邢宗濤

（大慶鉆探工程公司鉆井一公司，黑龍江大慶163000）

1 概述

松遼盆地北部LT 區(qū)塊深層氣藏儲(chǔ)層其特點(diǎn)為埋藏深、地溫梯度高、儲(chǔ)層致密、巖性硬度高、耐磨性強(qiáng)，其基底地層硬度在3500～5000MPa 之間，可鉆性級(jí)值8～9級(jí)，5500m深井井底溫度可達(dá)到220℃～230℃。目前，基底層位鉆井過(guò)程中還存在鉆頭斷齒、縮徑、掉牙輪、取芯進(jìn)尺慢、井下復(fù)雜多，目前大慶探區(qū)每年約10～20口深層井其井下工具不能完全滿足施工進(jìn)度要求，直接影響到油田的勘探鉆井效益。表現(xiàn)為機(jī)械鉆速慢、鉆井周期長(zhǎng)、鉆井費(fèi)用高等幾方面。要解決上述問(wèn)題，必須進(jìn)一步加強(qiáng)LT區(qū)塊基底層位鉆井技術(shù)科研攻關(guān)。

2 基巖地層巖性對(duì)鉆速影響分析

鉆頭選型最主要是要掌握巖性及巖石可鉆性，按照巖石力學(xué)對(duì)巖石軟硬程度的劃分，對(duì)應(yīng)不同巖性的鉆頭也用相應(yīng)的軟硬程度予以標(biāo)志，然后根據(jù)這個(gè)標(biāo)志配備軟硬程度與之相對(duì)應(yīng)的鉆頭。

通過(guò)對(duì)徐家圍子基底巖芯多級(jí)三軸應(yīng)力測(cè)試及成分含量分析，可以得出：

（1）巖石抗壓強(qiáng)度高、石英及斜長(zhǎng)石含量高，導(dǎo)致對(duì)PDC鉆頭的耐磨性要求很高，鉆頭選型上需要提高復(fù)合片的耐磨性；

（2）由于巖石成分多樣化，地層非均質(zhì)性高，這將導(dǎo)致鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中沿切削方向受到高頻沖擊，鉆頭的粘滑效應(yīng)非常強(qiáng)，因此要提高PDC鉆頭切削齒的抗沖擊性。

3 引進(jìn)鉆頭應(yīng)用及鉆井參數(shù)優(yōu)化

3.1 鉆頭選用

（1）引進(jìn)非平面齒PDC 鉆頭（圖1）。首次引進(jìn)了休斯敦非平面復(fù)合片MV616TIXU PDC 鉆頭，采用6刀翼雙排齒結(jié)構(gòu)，復(fù)合片采用16mm多棱形非平面齒，噴嘴尺寸9.5mm×6。

圖1 休斯敦非平面復(fù)合片PDC鉆頭

針對(duì)基底層位非均質(zhì)性和高研磨性兼具的特點(diǎn)，選用新型非平面齒PDC鉆頭，該鉆頭具有以下特點(diǎn)：

①針對(duì)地層非均質(zhì)性特征，設(shè)計(jì)采用了六刀翼設(shè)計(jì)，保證在取得較高機(jī)械鉆速的同時(shí)保證較高的進(jìn)尺。

②針對(duì)地層高耐磨性的特點(diǎn)，采用雙排齒設(shè)計(jì)提高鉆頭的整體壽命。

③設(shè)計(jì)了新型非平面PDC 復(fù)合片，將傳統(tǒng)切削齒“面—面”接觸的切削方式改進(jìn)為“線—面”接觸的切削方式（圖2），提高了切削齒對(duì)巖石的切削力，提高鉆頭的破巖效率。新型復(fù)合片具有單晶體超高壓復(fù)合結(jié)構(gòu)，環(huán)狀脫鈷深度大于300μm，可大幅提高PDC齒耐磨性和抗沖擊性。

