于鵬璽

（中國石化西南石油工程有限公司臨盤鉆井分公司工程技術(shù)大隊(duì)，山東臨邑251500）

PDC鉆頭在高滲砂巖層鉆進(jìn)時卡鉆分析與預(yù)防

于鵬璽*

（中國石化西南石油工程有限公司臨盤鉆井分公司工程技術(shù)大隊(duì)，山東臨邑251500）

目前國內(nèi)石油鉆井現(xiàn)場，普遍采用PDC鉆頭+單彎螺桿鉆具+MWD隨鉆測量施工，來提高鉆井效率，但PDC鉆頭在螺桿鉆具高轉(zhuǎn)速工況下鉆進(jìn)時，鉆頭軸向保徑齒磨損先于冠部切削齒的磨損，尤其是在高滲透性、高研磨性、粉砂巖鉆進(jìn)時，PDC鉆頭外徑磨損速度大大增加，井徑縮小，鉆具環(huán)空間隙減小，且井壁易形成虛泥餅，從而會進(jìn)一步惡化井下環(huán)境，導(dǎo)致卡鉆，且極易發(fā)生在上提鉆具過程中。通過對盤40-斜203井卡鉆事故的原因分析，從而剖析出研磨性導(dǎo)致PDC鉆頭外徑縮小和滲透性導(dǎo)致的虛泥餅，是導(dǎo)致上提鉆具時卡鉆的主要原因，并找到解決方法，具有一定的普遍性和指導(dǎo)性。

PDC鉆頭；螺桿鉆具；高滲透高研磨性砂巖；虛泥餅；定向井卡鉆

隨著石油鉆井工藝和技術(shù)裝備水平的提高，為提高鉆井的機(jī)械鉆速，95%以上的石油鉆井，目前均采用PDC鉆頭+單彎螺桿鉆具+MWD隨鉆測量系統(tǒng)進(jìn)行鉆井施工。由于定向井井眼軌跡及工具特殊性，鉆具在井內(nèi)的受力情況與直井存在較大差異，再加上PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及質(zhì)量等因素，在滲透性砂巖地層，尤其是中等以上滲透率的粉砂巖地層，PDC鉆頭在偏心力及螺桿高轉(zhuǎn)速工況下，外徑極易磨損，且井壁易形成虛泥餅，從而會進(jìn)一步惡化井下環(huán)境，導(dǎo)致卡鉆，給鉆井施工造成復(fù)雜和經(jīng)濟(jì)損失。本文通過對盤40-斜203井卡鉆事故的原因分析，從而找出卡鉆的主要原因，并提出了解決措施，供大家參考。

1　盤40-斜203井卡鉆基本情況

基本數(shù)據(jù)：盤40-斜203井是部署在惠民凹陷中央隆起帶盤河地區(qū)，盤40區(qū)塊沙四下段構(gòu)造高部位，設(shè)計垂深：3300m，造斜點(diǎn)2046.24m，最大井斜40.22°，設(shè)計完鉆井深3609.97m，目的層段為沙二—沙四段，該層段細(xì)砂及粉砂巖發(fā)育，孔隙度中等。該井設(shè)計為二開井，表層套管直徑?339.7mm，鋼級J55，壁厚9.65mm下入深度350m，固井水泥返至地面，二開井眼尺寸為215.9mm，盤40-斜203井的設(shè)計軌跡數(shù)據(jù)表如表1所示。

本井二開鉆進(jìn)至井深2040m開始定向造斜，地層為東二段泥巖，至2650m進(jìn)入沙四上砂巖地層，鉆進(jìn)過程中上提、下放、接單根等井下情況正常，鉆具摩擦阻力100kN左右屬正常范圍，繼續(xù)定向復(fù)合鉆進(jìn)至井深3256m，井斜42.5°，在上提鉆具接單根時，出現(xiàn)憋泵和摩阻上升現(xiàn)象，通過上下活動鉆具后，狀況改善，但在繼續(xù)倒滑上提鉆具過程中，再次出現(xiàn)憋泵和掛卡現(xiàn)象，正常鉆進(jìn)排量無法開泵成功，將排量降至正常1/2排量后，成功建立循環(huán)，但泵壓18MPa與正常排量時泵壓相當(dāng)，鉆具無法自由活動，發(fā)生卡鉆，此時井內(nèi)鉆具正常懸重900kN，鉆頭離開井底5m。當(dāng)時的處理方法是：保持鉆井液處于循環(huán)狀態(tài)，反復(fù)上提鉆具至懸重1300kN未解卡，后來采取上提懸重至1300kN保持穩(wěn)定，循環(huán)鉆井液的方法觀察懸重變化，30min后懸重下降10kN，泵壓下降2MPa，10min后懸重突然恢復(fù)至900kN，泵壓恢復(fù)至1/2正常排量的正常泵壓10MPa，下放鉆具至井底正常，采取向上倒滑眼的方法提出1根單根后，無掛卡現(xiàn)象，對新鉆井眼進(jìn)行了2次技術(shù)劃眼后，恢復(fù)正常排量，泵壓正常。

