孫 妍，馮殿勇，劉永貴，陳紹云

(中石油大慶鉆探工程公司，黑龍江大慶163413)

0 引言

大慶油田通過對(duì)鉆頭優(yōu)選和氣體鉆井等提速技術(shù)的研究與應(yīng)用，使深層鉆井提速取得了一定的效果。PDC鉆頭的適用范圍擴(kuò)展至登四段，氣體鉆井綜合提速5倍以上。但仍然存在常規(guī)牙輪鉆頭單只進(jìn)尺少、螺桿鉆具壽命短、氣體鉆井使用層位受出水限制等一系列問題。近年來，國(guó)外采用先進(jìn)的渦輪鉆具與高速牙輪鉆頭、PDC鉆頭、天然金剛石鉆頭等配套鉆井技術(shù)，提高了機(jī)械鉆速，縮短了建井周期，降低了鉆井成本。目前國(guó)外采用渦輪鉆具鉆井，一般能節(jié)約鉆時(shí)40% ～50%，節(jié)約鉆井成本約1/3。國(guó)內(nèi)在新疆、中原、四川等地開展渦輪鉆具配合牙輪、PDC鉆頭提速試驗(yàn)，機(jī)械鉆速得到了一定的提高，但普遍存在著匹配鉆頭性能無法滿足渦輪鉆具需求，提速優(yōu)勢(shì)未能充分發(fā)揮等缺點(diǎn)［1～4］。因此，通過螺桿與渦輪鉆具性能對(duì)比分析，開展渦輪鉆具配合高效鉆頭的技術(shù)攻關(guān)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，將有助于大慶深層提速再上新臺(tái)階。

1 匹配鉆頭優(yōu)選

由國(guó)內(nèi)外渦輪鉆具試驗(yàn)情況可知，與渦輪鉆具相匹配的鉆頭主要有牙輪鉆頭、PDC鉆頭、孕鑲金剛石鉆頭3種。而牙輪鉆頭與PDC鉆頭主要與低速渦輪鉆具相匹配，轉(zhuǎn)速通常為300～500 r/min。孕鑲金剛石鉆頭主要與高速渦輪鉆具相匹配，轉(zhuǎn)速通常為800～1200 r/min［3］。因此為了充分驗(yàn)證渦輪鉆井的提速效果，實(shí)現(xiàn)提速提效目標(biāo)，大慶油田首先在徐深41井、方13井開展了先導(dǎo)性試驗(yàn)，取得了寶貴的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)。

1．1 徐深41井渦輪鉆井試驗(yàn)

徐深41井是大慶油田第一口渦輪鉆進(jìn)試驗(yàn)井，由于該孕鑲金剛石鉆頭金剛石顆?？寡心ズ湍蜏啬芰o法滿足渦輪鉆進(jìn)需求，保徑材料在高轉(zhuǎn)速條件下存在前期破壞的問題，未能達(dá)到預(yù)期提速試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

1．2 方13井渦輪鉆井試驗(yàn)

2010年在方13井試驗(yàn)了由北京佐邦公司從俄羅斯引進(jìn)的渦輪鉆具配合SMD537X(牙輪)、M1665SR(PDC)鉆頭提速現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)情況見表1。

表1 方13井渦輪鉆井試驗(yàn)基本情況

從渦輪鉆具使用上看，鉆進(jìn)中安全穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)、承受鉆壓大，在適合層位利用其高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到一定的提速目的，但高轉(zhuǎn)速渦輪驅(qū)動(dòng)牙輪造成牙輪壽命下降，起出的第二只SMD537X鉆頭兩輪燒死，并造成1號(hào)輪自殼體斷裂。試驗(yàn)表明，SMD537X鉆頭還是不能適應(yīng)渦輪的高轉(zhuǎn)速，雖鉆速有所提高，但單只鉆頭進(jìn)尺較少，行程鉆速并不高，綜合提速效果不明顯。

1．3 達(dá)深15井渦輪試驗(yàn)

針對(duì)徐深41井及方13井試驗(yàn)情況，結(jié)合大慶油田鉆井實(shí)際，重點(diǎn)從鉆頭金剛石顆粒和保徑材質(zhì)出發(fā)，通過深層巖石力學(xué)試驗(yàn)，得出大慶深部地層巖石巖性變化大，泉頭組至基底巖性分別為粉砂－砂巖與泥巖互層、含礫砂泥巖、火成巖、變質(zhì)巖，地質(zhì)沉積時(shí)期主要經(jīng)歷坳陷期、裂陷期兩個(gè)地質(zhì)構(gòu)造時(shí)期，抗壓強(qiáng)度由13.79 MPa變化至317.17 MPa，因此重點(diǎn)解決單只鉆頭鉆進(jìn)多套層位，鉆頭金剛石材質(zhì)、布齒，以及保徑材料等要滿足巖性變化的需求等一系列問題，并開展了如下技術(shù)研究。

1．3．1 金剛石顆粒優(yōu)選試驗(yàn)