圖2 “線—面”接觸切削方式

④針對(duì)營(yíng)城組地層特性，采用后傾角較小的布齒設(shè)計(jì)，后傾角10°～18°，使切削齒更容易吃入地層，提高鉆頭破巖效率。

⑤根據(jù)大慶油田地層特點(diǎn)和提速工具工作特性，綜合考慮配合提速工具使用時(shí)鉆頭的穩(wěn)定性和鉆頭載荷是否分布均勻，最終確定六刀翼結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)了較強(qiáng)攻擊性的淺內(nèi)錐角，短圓弧結(jié)構(gòu)冠部曲線，使PDC 復(fù)合片載荷分布更均勻，有助于提高鉆頭的機(jī)械鉆速。

（2）復(fù)合鉆頭。復(fù)合鉆頭的結(jié)構(gòu)包含PDC 部分和牙輪部分，在鉆進(jìn)時(shí)，具有機(jī)械鉆速快、PDC 崩齒少和壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。在鉆進(jìn)過(guò)程中，改變了以往常規(guī)牙輪或者PDC的單一破巖機(jī)理，而是將兩者進(jìn)行了整合應(yīng)用（圖3），即先用牙輪齒的沖擊壓入作用對(duì)井底巖石進(jìn)行撞擊預(yù)破碎，降低了PDC 切削齒的切削載荷，然后用PDC齒的剪切作用進(jìn)行刮削，兩者共同破碎鼻部和肩部的巖石，從而大幅度提高了機(jī)械鉆速和延長(zhǎng)了鉆頭使用壽命，選用江鉆KPM1642ART四刀翼兩牙輪復(fù)合鉆頭，噴嘴尺寸9.5mm×6，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

圖3 復(fù)合鉆頭破巖機(jī)理示意圖

（3）引進(jìn)牙輪鉆頭。選用貝殼休斯牙輪VMDS55系列牙輪鉆頭，噴嘴尺寸14mm×3。

鉆頭特點(diǎn)：采用浮動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)，浮動(dòng)元件有高強(qiáng)度、高彈性、高耐溫性、高耐磨性特點(diǎn)的新材料制成，選用高精度金屬密封，對(duì)較大鉆壓和較高轉(zhuǎn)速有良好的適應(yīng)性。優(yōu)化切削結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)選合金齒材，采用防殼體磨損的副齒布齒技術(shù)，形成雙井底擊碎線切削結(jié)構(gòu)，同時(shí)主切削齒為低應(yīng)力橢凸楔型齒。合理匹配鉆頭外排和背錐設(shè)計(jì)，有針對(duì)性地使用金剛石復(fù)合齒，全掌背保徑。

3.2 鉆井參數(shù)優(yōu)化

結(jié)合實(shí)鉆地層，針對(duì)各鉆頭工作特點(diǎn)，使用計(jì)算軟件設(shè)計(jì)了與之相匹配的鉆井參數(shù)（見(jiàn)表1），取得了明顯的提速效果。

表1 鉆進(jìn)參數(shù)設(shè)計(jì)表

4 鉆井提速配套技術(shù)

4.1 鉆具組合

在基底層位巖石硬度高，需要較大鉆壓，而光鉆鋌鉆具組合可以在較大鉆壓下控制井斜，故在提速井段選用光鉆鋌鉆具組合配合動(dòng)力鉆具進(jìn)行提速鉆進(jìn)，其鉆具組合如下：

? 215.90mmBIT × 0.27m + ? 172.00mmLZ ×8.25m+ ?167.00mm 浮閥×0.60m+（斜井段增加? 167.00mmDXJT × 0.88m + ? 178.00mmMWD ×8.33m+）?159.00mmDC×110.78m+?127.00mmDP。

4.2 鉆井液性能指標(biāo)及維護(hù)