鉆具組合為：?215.9 mmPDC鉆頭+?172 mm× 1.5°單彎螺桿（外殼扶正器213mm）+回壓閥+定向接頭+?165mm無磁鉆鋌（MWD）+?127mm加重鉆桿× 5柱+?127mm斜坡鉆桿×25柱+?127mm加重鉆桿×5 柱+?127mm鉆桿；

鉆頭：五刀單排PDC；

鉆井參數(shù)：鉆壓60～80kN；轉(zhuǎn)速：螺桿轉(zhuǎn)速或螺桿轉(zhuǎn)速+轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速（65r/min）；正常排量28L/s；泵壓18MPa；

鉆井液性能：密度1.18g/cm；粘度50s；失水4.5mL；所鉆地層：沙四段砂巖為主。

解卡后短起下5柱，工況正常，接單根恢復(fù)正常鉆進(jìn)，鉆進(jìn)5m后，轉(zhuǎn)盤扭矩增大，有憋跳現(xiàn)象，上提鉆具至3m左右時，再次出現(xiàn)憋泵和掛卡現(xiàn)象，正常排量開泵成功，采取倒滑眼方式將鉆具提出新鉆井眼后，恢復(fù)正常，3261m起鉆。起出鉆頭，周向保徑齒磨損嚴(yán)重，如圖1所示，鉆頭外徑為?208mm，螺桿外殼扶正器泥包嚴(yán)重，清理后扶正器外徑?207mm。

2　特征性因素數(shù)據(jù)分析

在分析該井發(fā)生卡鉆之前的3～4根單根，在上提鉆具接單根時的泵壓記錄和懸重記錄變化情況后可以得到相應(yīng)的變化曲線，如圖2、圖3所示。

通過分析上面折線圖可以發(fā)現(xiàn)，在發(fā)生卡鉆之前接單根時，泵壓及懸重已經(jīng)出現(xiàn)了規(guī)律性的變化，即在上提鉆具過程中泵壓上升，懸重上升，并且在上提至3～5m時上升至峰值，泵壓較正常循環(huán)泵壓上漲3MPa左右，懸重上漲300kN左右，提出新井眼后恢復(fù)正常。

圖1　出井鉆頭冠狀部位

圖2　接單根上提鉆具過程中泵壓變化折線圖

圖3　接單根上提鉆具過程中懸重變化折線圖

3　卡鉆原因分析

（1）鉆頭外徑磨損因素，本井起鉆之前，在沙四段地層鉆進(jìn)了約600m進(jìn)尺，由于地層研磨性強(qiáng)，且在螺桿高轉(zhuǎn)速工況下，鉆頭外徑嚴(yán)重磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致鉆具與井眼的環(huán)形空間不斷減小，由于螺桿外殼體扶正器的外徑磨損滯后于鉆頭外徑的磨損，導(dǎo)致扶正器與井眼之間的環(huán)形間隙較正常值減少了2/3，直接導(dǎo)致了上提鉆具掛卡現(xiàn)象的發(fā)生。

（2）泥漿的因素，沙四段以砂巖為主，滲透性好，滲透性失水嚴(yán)重，易在井壁上形成虛泥餅，如果泥漿的失水高，抑制性差，很容易形成質(zhì)量低劣、虛厚的虛泥餅，該井卡鉆時泥漿中壓失水4.5mL，高溫高壓失水20mL，在井壁上形成了虛厚的虛泥餅，上提鉆具過程中，扶正器上刮虛泥餅，在堆積效應(yīng)的影響下，導(dǎo)致環(huán)空環(huán)境進(jìn)一步惡化，這直接導(dǎo)致了上提鉆具時憋泵現(xiàn)象的產(chǎn)生，同時進(jìn)一步增加了摩阻力。

（3）軌跡因素，卡鉆井段軌跡及上部200m井段，均采取復(fù)合鉆井方式鉆進(jìn)，復(fù)合鉆井增斜率2°～3°/100m，滿足軌跡控制的要求，軌跡平滑，不是導(dǎo)致卡鉆的原因，但由于斜井段較長，井斜40°左右，增加了巖屑的清潔難度，易于形成巖屑床，卡鉆井段測斜數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　盤40-斜203井卡鉆井段測斜數(shù)據(jù)

