胡群愛， 孫連忠， 張進(jìn)雙， 張 俊， 劉仕銀

（1.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.中國石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院，新疆烏魯木齊 830011；3.中國石化西北油田分公司工程監(jiān)督中心，新疆烏魯木齊 830011）

采用PDC鉆頭鉆進(jìn)堅(jiān)硬、軟硬交錯(cuò)等復(fù)雜地層時(shí)，易誘發(fā)井下振動(dòng)，造成PDC鉆頭先期損壞、鉆井效率低等問題[1-6]。為解決該問題，國內(nèi)外研發(fā)了增強(qiáng)穩(wěn)定性與攻擊性的非平面切削齒PDC鉆頭[7-8]、大功率動(dòng)力鉆具、水力增壓器、沖擊類輔助破巖工具（如軸向[9-11]、周向[12]及多方向復(fù)合[13]沖擊鉆井工具）和恒扭矩鉆井工具[14]等鉆井工具，拓寬了PDC鉆頭的應(yīng)用范圍，提高了PDC鉆頭鉆進(jìn)復(fù)雜地層時(shí)的效果。PDC鉆頭與輔助破巖工具配合進(jìn)行復(fù)合鉆井已經(jīng)成為石油鉆井最主要的鉆井提速方式。實(shí)踐表明，充足的破巖扭矩可以提高PDC鉆頭的機(jī)械鉆速[15]，但目前還沒有PDC鉆頭破巖門限扭矩的定義和計(jì)算模型，影響了PDC鉆頭鉆進(jìn)硬地層時(shí)的穩(wěn)定性。為此，通過建立PDC鉆頭破巖門限扭矩的定量計(jì)算模型，采取優(yōu)化井眼尺寸、優(yōu)選鉆頭和輔助破巖工具等措施給鉆頭提供充足穩(wěn)定的鉆壓和扭矩，同時(shí)降低鉆柱扭轉(zhuǎn)應(yīng)變能的波動(dòng)，形成了硬地層穩(wěn)壓穩(wěn)扭鉆井提速技術(shù)。位于塔里木盆地巴楚隆起的夏河1井在一開鉆進(jìn)二疊系軟硬交錯(cuò)地層時(shí)，進(jìn)行了穩(wěn)壓穩(wěn)扭鉆井提速技術(shù)試驗(yàn)，結(jié)果表明，采用該技術(shù)可以解決長期困擾二疊系鉆井提速的惡性振動(dòng)等技術(shù)難題，顯著提高了PDC鉆頭的機(jī)械鉆速、延長了其使用壽命，并在全井進(jìn)行了推廣應(yīng)用，取得了良好的提速效果與經(jīng)濟(jì)效益。

1 硬地層PDC鉆頭提速理念與工藝

旋轉(zhuǎn)鉆井模式下，PDC鉆頭最主要的破巖能量是鉆頭扭矩，鉆柱以扭轉(zhuǎn)應(yīng)變能的形式由上往下將扭矩傳遞給鉆頭，鉆柱扭轉(zhuǎn)應(yīng)變能周期性的積聚與釋放是造成井下鉆柱扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的直接原因，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)與橫向振動(dòng)耦合還會(huì)形成渦動(dòng)和粘滑等不良運(yùn)動(dòng)[16-17]。將鉆頭與井口之間的鉆柱分為n個(gè)微元，根據(jù)材料力學(xué)可知，在任意時(shí)刻t，任意鉆柱微元i的扭轉(zhuǎn)應(yīng)變能可表示為：

t時(shí)刻鉆柱扭轉(zhuǎn)應(yīng)變能的波動(dòng)值為：

其中

式中：Eε為鉆柱扭轉(zhuǎn)應(yīng)變能，J；Td為鉆柱扭矩，N·m；l為傳遞扭矩鉆柱的長度，m；G為鉆柱的切變模量，N/m2；Ip為鉆柱的截面極慣性矩，m4；GIp為鉆柱的抗扭剛度，N·m2；t為任意時(shí)刻，s；ΔEε為鉆柱扭轉(zhuǎn)應(yīng)變能的波動(dòng)值，J；ΔTd為鉆柱扭矩的波動(dòng)值，N·m。