為了達(dá)到試驗(yàn)要求，對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有金剛石材料開展了抗研磨、熱穩(wěn)定、抗沖擊室內(nèi)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。從金剛石顆粒的形狀、大小、分選進(jìn)行優(yōu)選，針對(duì)不同的地層和實(shí)際情況選擇不同的金剛石顆粒。

立方體金剛石顆?？寡心バ詮?qiáng)，抗沖擊性中等。圓形金剛石顆粒抗沖擊性強(qiáng)，抗研磨性中等。不規(guī)則多棱金剛石顆粒具有抗沖擊性和抗研磨性的雙重功效。新型高強(qiáng)度GHI孕鑲齒采用獨(dú)特的晶體布置方式，確保金剛石顆粒比常規(guī)的分布更均勻。這種更堅(jiān)實(shí)的GHI齒壽命更長(zhǎng)，更長(zhǎng)時(shí)間保持自身形狀，從而長(zhǎng)時(shí)間的保持高鉆速鉆進(jìn)。這種特殊的GHI齒與砂輪相似，鉆頭每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈只切入非常小的深度。鉆進(jìn)過程中通過粘和材料磨掉后新的金剛石又暴露出來，形成了不斷自銳的過程。史密斯公司根據(jù)用戶要求生產(chǎn)的GHI齒利用不同的粘和材料和金剛石來匹配所鉆的地層和使用的動(dòng)力工具。因?yàn)镚HI齒允許更大的面部排泄容積，新的動(dòng)力金剛石孕鑲鉆頭在各種地層中都能鉆得更快，這樣也擴(kuò)大了這些鉆頭的適用范圍。

通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，GHI齒在抗研磨性、熱穩(wěn)定性、抗沖擊性等方面均優(yōu)于常規(guī)金剛石顆粒，因此金剛石材質(zhì)選用GHI材料(圖1)，這樣可以使鉆頭具有更強(qiáng)的耐磨性，切削齒可以保持更長(zhǎng)時(shí)間的鋒利，可以增加進(jìn)尺，提高鉆井速度。

圖1 孕鑲金剛石鉆頭GHI柱狀齒

1．3．2 特殊保徑技術(shù)

同時(shí)運(yùn)用PX特色技術(shù)在保徑塊上放置熱穩(wěn)定金剛石(TSP)嵌入片(見圖2)，最大限度地進(jìn)行保徑，保持井眼尺寸，延長(zhǎng)鉆頭的壽命，同時(shí)，增加進(jìn)尺，減少起鉆次數(shù)。

圖2 嵌入熱穩(wěn)定金剛石復(fù)合片保徑

增加了渦輪套筒的使用，從而降低鉆具振動(dòng)和避免螺旋井眼出現(xiàn)。

1．3．3 鉆頭型號(hào)的優(yōu)選

根據(jù)上述優(yōu)選實(shí)驗(yàn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)廠家鉆頭應(yīng)用情況，確定了以K705STBPXXC為主要鉆頭，K507STBPXXC為備用的鉆頭使用方案，主要考慮因素有以下2點(diǎn):(1)K705比K507“攻擊”性強(qiáng)，“吃入”地層更容易，機(jī)械鉆速更容易得到保障;(2)達(dá)深15井埋深相對(duì)較淺，巖石硬度在206.85 MPa，因此選用K705鉆頭。

2 鉆具組合、鉆井參數(shù)優(yōu)選及相關(guān)設(shè)備配套

2．1 鉆具組合、鉆井參數(shù)優(yōu)選

渦輪鉆具的性能、壽命，合理的鉆頭選型以及與地層的耦合作用是影響復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益的重要因素。渦輪復(fù)合鉆井過程受力復(fù)雜，不僅存在縱向振動(dòng)、橫向振動(dòng)，還存在扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，這3種振動(dòng)相互耦合?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)施工條件，確定了如下3條鉆具優(yōu)選原則。

(1)渦輪鉆具壓耗大，大尺寸鉆具的使用將進(jìn)一步提升泵的負(fù)荷，從而增加現(xiàn)場(chǎng)施工難度，因此鉆具組合中采用159 mm鉆鋌;

(2)考慮到地層硬度大、對(duì)渦輪輸出功率要求高的問題，采用了雙級(jí)ZTSSH－178T渦輪+PDC支撐節(jié)(較常規(guī)支撐節(jié)壽命提高1倍)的組合方式;

(3)渦輪鉆具總長(zhǎng)約26 m，無法采用滿眼鉆具組合，鐘擺鉆具在原井斜超過3°，轉(zhuǎn)速為900 r/min，鉆壓加至70 kN時(shí)，呈現(xiàn)出微增斜作用，因此采用光鉆鋌鉆具組合。

根據(jù)上述原則，優(yōu)選出了適合大慶深層地質(zhì)特點(diǎn)的鉆具組合及鉆井參數(shù)(以達(dá)深16號(hào)井為例:井段2879.40～3607.52 m，排量30～32 L/s，泵壓19～25 MPa，鉆壓30 ～80 kN，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速 20 ～25 r/min，粘度50～70 s，密度1.10～1.15 g/cm3，層位泉頭組 ～營(yíng)城組，巖性為泥巖、砂巖、火山角礫巖、熔巖和砂礫巖)。