依據(jù)鉆井工程設(shè)計(jì)，結(jié)合實(shí)際鉆井施工情況，將鉆井液性能控制在較好的范圍內(nèi)，詳情見(jiàn)表2。

日常維護(hù)主要做了以下兩點(diǎn)：

表2 鉆井液性能指標(biāo)范圍

（1）每天按照少量多次的原則及時(shí)將配置好的藥液補(bǔ)充到循環(huán)罐中，減少鉆井液性能波動(dòng)幅度。

（2）處理鉆井液時(shí)，將處理劑的量加至設(shè)計(jì)上限，以防塌、防卡、降低失水及保護(hù)產(chǎn)層為主。

4.3 鉆頭應(yīng)用情況

（1）動(dòng)力鉆具配合非平面齒PDC 鉆頭應(yīng)用。在LT1井、LT2井、LT3井等三口井基底層位與螺桿鉆具組合進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用（詳情見(jiàn)表3）。

表3 PDC鉆頭使用情況

LT1井、LT2井和LT3井的周圍鄰井均為10余年前施工，完鉆時(shí)均未達(dá)到基底，因此無(wú)法進(jìn)行指標(biāo)對(duì)比。查詢2010 年至今目標(biāo)層位為基底的井，已查到的有三口，分別為 F18 井、F19 井和 XT1 井（F18 井、F19井位于依—舒地塹方正斷陷北部凹陷區(qū)塊，與LT1井、LT2井地層差異較大，因此選用2014年施工的XT1井做對(duì)比）。

通過(guò)對(duì)比分析可以得出，非平面齒鉆頭在基底層位可以應(yīng)用，在巖性為礫巖井段時(shí)提速效果顯著，而在花崗巖和糜棱巖井段時(shí)進(jìn)尺相當(dāng)于一只牙輪，機(jī)械鉆速略有提高，提速效果不明顯。 改進(jìn)后的MV813TIFUX 相比改進(jìn)前的MD613TIXU 在進(jìn)尺和機(jī)械鉆速上均有大幅度提高。

（2）復(fù)合鉆頭應(yīng)用。在LT2 井基底層位花崗巖井段應(yīng)用KPM1642ART復(fù)合鉆頭進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),其應(yīng)用情況和對(duì)比情況見(jiàn)表4。

通過(guò)對(duì)比分析可以得出，復(fù)合鉆頭在基底層位花崗巖井段應(yīng)用，進(jìn)尺基本持平，但機(jī)械鉆速提高顯著。

（3）貝克休斯牙輪應(yīng)用。在LT3 井基底層位糜棱巖井段應(yīng)用貝克休斯VM-DS55DXI 牙輪進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，其應(yīng)用和對(duì)比情況見(jiàn)表4。

對(duì)比分析可以看出，貝克休斯VM-DS55DXI牙輪在基底層位糜棱巖井段應(yīng)用效果較好，單只鉆頭進(jìn)尺和機(jī)械鉆速均有大幅度提高。

（4）總體應(yīng)用效果（見(jiàn)表4）。通過(guò)表中對(duì)比可以看出，非平面齒PDC 鉆頭、復(fù)合鉆頭和貝克休斯牙輪鉆頭等施工井段平均機(jī)械鉆速同比牙輪均大幅度提高，三種型號(hào)鉆頭累計(jì)施工進(jìn)尺1453.28m，平均機(jī)械鉆速同比國(guó)產(chǎn)牙輪平均機(jī)械鉆速提高69.23%，達(dá)到提速施工效果。

表4 鉆頭應(yīng)用效果統(tǒng)計(jì)表

5 取芯提效技術(shù)

