高研磨性硬地層鉆井提速技術(shù)

蘭 凱張金成母亞軍晁文學(xué)

（1. 中國(guó)石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南濮陽(yáng) 457001；2.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；3. 中國(guó)石化中原石油工程有限公司西南鉆井分公司，四川南充 637001）

高研磨性硬地層鉆井提速技術(shù)

蘭 凱1張金成2母亞軍3晁文學(xué)1

（1. 中國(guó)石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南濮陽(yáng) 457001；2.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；3. 中國(guó)石化中原石油工程有限公司西南鉆井分公司，四川南充 637001）

引用格式：蘭凱，張金成，母亞軍，等.高研磨性硬地層鉆井提速技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2015，37（6）：18-22.

川東北陸相自流井組和須家河組地層巖性致密、研磨性強(qiáng)，機(jī)械鉆速低、鉆頭消耗量大，是制約該區(qū)域鉆井提速的關(guān)鍵層段。為實(shí)現(xiàn)提速，各種新型井下工具得到了試驗(yàn)應(yīng)用，但效果參差不齊。通過(guò)計(jì)算分層段巖石可鉆性，推薦自流井組至須家河組采用孕鑲金剛石鉆頭提高破巖效率；為降低硬地層和軟硬交互層段鉆頭失效導(dǎo)致的鉆速低問(wèn)題，開展了三開井段典型鉆具組合扭轉(zhuǎn)和縱向振動(dòng)理論分析，提出東岳廟段以淺地層采用扭力沖擊器配合PDC鉆頭降低黏滑，珍珠沖段含礫巖層段需使用減震工具或改變鉆具組合降低縱振，砂泥巖互層段需推廣使用雙向減震器或水力加壓器降低縱振；采用高速螺桿+孕鑲金剛石鉆頭的復(fù)合鉆進(jìn)，提高自流井組至須家河組大井眼定向速度。5口井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施后，機(jī)械鉆速成倍增加、鉆頭新度提高30%，須家河組?311.2 mm井眼定向速度提高1.32倍。

高研磨性地層；扭轉(zhuǎn)振動(dòng)；縱向振動(dòng)；孕鑲金剛石鉆頭；扭力沖擊器；水力加壓器；動(dòng)力鉆具

川東北地區(qū)陸相自流井組和須家河組地層巖性致密，砂巖石英含量高、且多為硅質(zhì)膠結(jié)，硬度大，研磨性強(qiáng)，地層可鉆性級(jí)值平均在6級(jí)以上，部分層段高于8級(jí)，機(jī)械鉆速低；且該層段含砂礫巖互層和砂泥巖互層，憋跳鉆現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，鉆頭進(jìn)尺短［1-5］。前期的鉆井實(shí)踐表明，在陸相的自流井組、須家河組，機(jī)械鉆速平均0.36～0.75 m/h；其中YYHF-1井90.89 m的井段使用了11只鉆頭，PL1-2井287 m井段使用了10只鉆頭。

為了提高該層段的機(jī)械鉆速，混合鉆頭、扭力沖擊器、渦輪鉆具、旋沖工具、水力加壓器等多種提速工具在工區(qū)得到了大量試驗(yàn)應(yīng)用，有些取得了顯著的提速效果，而有些則不盡如人意。為了更好的發(fā)揮提速工具的使用效果、指明提速的可能途徑，文中從提高鉆頭破巖效率、保證鉆頭運(yùn)行平穩(wěn)性、優(yōu)選大尺寸井眼斜井段動(dòng)力鉆具出發(fā)，探討了提高鉆頭使用壽命和行程鉆速?gòu)亩鴮?shí)現(xiàn)高研磨性地層鉆井提速的機(jī)理，針對(duì)性的優(yōu)選出相適應(yīng)的提速工具，并在川東北地區(qū)多口井應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了鉆井提速提效。

1　硬地層鉆頭優(yōu)選研究

1.1巖石可鉆性分析

采用巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)與測(cè)井資料相結(jié)合的方法對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到元壩地區(qū)陸相地層巖石力學(xué)參數(shù)分布特征，見(jiàn)表1。

