于慧超，楊 靜，陶瑞東，張克正

（中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司，天津300280）

微芯鉆頭在南堡3-82井的應(yīng)用探索

于慧超*，楊 靜，陶瑞東，張克正

（中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司，天津300280）

冀東油田南堡3-82井是部署在南堡3號(hào)構(gòu)造的一口重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)探井，目的層為寒武系地層，該地層地質(zhì)資料少，地層硬度高、可鉆性差，常規(guī)取芯鉆頭機(jī)械鉆速低、取芯工藝復(fù)雜，而常規(guī)PDC鉆頭雖然破巖效果高，但產(chǎn)生的巖屑不利于地質(zhì)錄井的要求，不利于探井對(duì)地質(zhì)資料的要求，鉆頭優(yōu)選較困難。前期鄰井實(shí)鉆數(shù)據(jù)表明，該井段單只鉆頭進(jìn)尺少，機(jī)械鉆速低。微芯鉆頭具有常規(guī)PDC鉆頭機(jī)械鉆速高的特點(diǎn)，同時(shí)產(chǎn)生的微小巖芯又能滿足地質(zhì)取芯的要求，本井通過使用微芯鉆頭，初步達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，為該區(qū)寒武系地層的提速開創(chuàng)了新思路。對(duì)微芯鉆頭的指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比分析，同時(shí)也對(duì)使用中出現(xiàn)的問題進(jìn)行剖析，提出了對(duì)該類型鉆頭的改進(jìn)意見和現(xiàn)場(chǎng)使用注意事項(xiàng)的建議。

微芯技術(shù)；鉆頭；冀東油田；快速鉆井；建議

近年來，石油行業(yè)不斷探索使用新技術(shù)、新工藝、新工具等手段提高鉆井速度，鉆頭優(yōu)選一直是提高機(jī)械鉆速的首選。不僅包括型號(hào)、材質(zhì)、刀翼等方面的優(yōu)選，還包括新理念設(shè)計(jì)出的特殊鉆頭，牙輪PDC相結(jié)合的鉆頭、旋轉(zhuǎn)射流鉆頭、微芯鉆頭等等。

潛山油氣藏埋藏較深,通常超過5000m，冀東油田堡古3-82井設(shè)計(jì)垂深5414m，斜深5929m，完鉆層位寒武系，屬于潛山油氣藏。目前對(duì)該地層地質(zhì)資料了解甚少，因此鉆頭優(yōu)選也是探索性的，而該井選用的微芯鉆頭在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中取得了較好的效果。

1 微芯鉆頭

1.1 工作原理

微芯鉆頭依靠鉆頭中心不切屑保留完整的巖芯[1]。這個(gè)巖芯被鉆頭自己切斷，通過專門設(shè)計(jì)的排屑槽噴射到一邊，然后同其他鉆屑一起被帶到地面。通過這種工藝，就能采集到質(zhì)量非常高的鉆屑，供地面研究。特別在使用PDC鉆頭鉆屑質(zhì)量較差的情況下，適合使用微芯鉆頭（原理見圖1）。

1.2 微芯技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

（1）提高巖屑質(zhì)量。因?yàn)槲⑿編r屑并沒有在鉆頭切削的過程中被剪切破壞，所以很好地保存了原始的巖石結(jié)構(gòu)，巖屑質(zhì)量隨著巖石強(qiáng)度的增強(qiáng)而提高?？梢酝ㄟ^巖屑錄井提高了地層卡層能力及地層的分析評(píng)估(滲透率、孔隙度、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度等等)。

圖1 微芯原理

（2）提高機(jī)械鉆速。由于鉆頭中心部分不被切屑，可明顯提高了鉆進(jìn)速度。對(duì)于固定切屑刃鉆頭，由于切屑刃轉(zhuǎn)速很低，甚至基本上不轉(zhuǎn)動(dòng)，鉆頭中心成為切屑效率最低的區(qū)域之一。去掉中心部分后，鉆頭的鉆進(jìn)效率能提高15%～25%，具體提高程度與鉆頭直徑有關(guān)。

1.3 微芯鉆頭參數(shù)微芯尺寸?15mm×30mm。

2 微芯現(xiàn)場(chǎng)使用情況

2.1 南堡3-82井基本情況

南堡3-82井是一口五開定向井，鉆探目的是預(yù)探南堡3號(hào)構(gòu)造南堡3-82斷塊寒武系毛莊組、府君山組，沙河街組沙一段和東營(yíng)組東三段含油氣情況。設(shè)計(jì)井深5929m，構(gòu)造位置：黃驊坳陷南堡凹陷南堡3號(hào)構(gòu)造南堡3-82斷塊構(gòu)造較高部位[2]。

（1）井身結(jié)構(gòu)見表1。

表1 井身結(jié)構(gòu)表

（2）井身軌跡：0～2010m直井段，2010～2433m造斜段，2433～5929m穩(wěn)斜段，井斜30.82°，方位185.31°。

（3）地質(zhì)分層見表2。

表2 地質(zhì)分層表

2.2 鉆頭使用情況

（1）鉆具組合：?215.9mmPDC×0.29m+430/410× 1.26m+? 209mm穩(wěn)定器×1.54m+411/410浮閥× 0.5m+?165mm無磁×8.95m+?127mm無磁抗壓縮鉆桿×9.19m+?127mm加重×140.44m+?127mm鉆桿×3210.15m+411/520×1.15m+?139.7mm鉆桿。

