摘? ?要： 針對(duì)龍鳳山氣田下部火石嶺組中基性火山巖儲(chǔ)層鉆井機(jī)械鉆速慢、鉆井周期長(zhǎng)的難題，開展鉆井提速提效技術(shù)研究。對(duì)金剛石復(fù)合片（PDC）鉆頭復(fù)合片側(cè)傾角、鉆頭出露高度、鉆壓設(shè)定及測(cè)定方法等進(jìn)行調(diào)整，形成優(yōu)化的巖石可鉆性級(jí)值評(píng)價(jià)方案;結(jié)合工區(qū)工程地質(zhì)條件、巖石破碎機(jī)理和破巖鉆頭應(yīng)用特點(diǎn)，對(duì)原有鉆井技術(shù)的適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，形成適用于火山巖儲(chǔ)層的、鉆頭和螺桿性能適合各個(gè)井段的鉆井提速提效技術(shù)。在以滑動(dòng)鉆進(jìn)為主的井段，采用牙輪—PDC混合鉆頭，在以滾動(dòng)鉆進(jìn)為主的井段，采用PDC鉆頭，并配套等應(yīng)力螺桿進(jìn)行鉆井提速。技術(shù)應(yīng)用后，單只鉆頭平均進(jìn)尺提高35.11%，機(jī)械鉆速提高25.35%。

關(guān)鍵詞： 龍鳳山氣田;火山巖;巖石可鉆性級(jí)值;鉆井提速提效;金剛石復(fù)合片（PDC）;鉆頭平均進(jìn)尺

中圖分類號(hào)：TE242? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2095-8412 （2020） 05-125-07

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.05.023

引言

龍鳳山氣田位于吉林省長(zhǎng)春市西北方向約120 km、長(zhǎng)嶺縣西南方向約20 km處的前七號(hào)鎮(zhèn)。構(gòu)造上，該氣田位于松遼盆地長(zhǎng)嶺斷陷龍鳳山鼻狀構(gòu)造帶，本區(qū)儲(chǔ)層主要為火石嶺組中基性火山巖。通過近五年的研究及探索，在龍鳳山工區(qū)上部碎屑巖地層，有效的鉆完井配套工藝技術(shù)已經(jīng)形成，鉆井機(jī)械鉆速慢、鉆井周期長(zhǎng)等問題得以解決[1-3];在工區(qū)下部的火石嶺組中基性火山巖儲(chǔ)層，地層平均進(jìn)尺為1 239 m，占全井的30%，鉆井周期為38 d，占全井的61%（不包含完井時(shí)間），是鉆井提速的重點(diǎn)井段，但地層研磨性強(qiáng)、可鉆性較差，使得機(jī)械鉆速偏低，目前尚無對(duì)該儲(chǔ)層的針對(duì)性研究。

為此，本文以龍鳳山工區(qū)下部火石嶺組中基性火山巖為研究對(duì)象，以地層巖石可鉆性為依據(jù)，結(jié)合巖石破碎機(jī)理和破巖鉆頭應(yīng)用特點(diǎn)，完成現(xiàn)有技術(shù)的適應(yīng)性評(píng)價(jià)，進(jìn)而形成了火山巖配套提速提效關(guān)鍵技術(shù)，為其他相似工程地質(zhì)條件下的鉆井提速提效提供有益借鑒。

1? 地層巖石可鉆性研究

準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)地層巖石可鉆性級(jí)值，對(duì)優(yōu)選鉆頭等配套工具、提高地層層段的機(jī)械鉆速具有重要意義。地層巖石可鉆性級(jí)值可通過實(shí)驗(yàn)方法確定[4-6]。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，本文在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)方法[7]的基礎(chǔ)上為可鉆性級(jí)值高于7級(jí)的地層提出一種新方案，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)精確度更高，鉆頭選型指導(dǎo)意義更強(qiáng)。

1.1? 原實(shí)驗(yàn)方法主要存在的問題

（1）金剛石復(fù)合片（PDC）測(cè)試鉆頭復(fù)合片側(cè)傾角為15°不合理。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：未鉆達(dá)規(guī)定深度前，PDC側(cè)面與巖石存在干涉現(xiàn)象。如圖1a所示，PDC側(cè)面會(huì)承擔(dān)部分鉆壓，使得鉆頭的實(shí)際鉆壓低于規(guī)定鉆壓，鉆進(jìn)越深，干涉越嚴(yán)重，對(duì)于高強(qiáng)度巖石，通常難以鉆達(dá)規(guī)定深度，影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，凹臺(tái)會(huì)在一定程度上發(fā)生破壞，如圖1b所示。