表1　元壩地區(qū)陸相地層巖石力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)平均值

表1的計(jì)算結(jié)果表明，隨著埋深的增加，巖石顯著壓實(shí)，抗壓和抗剪強(qiáng)度逐步增加。

在巖心可鉆性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，得到分層段的可鉆性規(guī)律：上沙溪廟組可鉆性較好，可鉆性極值基本在7.0以下；進(jìn)入下沙溪廟組后可鉆性級(jí)值明顯增大，自流井組為砂泥巖互層、可鉆性變化幅值大，須家河組為致密細(xì)砂巖夾粉砂巖和泥巖，可鉆性級(jí)值高，部分層段可鉆性級(jí)值達(dá)到8.5～9.3，鉆井難度明顯增加。圖1為PL1-2H井自流井組和須家河組可鉆性隨井深分布規(guī)律，在3 048 m之前的自流井組幅值跳變嚴(yán)重，且平均值小于后段的須家河組。

圖1　PL1-2H自流井組、須家河組可鉆性分布

1.2鉆頭優(yōu)選

巖石力學(xué)參數(shù)的分析結(jié)果表明，自流井組珍珠沖段到須家河組地層可鉆性差、硬度高、純剪強(qiáng)度大。實(shí)踐表明在該層段內(nèi)采用牙輪鉆頭時(shí)碎斷齒嚴(yán)重、進(jìn)尺少、機(jī)械鉆速低；PDC鉆頭能提高鉆速，但在軟硬交互層段不耐沖擊，易提前失效。為提高機(jī)械鉆速，試驗(yàn)應(yīng)用了孕鑲金剛石鉆頭。

在YB222井自流井組?311.2 mm井眼中，采用孕鑲金剛石鉆頭DD3540-AT共進(jìn)尺369.31 m、平均機(jī)械鉆速1.14 m/h。在YLH-1井須家河組水平段?215.9 mm井眼中，采用1只孕鑲金剛石鉆頭K705共進(jìn)尺1 292 m、平均機(jī)械鉆速2.76 m/h、出井新度90%。

完鉆井統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明［2］，元壩地區(qū)自流井、須家河組平均機(jī)械鉆速為0.81 m/h；相較之下，YB222井自流井組試驗(yàn)井段機(jī)械鉆速提高40.74%，YLH-1井須家河組試驗(yàn)井段機(jī)械鉆速提高2.41倍。

實(shí)踐證明，孕鑲金剛石鉆頭可以有效提高自流井組至須家河組的機(jī)械鉆速。

2　提高鉆頭運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性研究

由于陸相地層軟硬交互頻繁且地層研磨性強(qiáng)，憋跳鉆時(shí)有發(fā)生，鉆頭磨損快、崩齒現(xiàn)象多，既減少了行程進(jìn)尺、增加鉆頭消耗量，也增加了井下復(fù)雜風(fēng)險(xiǎn)。因此，在選擇了合適的破巖鉆頭后，也需要采取相應(yīng)的技術(shù)措施提高鉆頭在軟硬交錯(cuò)地層的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，提高鉆頭壽命，從而實(shí)現(xiàn)提速。

2.1硬地層降低黏滑振動(dòng)技術(shù)

在鉆遇深部硬地層時(shí)，鉆頭和鉆柱系統(tǒng)的周期性黏滑振動(dòng)使得鉆頭產(chǎn)生間歇性破巖過(guò)程，其強(qiáng)大的瞬時(shí)沖擊極易造成鉆頭的損壞。以元壩陸相三開井段的4 000 m典型鉆具組合為例（?215.9 mmPDC×0.22 m+?158.8 mmDC×9.18 m+?158.8 mmDC×173.36 m +?127 mmHWDP×128.19 m+?127 mmDP×1570.64 m+?139.7 mmDP），建立扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模型［6-8］，計(jì)算出鉆柱系統(tǒng)的本征角頻率為2.219 5 Hz，扭轉(zhuǎn)自然振動(dòng)周期為2.830 9 s；不同鉆壓作用下鉆柱系統(tǒng)的黏滑振動(dòng)頻率變化規(guī)律如圖2，不同鉆壓和轉(zhuǎn)速作用下鉆頭的角速度變化規(guī)律如圖3。

圖2　不同鉆壓和轉(zhuǎn)速時(shí)，鉆柱系統(tǒng)的黏滑振動(dòng)頻率

圖3　不同鉆壓和轉(zhuǎn)速時(shí)，鉆頭的旋轉(zhuǎn)角速度

從圖2可以看出，增大鉆壓會(huì)降低黏滑振動(dòng)產(chǎn)生的激振頻率，即增壓越大，黏滑產(chǎn)生的可能性越大；增大轉(zhuǎn)速會(huì)增大黏滑振動(dòng)頻率，即轉(zhuǎn)速越高，黏滑發(fā)生的間隔時(shí)間越短。