由式（2）可知，在相同地層條件下，鉆柱扭矩及其波動(dòng)幅度越小、傳遞扭矩鉆柱的長度越短、鉆柱的抗扭剛度越大，鉆柱扭轉(zhuǎn)應(yīng)變能波動(dòng)幅度越小，因鉆柱扭轉(zhuǎn)出現(xiàn)鉆頭不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)等問題的概率越小。鉆進(jìn)相同巖性地層時(shí)，鉆壓波動(dòng)是造成鉆柱扭矩波動(dòng)和鉆頭沖擊載荷的主要原因。增強(qiáng)底部鉆具組合的緩沖作用，降低鉆壓波動(dòng)幅度，保持鉆頭始終接觸井底，能夠降低破巖過程中鉆頭出現(xiàn)不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的概率。目前，無法給鉆頭提供充足穩(wěn)定的扭矩是制約硬地層鉆井提速的主要難題，是造成鉆壓-機(jī)械鉆速曲線中不穩(wěn)定點(diǎn)提前出現(xiàn)的重要原因。給鉆頭提供充足穩(wěn)定的扭矩是強(qiáng)化鉆井參數(shù)、降低井下振動(dòng)和延長鉆頭使用壽命的關(guān)鍵。

旋轉(zhuǎn)鉆井模式下，PDC鉆頭同時(shí)滿足門限鉆壓與門限扭矩的雙重條件，是PDC鉆頭持續(xù)高效破巖的基礎(chǔ)。PDC鉆頭的破巖門限扭矩是指滿足提高機(jī)械鉆速、延長鉆頭使用壽命要求的最小扭矩。由于鉆頭扭矩具有波動(dòng)的特性，因此鉆頭破巖門限扭矩取特定周期內(nèi)鉆頭扭矩曲線的最大峰值。鉆頭穩(wěn)定性越差，鉆頭的破巖門限扭矩越大。常規(guī) PDC 鉆頭破巖所需的門限扭可表示為：

式中：Tbs為常規(guī)PDC鉆頭破巖所需的門限扭矩，N·m；Ttw為門限鉆壓下的鉆頭扭矩峰值，N·m；Tsm為保持機(jī)械比能在較低水平的臨界切削深度所對(duì)應(yīng)的鉆頭扭矩峰值，N·m。

正常情況下，鉆進(jìn)硬地層時(shí)，PDC鉆頭的Ttw小于Tsm，Tbs取Tsm。

鉆頭扭矩由鉆頭與地層之間的水平切削力與摩擦力決定，地層參數(shù)、鉆頭切削深度、鉆頭類型與尺寸、鉆頭設(shè)計(jì)參數(shù)和鉆頭的磨損與泥包等因素都會(huì)影響鉆頭扭矩。影響PDC鉆頭扭矩的主要因素是地層抗壓強(qiáng)度、鉆頭切削深度和鉆頭尺寸，其中鉆頭切削深度是鉆壓與地層抗壓強(qiáng)度的線性函數(shù)。在臨界切削深度下，地層抗壓強(qiáng)度和鉆頭尺寸是決定硬地層中PDC鉆頭破巖所需門限扭矩的主要因素，門限扭矩可表示為：

式中：Scc為巖石有圍壓抗壓強(qiáng)度，Pa，具體計(jì)算方法見文獻(xiàn)[18]；Db為鉆頭直徑，m；kbd為鉆頭尺寸影響系數(shù)，m2；kcc為抗壓強(qiáng)度影響系數(shù)；a，b為擬合系數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)與室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。鉆進(jìn)硬地層時(shí)，kcc推薦取56.5，a推薦取-2.44，b推薦取33.40。

式（5）為門限扭矩模型，其為鉆頭、井下動(dòng)力鉆具及鉆井參數(shù)的優(yōu)選提供了依據(jù)。井下動(dòng)力鉆具的制動(dòng)扭矩應(yīng)超過所鉆井段的破巖門限扭矩，為鉆頭高效破巖與平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)造條件。當(dāng)鉆頭破巖扭矩?zé)o法滿足時(shí)，就需要優(yōu)選具有較低破巖門限扭矩的鉆頭，如牙輪-PDC混合鉆頭[19]、安裝非平面切削齒的PDC鉆頭[8]等，并采取控制鉆頭切削深度及鉆壓等技術(shù)措施，使鉆頭切削深度與鉆頭破巖扭矩相匹配。

