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粒抗研磨和耐溫能力無法滿足渦輪鉆進(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、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?？箾_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，更長時(shí)間保持自身形狀，從而長時(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

渦輪鉆具配合孕鑲金剛石鉆頭在大慶深層登三段～營城組～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．