（2）PDC安裝后外凸出鉆頭體的尺寸是44 mm不合理。該尺寸正好是實(shí)驗(yàn)規(guī)定鉆深，會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（3）原實(shí)驗(yàn)沒有規(guī)定PDC的切削刃倒角參數(shù)。實(shí)驗(yàn)研究表明，該參數(shù)對(duì)巖石可鉆性測(cè)試結(jié)果影響顯著。

（4）根據(jù)巖石可鉆性測(cè)定方法，原實(shí)驗(yàn)中PDC鉆頭分?jǐn)偟矫總€(gè)PDC的平均鉆壓僅為250 N，低于中硬巖石的“門限鉆壓”，常常出現(xiàn)PDC無法有效壓入巖石的問題，導(dǎo)致其長(zhǎng)時(shí)間在鉆窩里打滑，不能鉆達(dá)規(guī)定鉆深，使得巖石可鉆性級(jí)值測(cè)試結(jié)果偏高。

1.2? 新實(shí)驗(yàn)方法主要改進(jìn)措施

（1）PDC鉆頭復(fù)合片側(cè)傾角由15°減少到5°。經(jīng)過模型構(gòu)建與模擬計(jì)算分析，在側(cè)傾角為55°、后傾角為20°的情況下，在鉆達(dá)44 mm鉆深之前，PDC始終處于正常切削狀態(tài)，復(fù)合片內(nèi)側(cè)面和外側(cè)面均不會(huì)與巖石接觸，不會(huì)分配鉆壓。

（2）將PDC測(cè)試鉆頭的PDC在安裝后高出鉆頭本體的出露高度由4 mm調(diào)整至5 mm。

（3）將500 N固定鉆壓優(yōu)化為3級(jí)鉆壓。1級(jí)鉆壓（500 N），2級(jí)鉆壓（1 000 N），3級(jí)鉆壓（2 000 N），滿足不同強(qiáng)度試樣測(cè)定要求。

（4）修改鉆壓測(cè)定方法。對(duì)于測(cè)定試樣，首先采用第1級(jí)鉆壓測(cè)定，如果128 s以內(nèi)未鉆達(dá)規(guī)定深度，則采用第2級(jí)鉆壓測(cè)定;如果第2級(jí)鉆壓下128 s以內(nèi)未鉆達(dá)規(guī)定深度，再采用第3級(jí)鉆壓測(cè)定;如果第3級(jí)鉆壓下128 s以內(nèi)仍未鉆達(dá)規(guī)定深度，則測(cè)試終止。按照確定的測(cè)試鉆壓，測(cè)試三次以上。

1.3? 巖石可鉆性級(jí)值實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果

對(duì)北213井3 521～3 524 m井段、北216井3 677～3 681 m井段進(jìn)行巖心取樣，通過TerraTek巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試儀、巖石可鉆性測(cè)試儀開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)。對(duì)7塊全直徑巖心、牙輪鉆頭和PDC鉆頭進(jìn)行了一共21組可鉆性實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

2? 現(xiàn)有技術(shù)地層適應(yīng)性評(píng)價(jià)

2.1? PDC鉆頭適應(yīng)性評(píng)價(jià)

PDC鉆頭利用剪切方式破巖，在適應(yīng)地層中具有機(jī)械鉆速快、進(jìn)尺高、鉆壓較小的特點(diǎn)，但是PDC鉆頭的金剛石層只有2 mm左右，金剛石含量較低。如圖2所示的PDC鉆頭破巖分析，對(duì)于高研磨性地層來說，PDC鉆頭的復(fù)合片容易脆裂并磨損失效，使其壽命短、進(jìn)尺低。

龍鳳山氣田火石嶺組可鉆性較好，PDC鉆頭可鉆性級(jí)值主要分布在5級(jí)左右，且地層含礫情況不突出、研磨性不高，現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)過程中未出現(xiàn)明顯憋跳鉆現(xiàn)象，PDC的磨損基本為正常磨損。

