非標大水眼高強度鉆桿水力破巖技術(shù)

李雙貴，崔祥，方建波，黎剛，李翔，李少安，劉發(fā)順，矯健

（1.中國石化西北油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊830011；2.中國石化集團江漢石油管理局鉆井二公司，湖北 潛江433123；3.中國石化西北油田分公司塔河采油二廠，新疆 輪臺841600；4.中國石化西北油田分公司生產(chǎn)運行處，新疆 烏魯木齊830011；5.中國石化西北油田分公司勘探項目管理部，新疆 烏魯木齊830011；6.天津德華石油裝備制造有限公司，天津300350）

1 概述

塔里木盆地中、新生界發(fā)育巨厚砂泥巖地層，塔北地區(qū)自上而下主要鉆遇新生界第四系、新近系、古近系，中生界白堊系、侏羅系、三疊系地層，上述地層沉積年代不足3 Ma，壓實程度低，可鉆性較好，為水力輔助破巖提供了客觀條件。強化水力參數(shù)可較好地提高機械鉆速，縮短全井鉆井周期［1-9］。

我國從20世紀60年代初期開始研究噴射鉆井理論，70年代開始在全國各油田大力推廣噴射鉆井技術(shù)，實現(xiàn)了鉆井提速。受地面機泵條件的限制，當前水力破巖的施工泵壓不超過25 MPa［10-13］。近年來，中國石化西北油田分公司在塔河油田分別進行了地面35 MPa 高壓鉆井試驗及井下增壓高壓噴射鉆井試驗，由于工具性能或成本方面的原因未能有效推廣［14-15］。

通過對超深井水力參數(shù)的模擬分析認為，鉆具內(nèi)壓耗的大小直接影響鉆頭水功率的發(fā)揮。例如，某井井深5 865 m，排量33.29 L/s，泵壓24.25 MPa，采用常規(guī)φ127 mm 鉆桿，壓耗分配如下： 鉆桿內(nèi)壓耗21.00 MPa，占86.60%；鉆頭壓耗1.77 MPa，占7.30%；環(huán)空壓耗0.79 MPa，占3.26%［3］。為提高水力破巖效果，優(yōu)化鉆具結(jié)構(gòu)、降低沿程壓耗是對策之一。

2 非標大水眼高強度鉆桿

采用冪律流體模型對鉆井水力壓耗作如下分析［16］：

式中：p 為壓耗，MPa；ρ 為鉆井液密度，g/cm3；L 為鉆具長度，m；Q 為鉆井液排量，L/s。

式中：pb為鉆頭壓耗，MPa；C 為噴嘴流量系數(shù)，無因次；d 為鉆頭噴嘴當量直徑，cm。

根據(jù)研究計算結(jié)果，得出鉆桿接頭壁厚減薄比例與沿程循環(huán)壓耗降低值的關(guān)系（見圖1）。從圖1可以看出，鉆桿接頭壁厚減薄20%后，對降低循環(huán)壓耗的貢獻率較低。

綜合考慮鉆具強度，確定非標鉆桿接頭內(nèi)徑由76.2 mm 優(yōu)化為101.6 mm。為拓展該鉆具的應用空間，將鉆桿接頭外徑由常規(guī)的190.5 mm 縮小至177.8 mm，拓展在φ215.9 mm 井眼的正常應用。優(yōu)化后的鉆桿接頭壁厚38.1 mm，抗拉強度可達到5 500 kN，高于鉆桿本體抗拉強度（見表1）。

為保障超深井的鉆井施工安全，維持鉆桿本體壁厚10.54 mm 不變［17-18］。

圖1 壓耗降低值與鉆桿接頭壁厚減薄比例關(guān)系

為提高鉆具的抗扭強度，在應用較廣泛的φ139.7 mm 常規(guī)鉆桿基礎(chǔ)上研究了雙臺階鉆桿接頭，優(yōu)化的非標鉆桿接頭見圖2。優(yōu)化的大水眼鉆桿和常規(guī)鉆桿的性能對比如表1所示。

根據(jù)水力學方程計算，該鉆具在不影響鉆具整體強度的前提下，壓耗較常規(guī)φ127.0 mm 鉆桿可降低1.17 MPa/km，較常規(guī)φ139.7 mm 鉆桿可降低0.33 MPa/km。

3 現(xiàn)場應用

THXX431 井是中國石化西北油田分公司的一口開發(fā)直井，設(shè)計井深6 030 m，三開三完，設(shè)計鉆井周期80 d，機械鉆速6.87 m/h。

表1 大水眼鉆桿和常規(guī)鉆桿性能對比

圖2 非標大水眼鉆桿接頭示意

該井二開是鉆井提速的重點井段，在1 200～5 937 m 井段試驗了非標大水眼鉆桿降低沿程壓耗、保障鉆頭水力破巖的效果。二開井深5 865 m 鉆具內(nèi)及環(huán)空壓耗計算如表2所示，實鉆水力參數(shù)計算如表3所示，其中排量33.29 L/s，泵壓24.25 MPa。

該鉆具確保了鉆頭水功率的高效輸出，提速提效成果明顯。二開進尺4 748.75 m，實鉆周期32.46 d，實鉆機械鉆速達8.66 m/h，在不增加施工泵壓及柴油消耗的前提下，該鉆具提高了水力破巖效果。實鉆周期較設(shè)計縮短20.54 d，縮短率38.76%；實鉆機械鉆速提高2.63 m/h，提高率43.62%，實現(xiàn)了優(yōu)快鉆井的目標。

表2 二開井深5 865 m 非標大水眼鉆桿壓耗分布

表3 非標大水眼鉆桿與常規(guī)鉆桿水力參數(shù)對比

4 結(jié)論

1）非標大水眼鉆桿通過現(xiàn)場應用檢驗了施工的安全性，每千米可降低1.17 MPa 壓耗，相同機泵條件下可保障鉆頭水功率的高效發(fā)揮。

2）首次應用該鉆具，縮短了鉆井周期，提高了機械鉆速，實現(xiàn)了優(yōu)快鉆井的目的。

3）推廣應用過程中，可在中、新生界地層進一步強化鉆井水力參數(shù)，提高水力破巖效果，針對古生界地層可確保渦輪、長壽命大扭矩螺桿等井下動力鉆具的正常使用，保障超深井鉆進參數(shù)的進一步優(yōu)化。

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