郁燕飛，郭 亮，董易凡，陶瑞東，馮雪誠，魯 超

（1.渤海鉆探第三鉆井公司，天津 300280；2.中國石油長慶油田蘇里格南作業(yè)分公司，陜西西安 710018）

蘇里格南區(qū)塊為長慶油田公司與法國道達爾公司共同投資開發(fā)的合作項目，該區(qū)塊位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂托克前旗南部地區(qū)，與陜北接壤，地處毛烏素沙漠南部。由于小井眼井鉆井在成本節(jié)約及環(huán)保方面都具有巨大優(yōu)勢，可降低鉆井綜合成本，經(jīng)濟效益十分可觀[2]。因此，建設(shè)方在該區(qū)塊全部采用小井眼鉆井以達到節(jié)約投資的目的。該區(qū)塊實施小井眼井的井身結(jié)構(gòu)為二開五段制定向井，表層采用φ222.25 mm鉆頭，二開使用φ152.4 mm或φ155.6 mm鉆頭。造斜點一般為表層井深400 m，二開裸眼段長達3 200 m，長井段的小井眼鉆井施工一直是國內(nèi)外鉆井的技術(shù)難題，國內(nèi)此類的小井眼井鉆井還處于試驗探索階段，鉆井施工難度大，可借鑒經(jīng)驗極少[2-5]。本文重點介紹該區(qū)塊小井眼井的鉆頭優(yōu)選及個性化設(shè)計，對今后蘇里格氣田以及國內(nèi)其他地區(qū)實施此類井身結(jié)構(gòu)開發(fā)，提供了寶貴經(jīng)驗，以供借鑒。

1 概況

1.1 地層特點

該區(qū)塊上部地層安定組、直羅組易垮塌，但可鉆性好；紙坊組和和尚溝組含礪夾層；下部地層劉家溝組、石千峰、馬家溝地層可鉆性變差；石千峰地層棕紅色泥巖易對鉆頭產(chǎn)生泥包。若采用大井眼尺寸的鉆頭可通過加大鉆壓的方式提高破巖效率，但小井眼（φ152.4 mm或φ155.6 mm）能夠采用的最大鉆壓僅為80 kN，鑒于上述情況，對鉆頭的防泥包、攻擊性、切削齒質(zhì)量等綜合性能提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

1.2 井身結(jié)構(gòu)

表層采用φ222.25 mm鉆頭鉆至700 m～800 m，二開使用φ152.4 mm或φ155.6 mm鉆頭鉆至完井（3 800 m～4 000 m）。造斜點一般為表層井深400 m，裸眼段長達3 200 m。

1.3 鉆井液體系及基本性能

二開小井眼井段試驗了三種鉆井液體系，即高效水基鉆井液、天然高分子、天然高分子+有機鹽。三種鉆井液體系所達到的性能基本一致，事故復(fù)雜為零，能滿足抑制性、井壁穩(wěn)定、攜砂等性能要求。

2 鉆頭優(yōu)選及改進設(shè)計

該區(qū)塊實施的井表層大多在700 m～800 m，且上部地層可鉆性較好，提速空間不大，因此本文重點圍繞二開進行鉆頭優(yōu)選和個性化改進設(shè)計。二開使用φ152.4 mm或φ155.6 mm（非標(biāo)鉆頭，通用性差）鉆頭，裸眼段長達3 200 m，提速空間大，但對鉆頭優(yōu)選和個性化改進設(shè)計要求較高。

表1 SN134-01井鉆頭實鉆統(tǒng)計表

2.1 φ155.6 mmPDC鉆頭優(yōu)選

結(jié)合該區(qū)塊地層特點，考慮定向工具面穩(wěn)定，兼顧攻擊性，初步設(shè)計第一口井小井眼φ155.6 mmPDC鉆頭采用SD6532和SD6531兩種型號，根據(jù)實鉆情況（見表1）進行詳細(xì)分析對比后對鉆頭進行改進，從而達到提高機械鉆速的目的。

鉆頭起出后發(fā)現(xiàn)SD6531和SD6532兩種型號均有不同程度泥包現(xiàn)象，特別是SD6532較為嚴(yán)重，通過水力模擬發(fā)現(xiàn)（見圖1和圖2），該鉆頭水力設(shè)計存在低流速區(qū)。