統(tǒng)計(jì)了北213和北216兩個(gè)井區(qū)中基性火山巖PDC鉆頭應(yīng)用情況，如表2所示?？梢钥闯?，PDC鉆頭在龍鳳山中基性火山巖適應(yīng)性很好，單只鉆頭平均進(jìn)尺412.8 m，平均機(jī)械鉆速4.34 m/h。

2.2? 牙輪—PDC混合鉆頭適應(yīng)性評(píng)價(jià)

牙輪—PDC混合鉆頭同時(shí)發(fā)揮PDC鉆頭具有優(yōu)勢(shì)的切削破巖機(jī)理及牙輪鉆頭特有的沖擊破碎機(jī)理。牙輪切削齒形成不連續(xù)的齒坑，對(duì)巖石產(chǎn)生預(yù)破碎;PDC切削齒通過切削作用，將牙輪切削齒形成的不連續(xù)的齒坑連通，從而形成完整的破碎環(huán)帶，使得混合鉆頭在硬塑性地層中具有較高的機(jī)械鉆速[8-9]?；旌香@頭破巖機(jī)理分析如圖3所示。

混合鉆頭鉆遇硬夾層時(shí)，扭矩波動(dòng)平穩(wěn)程度明顯好于PDC鉆頭，較小的扭矩波動(dòng)可保持井底工具運(yùn)行相對(duì)平穩(wěn)，同時(shí)提高鉆頭操控性，有助于工具面穩(wěn)定，適合在軟硬交錯(cuò)頻繁的地層及定向作業(yè)中應(yīng)用。

龍鳳山水平井定向段混合鉆頭和PDC鉆頭的使用指標(biāo)對(duì)比如表3所示。龍鳳山水平井定向段混合鉆頭單只平均進(jìn)尺302 m，平均機(jī)械鉆速4.09 m/h;PDC鉆頭單只平均進(jìn)尺167.8 m，平均機(jī)械鉆速3.03 m/h。在水平井定向段，混合鉆頭進(jìn)尺較PDC鉆頭提高79.98%，機(jī)械鉆速較PDC鉆頭提高34.98%。

龍鳳山中基性火山巖水平井造斜段深度主要在3 100～3 600 m。根據(jù)表4進(jìn)行計(jì)算可知，采用混合鉆頭，造斜段單井周期較PDC鉆頭縮短2.5 d，投資較PDC鉆頭節(jié)約27.1 萬元。

在龍鳳山中基性火山巖直井段，混合鉆頭和PDC鉆頭的使用指標(biāo)對(duì)比如表5所示?；旌香@頭單只平均進(jìn)尺234.6 m，平均機(jī)械鉆速3.68 m/h;PDC鉆頭單只平均進(jìn)尺545.2 m，平均機(jī)械鉆速6.02 m/h。在直井段，PDC鉆頭進(jìn)尺較混合鉆頭提高1.32倍，機(jī)械鉆速較混合鉆頭提高63.59%。因此在直井段，混合鉆頭的使用效果不如PDC鉆頭。

在龍鳳山中基性火山巖水平段，混合鉆頭和PDC鉆頭的使用指標(biāo)對(duì)比如表6所示?；旌香@頭單只平均進(jìn)尺347 m，平均機(jī)械鉆速4.49 m/h;PDC鉆頭單只平均進(jìn)尺408.25 m，平均機(jī)械鉆速4.5 m/h。因此在水平段，PDC鉆頭進(jìn)尺較混合鉆頭提高17.58%，機(jī)械鉆速基本持平。

2.3? 綜合適應(yīng)性分析

通過對(duì)PDC鉆頭和牙輪—PDC混合鉆頭的破巖機(jī)理以及鉆頭應(yīng)用情況對(duì)比，在本區(qū)目前常用的提速提效技術(shù)中，對(duì)直井、定向井穩(wěn)斜段和水平井水平段采用PDC鉆頭提速效果最佳，對(duì)造斜段采用牙輪—PDC混合鉆頭提速效果最佳。

3? 高效鉆頭及動(dòng)力鉆具優(yōu)選

3.1? 高效鉆頭優(yōu)選

根據(jù)中基性火山巖室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果、破巖原理以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果，聚焦于PDC鉆頭的應(yīng)用，得到PDC鉆頭主體結(jié)構(gòu)、可鉆性與地層的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖4所示。