5.1 取芯鉆頭改進(jìn)（圖4）

圖4 SC279取芯鉆頭

新型取芯鉆頭SC279在原有的基礎(chǔ)上做了一下幾點(diǎn)優(yōu)化改進(jìn)：

（1）增加了孕鑲金剛石顆粒分布密度，加大了鉆頭的抗研磨性，提高鉆頭使用壽命；

（2）增高鉆頭底部水槽深度，加大了過(guò)流面積，在同等泵壓條件下提高了鉆井液的流量，有利于井筒凈化。

5.2 取芯工具優(yōu)選

選用Q84-Ⅰ型防盜扣保護(hù)取芯筒工具（圖5）。

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和適應(yīng)范圍：采用懸掛總成、強(qiáng)制潤(rùn)滑與頂部巖芯保護(hù)的設(shè)計(jì)方式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作可靠、拆卸組裝方便、單筒進(jìn)尺長(zhǎng)、整機(jī)連續(xù)工作壽命長(zhǎng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。配合適當(dāng)?shù)你@頭，可應(yīng)用于硬地層、軟硬交替變化的沉積巖地層、各類破碎地層等復(fù)雜地層。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)可用于轉(zhuǎn)盤或頂驅(qū)等動(dòng)力模式?？膳浜辖饎偸@頭、PDC鉆頭等多種鉆頭形式。

圖5 Q84-Ⅰ型防盜扣保護(hù)取芯筒

5.3 取芯鉆具組合及取芯鉆進(jìn)參數(shù)匹配（表5）

5.4 取芯技術(shù)措施

（1）井眼要求。起下鉆遇阻、遇卡井段必須劃眼處理正常。井底如有金屬等落物必須處理干凈。

（2）下鉆要求。下鉆嚴(yán)格控制速度，做到操作平穩(wěn)、不猛剎、不猛放、不猛頓。井斜較大及井徑縮小處必須慢下，下鉆過(guò)程中遇阻顯示不超過(guò)50kN。若有遇阻顯示要建立循環(huán)，緩慢下放，嚴(yán)禁使用取芯鉆頭長(zhǎng)時(shí)間劃眼。

表5 取芯鉆具組合及取芯參數(shù)設(shè)計(jì)

（3）鉆進(jìn)要求。

①各種儀表達(dá)到靈活好用，儀表不靈不能鉆進(jìn)。

②鉆井液性能達(dá)到要求后投球，待鋼球到底泵壓穩(wěn)定后再開(kāi)始鉆進(jìn)。

③樹(shù)芯時(shí)，鉆頭提離井底0.2m 啟動(dòng)轉(zhuǎn)盤，慢放輕壓，鉆壓控制5～10kN，轉(zhuǎn)數(shù)30～40r/min，造好和尚頭，以免巖屑碎塊進(jìn)入內(nèi)筒，造成磨芯堵芯。

（4）割芯要求。

①取芯鉆進(jìn)最后0.3～0.5m，鉆壓要比正常時(shí)增加1/4～1/3鉆進(jìn)，使巖芯變粗，利于巖芯爪把巖芯抓住。

②割芯時(shí)上提拉力，不超過(guò)原懸重150kN，割芯后在進(jìn)尺范圍內(nèi)，控制上提速度。不準(zhǔn)探芯。

通過(guò)技術(shù)措施的嚴(yán)格執(zhí)行，雖然巖芯碎裂較嚴(yán)重，但依然保證了取芯質(zhì)量，由于在基底層位取芯尚屬首次，沒(méi)有以前該層位取芯數(shù)據(jù)可參考對(duì)比，故選用在營(yíng)城組及沙河子組取芯累計(jì)10 口井次平均機(jī)械鉆速0.38m/h作為對(duì)比參考，取芯鉆速提高2.6%，三口井累計(jì)取芯進(jìn)尺48.66m，芯長(zhǎng)48.31m，收獲率99.28%，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

6 結(jié)論

（1）選用非平面齒PDC 鉆頭、復(fù)合鉆頭和貝克休斯牙輪鉆頭等三種鉆頭在LT 區(qū)塊基底層位能夠滿足提速要求，形成了一套適用于LT區(qū)塊基巖井段鉆井提速鉆頭序列，即休斯頓非平面齒PDC 鉆頭MD616TIXU PDC（ 變 質(zhì) 礫 巖 ）+ 復(fù) 合 鉆 頭KPM1642ART 或貝克休斯牙輪鉆頭VM-DS55DXI（糜棱巖）。

（2）在基底層位應(yīng)用改進(jìn)后的孕鑲金剛石取芯鉆頭SC279 配合Q84-Ⅰ防盜扣取芯筒能夠滿足在基底層位取芯提速提效需求。