2.2 φ155.6 mmPDC鉆頭改進設(shè)計

通過分析鉆頭的速度分布圖（見圖1）和起出磨損情況（見表1），對φ155.6 mm上部井段使用的SD6532鉆頭進行優(yōu)化設(shè)計（見表2），調(diào)整了噴嘴數(shù)量、大小、噴射方向，解決鉆頭泥包問題；優(yōu)化冠部輪廓、切削齒數(shù)量、角度，增加整體鉆頭攻擊性，提高鉆頭吃入深度、提升破巖效率。將φ155.6 mmSD6532型號的鉆頭經(jīng)過個性化優(yōu)化設(shè)計后的型號命名為φ155.6 mmSD6522。

圖1 SD6532速度分布圖

表2 φ155.6 mm上部井段鉆頭優(yōu)化前后參數(shù)對比

同理，調(diào)整了SD6531鉆頭噴嘴噴射方向、大小、數(shù)量（見表3），解決鉆頭泥包問題。優(yōu)化了切削齒角度，提升破巖效率，提高了機械鉆速，比改進前提高20%以上。

圖2 SD6532速度矢量圖

表3 φ155.6 mmSD6531優(yōu)化前后參數(shù)對比

表4 改進后PDC鉆頭使用效果分析

改進設(shè)計的鉆頭型號φ155.6 mmSD6522和SD6531在現(xiàn)場進行了3口井試驗，滑動鉆進時工具面穩(wěn)定，起出后均無鉆頭泥包現(xiàn)象（見表4）。

2.3 φ152.4 mmPDC鉆頭改進設(shè)計

因φ155.6 mm鉆頭通用性差，與建設(shè)方協(xié)商后將井眼尺寸改為φ152.4 mm，在φ155.6 mmPDC鉆頭個性化設(shè)計的基礎(chǔ)上，進一步提高鉆頭穩(wěn)定性、攻擊性，主要有以下四個方面優(yōu)化。

（1）增加保徑長度。沿用了φ155.6 mm的三長兩短的刀翼設(shè)計思路，同時在原基礎(chǔ)上增加了保徑面長度，修改后在定向井滑動鉆進時保證工具面的穩(wěn)定性，在直井鉆進中起到防斜打直的作用。

圖3 布齒分布圖

（2）調(diào)整布齒，增加攻擊性。減少了主切削齒數(shù)量，由17片減少到15片；后傾角由原來的20°～14°減小為18°～12°；側(cè)傾角控制在 0°～10°，通過減小復(fù)合片傾角來提高鉆頭攻擊性（見圖3）。

（3）優(yōu)化水力參數(shù)。沿用寬深水槽設(shè)計，減少刀翼厚度；采用五個可調(diào)水眼的水力設(shè)計，便于鉆頭調(diào)整水力參數(shù)。

（4）調(diào)整復(fù)合片出韌高度。增加了鉆頭復(fù)合片的出露高度，復(fù)合片的出露高度由6 mm提高到8 mm，使鉆頭在井底工作時增加復(fù)合片對地層的吃入深度（見圖4），從而達到提高機械鉆速的目的。

圖4 復(fù)合片出韌高度調(diào)整

新設(shè)計的φ152.4 mm鉆頭型號為SD6521ZC，在SN134-05（直井）和 SN134-06（定向井）兩口井中進行了現(xiàn)場試驗，提速效果明顯，實現(xiàn)了兩趟鉆完成（見表5）。該型號鉆頭能同時兼顧φ155.6 mm個性化設(shè)計的SD6531和SD6522兩種型號鉆頭的優(yōu)點，同時減少了φ155.6 mm井眼更換鉆頭起下鉆次數(shù)，從而提高了行程鉆速。

表5 φ152.4 mmSD6521ZC使用效果分析

3 結(jié)論與建議

（1）改進設(shè)計的φ155.6 mmSD6531和SD6522型號PDC鉆頭，既成功解決鉆頭泥包問題，也能滿足提高機械鉆速的要求。

（2）改進設(shè)計的φ152.4 mmSD6521ZC鉆頭型號，能實現(xiàn)單井二開兩趟鉆完井，但下部井段鉆頭磨損嚴(yán)重，建議根據(jù)實鉆資料和地層分析，進一步對鉆頭進行改進設(shè)計，力爭早日能夠?qū)崿F(xiàn)二開井段一趟鉆完成。