3.2? 動(dòng)力鉆具優(yōu)選

目前，與PDC鉆頭配套的常用輔助破巖工具有扭力沖擊器、螺桿鉆具、等壁厚螺桿鉆具以及等應(yīng)力螺桿。

在龍鳳山工區(qū)復(fù)合鉆進(jìn)過程中，由于扭矩平穩(wěn)，無明顯粘滑現(xiàn)象，因此扭力沖擊技術(shù)提速優(yōu)勢(shì)不明顯，其相較于螺桿鉆進(jìn)，輸出轉(zhuǎn)速反而降低，適應(yīng)性不強(qiáng)。

螺桿鉆具通過將鉆井液的水動(dòng)力轉(zhuǎn)化成額外的轉(zhuǎn)速提供給PDC鉆頭，再輔以轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，使PDC鉆頭能夠在200 r/min以上的較高轉(zhuǎn)速下進(jìn)行工作，既低于目前PDC鉆頭極限轉(zhuǎn)速300 r/min，不使鉆頭快速磨損，又能提供較高的動(dòng)力，發(fā)揮出高速剪切破巖的優(yōu)勢(shì)。龍鳳山氣田鉆井主要采用該項(xiàng)技術(shù)，在以往PDC配合螺桿的復(fù)合鉆井基礎(chǔ)上提速10%。

等壁厚螺桿的基本結(jié)構(gòu)與普通螺桿相同，在普通螺桿的基礎(chǔ)上，馬達(dá)定子被加工成與配套轉(zhuǎn)子相同的螺旋槽。如圖5所示，橡膠與定子內(nèi)表面的粘接面積增加了50%以上，與常規(guī)螺桿相比具有穩(wěn)定性好、扭矩大、轉(zhuǎn)速高、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)[10]。

等應(yīng)力螺桿[11-12]利用流固耦合技術(shù)建立等應(yīng)力預(yù)輪廓螺桿馬達(dá)。如圖6所示，該馬達(dá)在等壁厚馬達(dá)橡膠應(yīng)力幅值大的部位適當(dāng)增大壁厚，降低該部位的應(yīng)力幅值，從而提高定子的疲勞壽命。改進(jìn)后，應(yīng)力極差降低28%，應(yīng)力幅值降低44%。

三種螺桿鉆具主要機(jī)械參數(shù)如表7所示。通過對(duì)比能夠得出：在轉(zhuǎn)速、工作扭矩、最大扭矩以及功率這四個(gè)參數(shù)方面，常規(guī)螺桿鉆具性能最低，等應(yīng)力螺桿性能最高。

對(duì)于龍鳳山氣田二開311.2 mm井眼，其平均進(jìn)尺在1 900 m左右，普通螺桿性能參數(shù)較低，單只螺桿鉆進(jìn)深度一般在1 700 m左右，需要增加1趟起下鉆。針對(duì)這一情況，于北203井實(shí)驗(yàn)應(yīng)用等壁厚螺桿技術(shù)，進(jìn)尺1 850 m完成二開，成功實(shí)現(xiàn)1趟鉆的完鉆。螺桿出井后，壓降變化不大，可繼續(xù)入井使用。

在北213-6HF井對(duì)等應(yīng)力螺桿進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，與常規(guī)螺桿鉆進(jìn)速度對(duì)比如表8所示。普通螺桿配套PDC 鉆頭平均進(jìn)尺412.8 m，純鉆時(shí)間95.1 h，機(jī)械鉆速達(dá)到4.34 m/h。等應(yīng)力螺桿配套PDC鉆頭進(jìn)尺558 m，入井時(shí)間102.5 h，機(jī)械鉆速達(dá)到5.44 m/h，進(jìn)尺較普通螺桿配套PDC鉆頭提高35.11%，機(jī)械鉆速較普通螺桿配套PDC鉆頭提高25.35%。由于等應(yīng)力螺桿配套PDC鉆頭在鉆達(dá)設(shè)計(jì)中從井深起鉆，使得等應(yīng)力螺桿入井僅耗時(shí)102.5 h，且井口試運(yùn)轉(zhuǎn)正常，故仍可再次入井使用。