綜上所述，降低鉆頭破巖的門限鉆壓和門限扭矩、提高鉆頭扭矩和降低鉆柱扭轉(zhuǎn)應(yīng)變能波動(dòng)是提高鉆井速度與鉆井效率的主要途徑。通過分析影響機(jī)械鉆速的因素，提出了穩(wěn)壓穩(wěn)扭鉆井提速技術(shù)的關(guān)鍵要素，即高效的破巖方式、穩(wěn)定充足的能量和鉆頭平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)（見圖1）。圖2為穩(wěn)壓穩(wěn)扭鉆井提速技術(shù)設(shè)計(jì)流程。綜合考慮地層巖性、巖石力學(xué)參數(shù)、軟硬交錯(cuò)指數(shù)[15]與鉆頭使用效果，優(yōu)選合適的PDC鉆頭，確定合理的刀翼數(shù)量、切削齒直徑及傾角等關(guān)鍵參數(shù)；依據(jù)PDC鉆頭破巖門限扭矩優(yōu)選井下動(dòng)力鉆具；根據(jù)地層脆性指數(shù)、鉆壓與沖擊力組合等優(yōu)選沖擊輔助破巖工具；通過鉆頭與輔助破巖工具之間的迭代優(yōu)化，降低破巖門限鉆壓和門限扭矩，并給鉆頭提供足夠的破巖能量。優(yōu)選大尺寸鉆桿和鉆鋌，提高鉆柱的抗扭剛度與水力能量的利用率；優(yōu)選減振工具與穩(wěn)定器并優(yōu)化安放位置，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)底部鉆具組合為鉆頭平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)造條件。與鉆進(jìn)軟地層相比，采用PDC鉆頭鉆進(jìn)硬地層需要較低的轉(zhuǎn)速和較大的鉆壓；優(yōu)化轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)避開易引起鉆柱共振的轉(zhuǎn)速區(qū)間。鉆頭破巖扭矩充足時(shí)，提高鉆壓有利于提高機(jī)械鉆速；而鉆頭破巖扭矩不足時(shí)，則需要合理控制鉆壓與切削深度。以穩(wěn)壓穩(wěn)扭鉆井提速技術(shù)關(guān)鍵要素為指導(dǎo)，優(yōu)選或研制鉆頭與輔助破巖工具，提高鉆壓與鉆頭扭矩，形成連續(xù)穩(wěn)定的鉆頭切削運(yùn)動(dòng)，達(dá)到提高硬地層機(jī)械鉆速與延長鉆頭使用壽命的目的。

圖1 穩(wěn)壓穩(wěn)扭鉆井提速技術(shù)Fig.1 Stable WOB/torque for increasing drilling speed

2 現(xiàn)場試驗(yàn)

夏河1井是塔里木盆地巴楚隆起夏河地區(qū)的一口探井，設(shè)計(jì)井深5 650.00 m，完鉆井深5 671.00 m，鉆遇地層從下至上為元古界震旦系，古生界寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二疊系和新生界。新生界為砂泥巖互層；二疊系以砂泥巖、火成巖與灰?guī)r為主；石炭系—奧陶系上統(tǒng)以砂泥巖與灰?guī)r為主；奧陶系下統(tǒng)主要為白云巖、灰?guī)r和灰質(zhì)泥巖；寒武系以白云巖為主，且鹽膏層發(fā)育；震旦系為泥巖與玄武巖；奧陶系—寒武系發(fā)育4套輝綠巖侵入體。該井采用四級(jí)井身結(jié)構(gòu)：一開，采用φ406.4 mm鉆頭鉆至井深1 365.00 m，下入φ339.7 mm套管，封隔二疊系易坍塌地層；二開，采用φ311.1 mm鉆頭鉆至井深5 160.00 m，下入φ244.5 mm套管，封隔寒武系鹽膏層以上地層；三開，采用φ215.9 mm鉆頭鉆至井深5 420.00 m，下入φ184.2 mm厚壁套管，封隔鹽膏層；四開，采用φ149.2 mm鉆頭鉆至設(shè)計(jì)井深，裸眼完井。