2．2 相關(guān)設(shè)備配套及技術(shù)措施

(1)由于渦輪鉆具要求排量≮28 L/s，且本身壓降可達(dá)到4～6 MPa，應(yīng)用于3500～4500 m井深時(shí)泵壓可達(dá)到20～28 MPa，因此需對(duì)井隊(duì)循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)配套，從而滿足高排量高泵壓條件下鉆井需求;

(2)渦輪鉆具對(duì)泥漿性能要求較高，因此必須保證三級(jí)固控設(shè)備使用效率，以提高工具壽命;

(3)堅(jiān)持應(yīng)用鉆桿過濾器，保證無雜物進(jìn)入渦輪鉆具內(nèi)部，以提高工具可靠性;

(4)由于渦輪鉆具的轉(zhuǎn)速高、沖擊力強(qiáng)，因此鉆頭的前期造形和磨合至關(guān)重要。先用10～30 kN低鉆壓鉆進(jìn)0.5 m形成與鉆頭底面吻合的井底，然后增大排量、正常鉆壓鉆進(jìn)，以提高鉆頭壽命。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

2011年5月，在達(dá)深15井登三段至沙河子組地層，采用215.9 mm K705孕鑲金剛石鉆頭 +178 mm俄羅斯高速渦輪塔式鉆具組合進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，具體試驗(yàn)情況見表2、表3。

表2 達(dá)深15井渦輪鉆具試驗(yàn)情況

表3 達(dá)深15井渦輪鉆具試驗(yàn)施工參數(shù)

4 取得的效果

渦輪鉆具配合孕鑲金剛石鉆頭的鉆井工藝在達(dá)深15井的試驗(yàn)與該區(qū)塊鄰井相比，提速效果明顯。

4．1 機(jī)械鉆速提高

統(tǒng)計(jì)該區(qū)塊10口鄰井(表4)，登三段～營(yíng)城組平均機(jī)械鉆速為1.6 m/h，而本井該段平均機(jī)械鉆速為2.13 m/h，平均機(jī)械鉆速提高了33%。其中，本井登婁庫組和營(yíng)城組平均鉆速分別為2.01和2.27 m/h，該區(qū)鄰井登婁庫組和營(yíng)城組平均機(jī)械鉆速分別為1.54和1.87 m/h，機(jī)械鉆速分別提高了31%和21%。

表4 達(dá)深15井渦輪鉆井試驗(yàn)基本情況

4．2 鉆進(jìn)周期縮短

試驗(yàn)井段 2879.40～3607.52 m，累計(jì)進(jìn)尺728.12 m，耗時(shí)19.56 d。如果用常規(guī)牙輪鉆進(jìn)不配合渦輪鉆井技術(shù)在登婁庫組及營(yíng)城組需要約6只牙輪鉆頭，進(jìn)尺時(shí)間約為18.96 d，每趟起下鉆換鉆頭需要用時(shí)約24 h，約6 d，共計(jì)約25 d。因此，用渦輪鉆井匹配鉆頭技術(shù)比常規(guī)鉆井方式節(jié)省約5.44 d時(shí)間。如果扣除渦輪試驗(yàn)中由于鉆具刺漏而多起的一趟鉆1 d，則可以節(jié)省約6.44 d。

4．3 鉆頭壽命長(zhǎng)

渦輪鉆具配合孕鑲金剛石鉆頭在大慶深層登三段～營(yíng)城組～沙河子地層鉆進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了單只鉆頭進(jìn)尺728.12 m的新紀(jì)錄。

5 結(jié)論

(1)首次應(yīng)用渦輪鉆具配合孕鑲金剛石鉆頭在大慶深層登三段～營(yíng)城組～沙河子地層進(jìn)行渦輪鉆井試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了單只鉆頭進(jìn)尺728.12 m，初步形成了一套大慶深層渦輪鉆井提速技術(shù)。

(2)該項(xiàng)提速技術(shù)同比鄰井平均機(jī)械鉆速提高32%，相同井段同比節(jié)約鉆進(jìn)時(shí)間6.44 d，達(dá)到了提速的目的。

［1］ 馮定．渦輪鉆具復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)［J］．石油鉆采工藝，2007，29(3):19－21．

［2］ 常領(lǐng)．TM－175新型渦輪鉆具在大北19－17井的試驗(yàn)與應(yīng)用［J］．西部探礦工程，2007(5):42 －45．

［3］ 成海，鄭衛(wèi)建，夏彬，等．國(guó)內(nèi)外渦輪鉆具鉆井技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，37(4):28 －31．

［4］ 李文飛，周延軍，陳明，等．渦輪鉆具復(fù)合鉆井技術(shù)及其在塔河油田的應(yīng)用［J］．西部探礦工程，2010(5):41 －44．

［5］ 張建龍，李元闖，胡雪梅，等．圖深1井渦輪鉆井技術(shù)應(yīng)用分析［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2013，40(9):20－22．