綜上所述，由于鉆頭外徑變小導(dǎo)致環(huán)空縮小，及受上提鉆具時虛泥餅的堆積影響，使上提鉆具時“柱塞現(xiàn)象”嚴(yán)重，是導(dǎo)致卡鉆的根本原因。

4　改進(jìn)技術(shù)措施及施工效果

根據(jù)上述卡鉆原因分析，本井下部施工時技術(shù)措施做如下完善：首先，現(xiàn)用經(jīng)過特別保徑處理的五刀雙排PDC鉆頭，提高鉆頭在沙四段地層鉆進(jìn)時的保徑性，復(fù)合鉆進(jìn)時降低轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速至50r/min，降低鉆頭磨損；其次，調(diào)整鉆井液配方：6%～8%鈉土+0.5% PAM+0.5%有機(jī)胺+3%超細(xì)碳酸鈣+3%SDJ-2+2% GL-1+2.5%～3%SMP+1.5%～2%KJ-3+1%DSFJ-3+ 0.5%～1%MSO+其他，利用3%超細(xì)碳酸鈣（2500和4000目以1∶2復(fù)配）、2%～2.5%SDJ-2和2%GL-1形成致密隔離膜有效暫堵高滲地層，降低滲透性失水，控制中壓失水≤4mL，高溫高壓失水≤15mL，在井壁上形成薄、韌和滑的優(yōu)質(zhì)泥餅，避免虛厚泥餅惡化環(huán)空環(huán)境；再次，鉆進(jìn)中監(jiān)測泵壓、懸重及扭矩變化，尤其是在上提鉆具過程中的變化趨勢，一旦出現(xiàn)圖2、圖3的狀況，則立即調(diào)整技術(shù)措施。通過上述技術(shù)調(diào)整，順利鉆井至井深3609m，進(jìn)尺348m，各種監(jiān)測數(shù)據(jù)正常，出井鉆頭外徑214mm，施工效果證明對卡鉆原因分析正確及相關(guān)技術(shù)措施十分有效。

5　結(jié)論及建議

（1）在強(qiáng)研磨性地層使用PDC鉆頭配螺桿鉆具鉆進(jìn)時，應(yīng)優(yōu)選特別保徑處理的鉆頭，建議選用多刀翼PDC鉆頭或三牙輪鉆頭，以避免鉆頭嚴(yán)重縮徑導(dǎo)致的“柱塞效應(yīng)”。

（2）建議使用強(qiáng)封堵防塌潤滑鉆井液體系，降低中高滲砂巖層的滲透性失水，使井壁上形成薄、韌及滑的優(yōu)質(zhì)泥餅，防止出現(xiàn)厚、虛及糙的虛泥餅，優(yōu)化環(huán)空環(huán)境。

（3）在高滲透研磨性砂巖地層鉆進(jìn)時，應(yīng)建立泵壓、懸重及扭矩的參數(shù)監(jiān)測曲線，通過參數(shù)變化針對性判斷井下工況，完善配套技術(shù)措施，可避免“柱塞式卡鉆”的發(fā)生。

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TE921

B

1004-5716（2016）04-0030-03

表1盤40-斜203井軌道設(shè)計報表*2015-04-10 作者簡介：于鵬璽（1983-），男（漢族），山東乳山人，工程師，現(xiàn)從事定向井技術(shù)管理與現(xiàn)場技術(shù)服務(wù)工作。

描述123A567BC1 0測深（m）0.00 2046.24 2316.51 2320.33 2321.33 2396.52 2704.01 2706.39 3570.68 3609.97井斜（°）0.00 0.00 27.03 27.03 27.03 40.22 40.22 40.22 40.22 40.22網(wǎng)格方位（°）275.42 275.42 275.42 275.42 275.42 269.83 269.83 269.28 269.28 269.28垂深（°）0.00 2046.24 2306.60 2310.00 2310.89 2373.38 2608.19 2610.00 3270.00 3300.00狗腿度［（°）/100m］0.00 0.00 10.00 0.00 0.00 18.00 0.00 15.00 0.00 0.00閉合距（m）0.00 0.00 62.57 64.31 64.76 106.22 304.57 306.10 864.01 889.38閉合方位（°）0.00 0.00 275.42 275.42 275.42 274.14 271.33 271.32 270.00 269.98