉片。3種葉片壓降特性如圖4所示。

4.2 渦輪級數(shù)的選擇

使用MK1葉片類型的渦輪，根據(jù)目前井隊設備情況，宜采用138級渦輪提供足夠的能量轉換。級數(shù)太少渦輪功率不夠，級數(shù)太高地面設備承受能力差。

4.3 孕鑲金剛石鉆頭刀翼數(shù)量優(yōu)選

圖4 3種型號葉片壓降特性

孕鑲金剛石鉆頭的刀翼數(shù)量與巖石的抗研磨性與抗沖擊性存在一種正向的比例關系。經(jīng)過DBOS軟件分析顯示，登婁庫組、沙河子組、火石嶺組地層對刀翼的選擇基本在10～13之間，但考慮鄰井地層相比整個區(qū)塊而言，抗壓強度較大，研磨性較強，因此，選擇8～12個刀翼數(shù)量應該是恰當?shù)?。通過實驗推薦刀翼數(shù)量選擇見表2。

4.4 孕鑲金剛石顆粒優(yōu)選

孕鑲金剛石顆粒的大小與形狀與機械鉆速和鉆頭壽命存在著矛盾的對應關系。鉆頭在鉆進時金剛石在作水平方向運動時，需要承受彎曲載荷，而彎曲載荷對具有晶粒結構的脆性金剛石的危害非常大。在其他條件相同時，孕鑲金剛石顆粒越大，表面越粗糙，會使單位胎體中金剛石粒數(shù)相對減少，單位唇面上出刃數(shù)也隨著減少，每粒金剛石承受的彎曲載荷較大，而抗破碎能力小，容易發(fā)生脆性破碎，顆粒表面越粗糙，顆粒易脫落破碎數(shù)量較多。前期鉆頭的機械鉆速較高，壽命較短;反之，孕鑲金剛石顆粒越小，會使單位胎體中金剛石粒數(shù)相對增加，單位唇面上出刃數(shù)也隨著增加，載荷分擔給切削接觸面上的每一顆金剛石，所以每顆金剛石承受的力小，不易破碎，顆粒表面越圓潤，顆粒則易脫落和破碎較少。表面越圓潤，鉆頭的機械鉆速就越高，壽命就越長(機械鉆速與顆粒之間關系見圖5)。因此，根據(jù)地層的軟硬選擇合適的孕鑲金剛石顆粒是非常重要的。既要考慮鉆頭的機械鉆速，也要兼顧鉆頭的壽命(顆粒與壽命之間的關系見圖6)。針對地層情況，采取最優(yōu)化方法，選擇合適的孕鑲金剛石顆粒，得到最經(jīng)濟的結果，是孕鑲金剛石顆粒優(yōu)選的方法。孕鑲金剛石顆粒及適用地層見圖7。

表2 地層特點對應選擇刀翼數(shù)量

圖5 孕鑲金剛石顆粒與機械鉆速關系

圖6 孕鑲金剛石顆粒與鉆頭壽命的關系

圖7 孕鑲金剛石顆粒及適用地層

針對登婁庫組、營城組、沙河子組、火石嶺組地層，通過對巖石硬度分析及預測，推薦使用中等粒徑的金剛石顆粒(60～100目)鉆頭比較適宜。通過研究，推薦孕鑲鉆頭金剛石顆粒選型原則見表3。

表3 金剛石顆粒選型原則(孕鑲金剛石鉆頭)

4.5 孕鑲金剛石鉆頭剖面形狀優(yōu)選

孕鑲鉆頭冠部剖面的形狀，是鉆頭沖擊性最主要的影響因素，同時，對鉆頭抗研磨性能力也有一定影響。7系列鉆頭其鉆頭剖面比較突出，其鉆頭沖擊性強，能有效應對硬地層。在其他條件相同的情況下，其機械鉆速較高。3、5系列鉆頭其冠部剖面較扁平，其機械鉆速稍偏低，但其抗研磨性較強，鉆頭壽命長。通過巖石力學分析，綜合考慮鉆頭的其他選型依據(jù)，選擇3、5系列的鉆頭冠部剖面被認為是合適登婁庫組、營城組、沙河子組、火石嶺組地層特性的。通過研究，推薦剖面形狀選擇原則見表4。

表4 冠部剖面形狀選型原則(孕鑲金剛石鉆頭)

4.6 抗研磨性分析及保徑類型優(yōu)選

保徑部分的強化是鉆頭抗研磨性的主要表現(xiàn)形式。通過研究，推薦表5的選型原則。

表5 保徑強化類型選擇原則(孕鑲金剛石鉆頭)

登婁庫組、營城組、沙河子組、火石嶺組地層巖石研磨性較強，應該加強對保徑部分的抗研磨性強化。考慮井間差異，選擇中度～高度之間的保徑強化類型比較合適。

4.7 小結

經(jīng)優(yōu)選的孕鑲金剛石鉆頭見圖8，12刀翼，長保徑套筒，高速渦輪鉆具相配合，對研磨性不強的火成巖地層很適用。鉆頭的鼻部(冠部)向鉆頭的中心有所移動，以解決掏心和環(huán)狀磨損的問題。