5? 結(jié)論與建議

本文針對(duì)龍鳳山工區(qū)下部火石嶺組中基性火山巖機(jī)械鉆速慢的難題，開展了鉆井提速提效技術(shù)研究。以可鉆性為依據(jù)，結(jié)合巖石破碎機(jī)理和破巖鉆頭應(yīng)用特點(diǎn)，完成了現(xiàn)有技術(shù)適應(yīng)性評(píng)價(jià)，得到了以下結(jié)論及建議：

（1）對(duì)原實(shí)驗(yàn)方法得到的可鉆性級(jí)值高于7級(jí)的地層，采用新實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，得到了新的地層巖石可鉆性等級(jí)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)精確度更高，鉆頭選型指導(dǎo)意義更強(qiáng)。

（2）對(duì)于龍鳳山氣田中基性火山巖地質(zhì)條件而言，在以滑動(dòng)鉆進(jìn)為主的井段，宜采用牙輪—PDC混合鉆頭，在以滾動(dòng)鉆進(jìn)為主的井段，宜采用PDC鉆頭，并配套等應(yīng)力螺桿進(jìn)行鉆井提速提效。

（3）后續(xù)建議在造斜段采用牙輪—PDC混合鉆頭配套等應(yīng)力螺桿進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步完善鉆井提速提效配套技術(shù)適應(yīng)性評(píng)價(jià)。

基金項(xiàng)目

中國(guó)石化科技部項(xiàng)目：龍鳳山氣田鉆完井提速提效工藝技術(shù)研究（編號(hào)P15109）。

參考文獻(xiàn)

[1] 張東清. 龍鳳山氣田北209井鉆井提速技術(shù)[J]. 石油鉆探技術(shù)， 2016， 44（4）： 22-26.

[2] 褚奇， 李濤， 王棟， 等.龍鳳山氣田強(qiáng)抑制封堵型防塌鉆井液技術(shù)[J]. 鉆井液與完井液， 2016， 33（5）： 35-40.

[3] 馬艷超. 龍鳳山氣田易漏失井固井工藝技術(shù)研究與應(yīng)用[J]. 探礦工程： 巖土鉆掘工程， 2017， 44（6）： 58-61.

[4] 鄒德永， 徐城凱， 易楊， 等. PDC鉆頭布齒參數(shù)與地層適應(yīng)性的試驗(yàn)研究[J]. 天然氣工業(yè)， 2017， 37（9）： 85-90.

[5] 閆吉曾. 紅河油田地層可鉆性研究與鉆頭優(yōu)選[J]. 探礦工程： 巖土鉆掘工程， 2018， 45（6）： 63-66.

[6] 趙希春， 邵東亮， 黃少華， 等. 手動(dòng)巖石可鉆性測(cè)試儀的研制[J]. 石油管材與儀器， 2017， 3（4）： 57-58.

[7] 國(guó)家石油和化學(xué)工業(yè)局. 巖石可鉆性測(cè)定與分級(jí)方法： SY/T 5426-2000[S]. 北京： 石油工業(yè)出版社， 2000.

[8] 許京國(guó)， 陶瑞東， 鄭智冬， 等. 牙輪—PDC混合鉆頭在迪北103井的應(yīng)用試驗(yàn)[J]. 天然氣工業(yè)， 2014， 34（10）： 71-74.

[9] 劉強(qiáng)， 賀明敏， 黃媚. 川中須家河組牙輪—PDC混合鉆頭鉆井提速實(shí)踐[J]. 鉆采工藝， 2016， 39（6）： 7-10.

[10] 邵增元， 關(guān)勤勤， 劉軼溟. 螺桿馬達(dá)定子襯套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化[J]. 石油工程建設(shè)， 2018， 44（6）： 24-26.

[11] 黃玉文， 張德龍. Ф89mm等壁厚螺桿鉆具實(shí)驗(yàn)分析[J].探礦工程： 巖土鉆掘工程， 2016， 43（11）： 63-66.

[12] 郝榮明， 王鑫， 蘇山林. 等壁厚螺桿鉆具橡膠襯套設(shè)計(jì)分析和試驗(yàn)[J]. 石油礦場(chǎng)機(jī)械， 2013（5）： 74-78.

作者簡(jiǎn)介：

黃乘升（1973—），通信作者，男，江蘇鎮(zhèn)江人，中石化華東石油工程有限公司六普鉆井公司經(jīng)理。研究方向：鉆井工程技術(shù)與管理。

E-mail： 183700731@qq.com

（收稿日期：2020-07-27）