從圖3可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，增大鉆壓鉆頭的旋轉(zhuǎn)角速度波動(dòng)顯著增加，黏滑振動(dòng)表現(xiàn)增強(qiáng)，但振動(dòng)間隔時(shí)間延長(zhǎng)；當(dāng)鉆壓一定時(shí)，增大轉(zhuǎn)速會(huì)顯著增加鉆頭的旋轉(zhuǎn)角速度；對(duì)比結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速增加比增加鉆壓引起的黏滑振動(dòng)作用更顯著，總體而言發(fā)生黏滑振動(dòng)時(shí)鉆頭的角速度會(huì)增大至轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的2倍以上，其沖擊作用對(duì)鉆頭的破壞巨大。

黏滑振動(dòng)分析的結(jié)果表明：在鉆井實(shí)踐中，增大轉(zhuǎn)速可避免外激振動(dòng)頻率小于鉆柱固有頻率，降低鉆壓則既可減少鉆柱彎曲、減小鉆柱與井壁摩擦也可降低鉆頭與地層相互作用的破巖阻力，均有利于降低黏滑振動(dòng)；但降低鉆壓雖有利于避免黏滑振動(dòng)，但不利于提速，為實(shí)現(xiàn)鉆井提速提效，以高頻扭轉(zhuǎn)沖擊工具為代表的減振工具得到了試驗(yàn)應(yīng)用［9-10］。

扭力沖擊器是一種將鉆井液的流體能量轉(zhuǎn)換成周向的、高頻的（750～1 500次/min）、均勻穩(wěn)定的沖擊能量直接傳遞給PDC鉆頭［11］。增加該工具后，鉆頭的扭矩分布更平穩(wěn)（如圖4），黏滑振動(dòng)現(xiàn)象得到緩解，既提高了機(jī)械鉆速、又保護(hù)鉆頭提高了行程進(jìn)尺。

圖4　?215.9 mm井眼、140 kN鉆壓、60 rpm轉(zhuǎn)速時(shí)，鉆頭處扭矩對(duì)比

采用PDC鉆頭配合扭力沖擊器［12］，2013年先后在YL17、YL28和YL701井推廣應(yīng)用，平均機(jī)械鉆速達(dá)2.48 m/h，比常規(guī)牙輪鉆井提高2.51倍，比螺桿+PDC復(fù)合鉆井提高1.71倍，同時(shí)將地層適用層段由大安寨段延伸至東岳廟段甚至須家河組。

2.2軟硬交互地層降低縱向振動(dòng)技術(shù)

常規(guī)鉆井中鉆壓需由鉆頭上部的鉆鋌重量提供，但這種剛性加壓方式極易造成跳鉆、假鉆壓、鉆具彎曲等問(wèn)題，在鉆遇軟硬互層段時(shí)，由于巖性的變化，使得鉆頭縱向振動(dòng)增加，更加劇了憋跳鉆等現(xiàn)象，嚴(yán)重危及井下工具的壽命，制約機(jī)械鉆速的提高。

基于鉆柱縱向振動(dòng)數(shù)學(xué)微分方程［6，13，14］，以YL28井三開井段4 200 m處鉆遇自流井組珍珠沖段含礫巖層的鉆具組合為例，采用激勵(lì)位移法分析鉆柱的縱向振動(dòng)情況。計(jì)算參數(shù)：?215.9 mm三牙輪鉆頭+430×4A10浮閥×0.61 m+?158.8 mm鉆鋌×191.87 m+4A11×410接頭×0.5 m+?127 mm加重鉆桿×119.05 m+旁通閥×0.45 m+?127 mm鉆桿×1 570.64 m +411×520接頭×0.49 m+?139.7 mm鉆桿，鉆井液黏度0.03 Pa·s，鉆頭激勵(lì)位移0.01 m。得到鉆頭受力波動(dòng)幅值隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律如圖5。

圖5　YL28井4 200 m處鉆頭受力波動(dòng)幅值與轉(zhuǎn)速關(guān)系

從圖5中可以看出，不采用任何減震措施時(shí)，在珍珠沖組高研磨性含礫巖地層鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭受力波動(dòng)幅值較大，三牙輪鉆頭的軸承壽命難以保證。在YL28井實(shí)鉆中轉(zhuǎn)速60～65 r/min，采用全新的HJT617GK型牙輪鉆頭入井，進(jìn)尺21.77 m、機(jī)械鉆速僅為0.60 m/h，起出后牙輪磨損嚴(yán)重，曠動(dòng)嚴(yán)重，牙輪上切削齒全部磨光脫落，保徑齒全部磨光，綜合新度60%。