圖8 孕鑲金剛石鉆頭冠部類型圖

5 現(xiàn)場應用及施工要點

5.1 現(xiàn)場應用

為提高機械鉆速，在中石化重點井圖深1井進入登婁庫組以后連續(xù)優(yōu)選試驗了3只PDC鉆頭，但效果不理想。為了提高機械鉆速，在3586～4013 m井段采用渦輪鉆井技術。

鉆井參數(shù):鉆壓40～140 kN，轉速40～70 r/min，排量28 L/s;立管壓力26 MPa。

應用效果如表6所示。

表6 渦輪鉆具在圖深1井現(xiàn)場使用效果對比

渦輪鉆井平均機械鉆速是之前采用牙輪鉆頭的3.5倍，是PDC鉆頭的2.35倍;減少了起下鉆時間。

5.2 施工要點

(1)上部直井段塔式鉆具組合，避免鉆出的井眼呈螺旋狀，下渦輪起鉆前，清洗井底，保證井眼干凈、無落物，為渦輪鉆具的順利下入及后續(xù)鉆井安全提供條件。

(2)渦輪鉆井之前應該根據(jù)鄰井實鉆情況、采用非滲透聚磺防塌鉆井液體系，配方按順序加入淡水80 m3+0.05 t燒堿+0.16 t純堿+4 t納土+0.3 t NH4－HPAN+0.1 t JS－9+0.4 t SMP+0.4 t HA樹脂+0.1 t CMC充分水化，加強凈化設備的使用，振動篩采用B120/B200篩網(wǎng)，有效地控制固相含量;采用K－PAM作為抑制劑，防止地層粘土水化膨脹和分散;將pH值控制在9左右，確保鉆井液性能的穩(wěn)定;保證渦輪鉆具正常使用。性能指標控制如下:密度1.15～1.20 g/cm3，馬氏漏斗粘度60 s，API失水量 4 mL/30 min，HTHP失水量 12 L/30 min，API泥餅厚度0.3 mm，動塑比0.5，膨潤土含量4%，靜切力3～5/6～15 Pa，pH 值8～9，含砂量 ＜0.2%，總固含量8%，摩阻系數(shù)＜0.08，動切力5～10 Pa，塑性粘度 10 ～15 mPa·s。

(3)渦輪鉆井前應對地面管線、水龍頭等高壓管線進行試壓，保證其在高泵壓條件下能夠安全穩(wěn)定地工作。

(4)渦輪鉆具入井前在井口以小排量(正常鉆進排量的60%)進行空運轉試驗，檢查渦輪鉆具是否容易啟動和螺紋處有無滲漏，并記錄立管壓力和排量。

(5)使用鉆桿濾清器，以防渦輪鉆具和鉆頭水眼堵塞(接單根前應及時取出濾清器)。

(6)起下渦輪鉆具時，嚴格控制下鉆速度，操作平穩(wěn)，嚴禁猛剎、猛放。鉆具組合通過套管鞋和進入裸眼段時一定要小心，尤其是通過縮徑井段時，要注意控制起下速度。

(7)下鉆遇阻不超過50 kN，上下活動鉆具無效時，應開單泵循環(huán)，慢慢劃眼通過，不得強下;盡量避免用鉆頭劃眼，如果劃眼，不超過正常鉆進的2/3的排量。

(8)每次下放接近井底時，開泵循環(huán)鉆井液，緩慢下放接觸井底，10～20 kN輕壓修磨井底后，再逐漸加至正常參數(shù)鉆進。在井下正常情況下，減少上提下放次數(shù)，以使鉆頭在井底平衡工作，減少因多次重復接觸井底造成的鉆頭損害。

(9)在鉆進過程中每200 m短起1次，根據(jù)井眼實際情況進行適當調整。短起下前應充分循環(huán)鉆井液，起鉆時控制速度，在遇阻卡井段根據(jù)情況上提下放(不可超過50 kN)，必要時可使用震擊器。

(10)如發(fā)生井漏，應認真分析漏層特性，要參照堵漏材料表進行堵漏材料選擇，否則提出渦輪鉆具，再進行堵漏。

(11)一般情況下，在地面要檢查渦輪鉆具止推軸承的間隙和校正旋轉基準線。如需要再次入井使用，在入井之前，用同樣的排量進行地面測試。

6 結語

梨樹斷陷渦輪鉆井實踐表明，渦輪鉆井不僅機械鉆速高、行程鉆速快，達到縮短建井周期、大幅度地降低鉆井成本的目的，而且井身質量好，井徑規(guī)則，由于所需鉆桿轉速低或鉆桿基本不旋轉，可以減少鉆柱的損耗，避免井下鉆桿斷裂等惡性事故的發(fā)生。由于井徑規(guī)則，固井時水泥用量可減少25% ～30%。此外，還可以保護技術套管。

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