圖2 穩(wěn)壓穩(wěn)扭鉆井提速技術(shù)設(shè)計(jì)流程Fig.2 Design flow of drilling speed increase technology by stable WOB/torquet

夏河1井二疊系地層厚度超過900.00 m，開派茲雷克組地層為凝灰?guī)r、玄武巖、泥巖與砂巖的交錯(cuò)地層，庫普庫茲滿組為砂泥巖互層?；鸪蓭r與沉積巖巖性差異大、軟硬交錯(cuò)程度高和抗壓強(qiáng)度變化頻繁，泥巖易坍塌掉塊。鄰井巴探5井[20]與瑪北1井[21]在鉆進(jìn)二疊系軟硬交錯(cuò)地層時(shí)，PDC鉆頭破巖所需門限扭矩高，難以保障鉆頭平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致PDC鉆頭沖擊損壞嚴(yán)重，被迫采用牙輪鉆頭，并配合使用減振器，但是牙輪鉆頭崩齒、掉齒依然嚴(yán)重，造成鉆頭使用壽命短、機(jī)械鉆速低。為此，夏河1井在鉆進(jìn)一開二疊系地層時(shí)進(jìn)行了穩(wěn)壓穩(wěn)扭鉆井提速技術(shù)試驗(yàn)，通過適當(dāng)縮小一開井眼直徑，優(yōu)選鉆頭與輔助破巖工具及其結(jié)構(gòu)參數(shù)，及時(shí)調(diào)整鉆井參數(shù)，降低了PDC鉆頭破巖門限扭矩，鉆柱振動(dòng)得到控制。

1）降低門限扭矩。夏河1井一開井眼直徑原設(shè)計(jì)為444.5 mm，按二疊系最大有圍壓抗壓強(qiáng)度150 MPa計(jì)算，PDC鉆頭破巖所需的門限扭矩最大為46.74 kN·m，超出目前井下動(dòng)力鉆具的扭矩輸出能力。在不影響套管下入與后續(xù)鉆井的前提下，將一開井眼直徑優(yōu)化為406.4 mm，井眼直徑優(yōu)化后PDC鉆頭破巖所需最大門限扭矩降至38.35 kN·m，為給鉆頭提供穩(wěn)定充足的能量創(chuàng)造了條件。

2）優(yōu)選鉆頭。增強(qiáng)鉆頭穩(wěn)定性與抗沖擊性能是保證PDC鉆頭鉆進(jìn)硬地層及軟硬交錯(cuò)地層時(shí)其持續(xù)平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵，因此，定制了6刀翼、φ16.0 mm切削齒的PDC鉆頭。該鉆頭采用倒V形冠部、雙排齒設(shè)計(jì)，使鉆頭具有較高的穩(wěn)定性；優(yōu)選脫鈷處理的進(jìn)口復(fù)合片并優(yōu)化切削齒角度，保徑部位合理分布減振節(jié)，提高鉆頭的切削效率與抗沖擊能力。

3）優(yōu)化底部鉆具組合。為給鉆頭提供穩(wěn)定充足的能量，底部鉆具組合應(yīng)具有能輸出較大扭矩、實(shí)現(xiàn)沖擊與剪切等多重方式破巖、含有大尺寸鉆具、能緩沖軸向沖擊等特征，因此使用φ279.4 mm鉆鋌和φ403.2 mm穩(wěn)定器，選用φ285.7 mm New-drill恒壓穩(wěn)扭工具。New-drill恒壓穩(wěn)扭工具可以提供軸向與扭轉(zhuǎn)復(fù)合沖擊，其性能參數(shù)為：排量60～95 L/s，轉(zhuǎn)速75～180 r/min，輸出扭矩22～34 kN·m，軸向緩沖距離2 cm。為滿足二疊系硬地層高效鉆進(jìn)需求，加長New-drill恒壓穩(wěn)扭工具的動(dòng)力發(fā)生器，將最大輸出扭矩提高至40 kN·m，與一開井段最大門限扭矩相當(dāng)，將軸向緩沖距離調(diào)整至5 cm，以降低鉆壓波動(dòng)幅度與沖擊載荷。