（2）鉆井液性能見表3。

（3）鉆井參數(shù)：鉆壓20～120kN，轉(zhuǎn)速頂驅(qū)60～70r/min，泵壓21MPa，排量26～27L/s。

（4）鉆頭使用情況：微芯鉆頭MR616在冀東油田南堡3-82井5481.75～5503m井段寒武系地層使用，進(jìn)尺21.25m，純鉆時(shí)間4.89h，機(jī)械鉆速4.35m/h。鉆遇新地層，起鉆進(jìn)行取芯作業(yè)。

第二次入井鉆進(jìn)井段5507～5549.24m，進(jìn)尺42.24m，純鉆時(shí)間34.14h；機(jī)械鉆速僅為1.24m/h，鉆速太慢，起鉆分析原因，發(fā)現(xiàn)噴嘴掉。

3 對(duì)比與分析

3.1 巖屑情況對(duì)比

表3 鉆井液性能

微芯鉆頭在工作的過程中確實(shí)形成了微芯巖柱，未返出微芯，可能是形成后被破壞了，返出的巖屑大小不一，呈不規(guī)則片狀，棱角磨圓。

3.2 機(jī)械鉆速指標(biāo)對(duì)比

在相同區(qū)塊相近井段，使用微芯鉆頭比普通PDC鉆頭相比，提速能達(dá)到15%以上。鉆速對(duì)比見表4。

表4 微芯鉆頭使用分析

4 問題及分析

4.1 存在的問題

該類型鉆頭是首次在該區(qū)塊地層中使用，雖然達(dá)到初步目標(biāo)，但是使用中出現(xiàn)一些問題，為了給廣大技術(shù)工作者更多的了解該類型鉆頭使用情況，特將問題進(jìn)行列舉并分析，望吸取教訓(xùn)。主要問題是第二次下井后鉆速明顯下降，起出后鉆頭泥包，水眼脫落3只，部分復(fù)合片脫落或破損，胎體有燒黑的現(xiàn)象，綜合判斷是非正常損壞。

南堡3-82井使用的?215.9mmMR616新鉆頭入井，純鉆時(shí)間共計(jì)39h，起出外徑?215.9mm，沒有明顯磨損，但鉆頭復(fù)合片存在被非正常損壞現(xiàn)象，新度50%。

該鉆頭在第一次下井的時(shí)候機(jī)械鉆速比較高，本井上一段所用的萊州的PDC機(jī)械鉆速為1.88m/s，MR616鉆頭的機(jī)械鉆速為4.35m/s，提速131%。提速效果很明顯，但是隨后泥包之后機(jī)械鉆速就不能表征鉆頭的正常工作時(shí)的機(jī)械鉆速了。

4.2 原因分析

從整體看該只鉆頭為非正常損壞，依據(jù)如下：

（1）第一次鉆頭出井的時(shí)候，鉆頭完好無損，復(fù)合片基本沒有磨損，噴嘴也正常。但是第二次起出后就出現(xiàn)了鉆頭泥包、胎體燒黑、部分復(fù)合片中度破壞、噴嘴掉落和開裂。從鉆頭的出井特點(diǎn)可以判斷出，鉆頭在井底泥包后又工作了很長(zhǎng)一段時(shí)間才開始掉噴嘴的。如果掉噴嘴過早出現(xiàn)復(fù)合片脫落時(shí)后果會(huì)很嚴(yán)重的。

（2）鉆頭非正常損壞的原因：?泥包后鉆頭在井底長(zhǎng)時(shí)間的切削摩擦，又不能被泥漿及時(shí)的冷卻致使鉆頭溫度過高，胎體和噴嘴的熱膨脹系數(shù)不一致性導(dǎo)致了噴嘴螺紋的松弛，就出現(xiàn)了掉噴嘴（鉆頭體用于裝置噴嘴的螺紋比較完好）。從胎體燒黑的程度上可以斷定，鉆頭的體溫可能超過了正常的井底溫度很多，合金鋼材質(zhì)在150℃接近井底溫度）時(shí)是不會(huì)被燒黑的。

（3）鉆頭泥包的原因是第二次下井后巖性發(fā)生變化，由純度較高的灰?guī)r地層進(jìn)入到泥巖含量高的灰質(zhì)泥巖地層，而泥漿性能沒有隨著巖性變化而適當(dāng)調(diào)整，致使粘切升高，鉆頭泥包，這是該只鉆頭所發(fā)生問題的根本性原因。

5 結(jié)論與建議

（1）該鉆頭適合在寒武系地層中使用，機(jī)械鉆速比常規(guī)PDC鉆頭提高15%以上，巖屑質(zhì)量較好。

（2）為適用寒武系地層鉆井中的鉆頭的使用壽命和提高鉆速的目標(biāo)，建議將鉆頭進(jìn)行完善，雙排齒改為單排齒，將減震齒移至刀翼的肩部。

（3）提高鉆頭的自洗效果，優(yōu)化流道和噴組設(shè)計(jì)，建議廠家將噴嘴改為12.7mm，在排量開的比較低的時(shí)候可以增加鉆頭的比水功率。

（4）使用中要保持泥漿性能的適用性，寒武系地層灰?guī)r與泥巖交錯(cuò)，控制高壓失水，保持適當(dāng)?shù)恼城?，抑制泥巖水化膨脹是關(guān)鍵，防止泥漿被污染，造成鉆頭泥包，致使鉆頭性能下降或非正常損壞。

（5）鉆頭使用數(shù)量較少，其特點(diǎn)及改善后的性能有待驗(yàn)證，建議繼續(xù)在多口井中實(shí)驗(yàn)。

[1]微芯鉆頭說明書[E].

[2]南堡3-82井鉆井工程地質(zhì)設(shè)計(jì)[R].

P634

B

1004-5716(2016)12-0066-03

2016-02-18

2016-02-19

于慧超（1982-），男（漢族），山東威海人，工程師，現(xiàn)從事鉆井技術(shù)管理工作。