4）優(yōu)選鉆井參數(shù)。硬地層與軟地層對(duì)鉆井參數(shù)的要求不同，鉆進(jìn)硬地層時(shí)，低鉆壓、高轉(zhuǎn)速不利于穩(wěn)定鉆頭切削深度。因此，一開井段鉆井排量取Newdrill恒壓穩(wěn)扭工具排量的下限（60 L/s），輸出轉(zhuǎn)速取75 r/min。在軟硬地層交界面PDC鉆頭的受力狀況復(fù)雜，切削齒承受的沖擊載荷變化劇烈且齒間差異大，為保護(hù)鉆頭需及時(shí)判斷井下情況并調(diào)整鉆井參數(shù)。鉆至井深685.00 m鉆遇第4套玄武巖地層時(shí)，機(jī)械鉆速急劇降低，鉆柱振動(dòng)劇烈，但地面扭矩平穩(wěn)，判斷鉆頭無法有效切削玄武巖地層并發(fā)生渦動(dòng)，將鉆壓增至80 kN，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速降至30 r/min，鉆柱振動(dòng)得到控制，鉆頭運(yùn)動(dòng)趨于平穩(wěn)；鉆至井深702.00 m時(shí)機(jī)械鉆速變快，地面扭矩波動(dòng)幅度變大，判斷鉆頭再次鉆遇玄武巖與泥巖交界面，因鉆頭切削深度迅速增加，鉆頭扭矩急劇上升，從而發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，及時(shí)將鉆壓降至40 kN，地面扭矩波動(dòng)幅度變小。

穩(wěn)壓穩(wěn)扭鉆井提速技術(shù)降低了鉆柱的振動(dòng)，PDC鉆頭的切削齒得到了保護(hù)，鉆進(jìn)砂泥巖等易鉆地層發(fā)揮了高效破巖作用，夏河1井僅用1只PDC鉆頭就順利鉆至中完井深1 365.00 m，平均機(jī)械鉆速達(dá)到6.91 m/h，較鄰井最快機(jī)械鉆速提高485.6%，鉆頭使用數(shù)量減少5～8只，鉆井周期縮短75%以上，提速效果顯著。穩(wěn)壓穩(wěn)扭鉆井提速技術(shù)在二疊系地層的成功應(yīng)用，為夏河1井古生界硬地層鉆井提速提供了示范，并在全井段進(jìn)行了推廣應(yīng)用，通過選用穩(wěn)定性強(qiáng)的PDC鉆頭、牙輪-PDC混合鉆頭、安裝尖圓齒的PDC鉆頭等個(gè)性化鉆頭和等壁厚大扭矩螺桿，采用New-drill恒壓穩(wěn)扭工具，試驗(yàn)復(fù)合沖擊提速工具，取得了顯著的提速效果，夏河1井全井平均機(jī)械鉆速1.84 m/h，較鄰井提高了70.4%，鉆井周期299.7 d，較鄰井縮短了45.0%。

3 結(jié)論與建議

1）提出了PDC鉆頭破巖門限扭矩的概念并建立了計(jì)算模型，為鉆進(jìn)硬地層優(yōu)選PDC鉆頭、井下動(dòng)力鉆具和鉆井參數(shù)提供了理論依據(jù)。

2）穩(wěn)壓穩(wěn)扭鉆井提速技術(shù)在夏河1井硬地層鉆進(jìn)試驗(yàn)中取得了顯著的提速效果，表明給鉆頭提供穩(wěn)定充足的能量、保證鉆頭平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)和采用高效破巖方式是實(shí)施該技術(shù)的關(guān)鍵。

3）沖擊與切削耦合破巖，會(huì)降低PDC鉆頭的門限扭矩和提高其門限鉆壓，但需要深入研究，使鉆壓、扭矩與沖擊載荷的組合達(dá)到最佳。

4）要進(jìn)一步加強(qiáng)巖石破碎特性、PDC鉆頭破巖能量傳遞與利用等基礎(chǔ)研究，深入研究基于PDC鉆頭充足破巖能量連續(xù)平穩(wěn)傳遞的鉆井提速理論與方法。