為降低鉆柱縱向振動(dòng)的影響，后期通過(guò)優(yōu)選牙輪鉆頭、改變鉆柱結(jié)構(gòu)參數(shù)、使用柔性阻尼器等減震工具，自流井組珍珠沖段機(jī)械鉆速提高到0.85 m/h。

同樣，在二開沙溪廟組砂泥巖互層段，推廣使用雙向減震器和水力加壓器，降低鉆柱縱向振動(dòng)危害，圖6為模擬YL32井在3 200 m處鉆頭受力波動(dòng)幅值及減震工具加裝位置的研究結(jié)果。配合常規(guī)鉆井液鉆井方式，YL32井在3 220.5～3 483.7 m砂泥巖互層段內(nèi)采用水力加壓器，鉆壓120～140 kN、轉(zhuǎn)速65 r/min，平均機(jī)械鉆速1.48 m/h，鉆頭出井后新度60%、磨損均勻；YL28井在3 406.34～3 432.15 m采用水力加壓器、3 432.15 ～3 584.20 m采用減震器，平均機(jī)械鉆速2.21 m/h。配合氣體鉆井工藝，采用鉆頭后接減震器的組合方式，在YL28井實(shí)現(xiàn)了單只PDC鉆頭進(jìn)尺1 663.52 m、平均機(jī)械鉆速22.76 m/h、鉆頭外徑磨損1 mm、鉆頭出井后綜合新度大于90%。

圖6　YL32井3 200 m處鉆頭受力波動(dòng)幅值與轉(zhuǎn)速關(guān)系

3　動(dòng)力鉆具優(yōu)化研究

川東北地區(qū)部署的陸相水平井，定向施工段主要在須家河組，增斜段井眼直徑311.2 mm、水平段井眼直徑215.9 mm，地層壓力系數(shù)高達(dá)1.85。采用常規(guī)螺桿鉆具時(shí)，地層研磨性強(qiáng)鉆頭失效快，工具面難控制、大井眼定向效率低，煤層、炭質(zhì)泥巖段井壁穩(wěn)定性差，但采用油基鉆井液時(shí)影響螺桿鉆具的使用壽命。表2為YLH-1井采用常規(guī)螺桿鉆具增斜鉆進(jìn)的效果。因此，需要優(yōu)選合適的動(dòng)力鉆具配合孕鑲金剛石鉆頭，實(shí)現(xiàn)高研磨性致密地層大尺寸斜井段的科學(xué)提速。

表2　YLH-1井定向增斜段常規(guī)螺桿鉆具鉆井效果

3.1導(dǎo)向渦輪+孕鑲金剛石鉆井技術(shù)

與常規(guī)螺桿鉆具相比，渦輪鉆具轉(zhuǎn)速高、扭矩大、無(wú)橫向振動(dòng)的特點(diǎn)，與孕鑲金剛石鉆頭的工作需要相吻合，同時(shí)采用全金屬部件，消除了橡膠件不耐溫、油基鉆井液體系中加速老化的問(wèn)題。?168.28 mm Neyrfor1.25°渦輪鉆具先后在YLH-1和PL1-2H井應(yīng)用，效果見(jiàn)表3。YLH-1井平均機(jī)械鉆速1.73 m/h，較常規(guī)螺桿鉆具提高1.11倍。PL1-2H井平均機(jī)械鉆速1.27 m/h，較常規(guī)螺桿鉆具提高0.98倍。

3.2高速螺桿+孕鑲金剛石鉆井技術(shù)

高速渦輪雖然能提供高轉(zhuǎn)速，但施工泵壓高，同時(shí)高轉(zhuǎn)速條件下鉆頭在油基鉆井液中冷卻效果差，易導(dǎo)致鉆頭提前失效。為此在PL1-2H井在三開?215.9 mm水平井段試驗(yàn)應(yīng)用0.75°單彎雙扶高速螺桿。表4為應(yīng)用效果對(duì)比，可以看出，與渦輪相比機(jī)械鉆速相對(duì)較低；與常規(guī)復(fù)合鉆進(jìn)相比，機(jī)械鉆速大幅度提升；同時(shí)，起下鉆減少，時(shí)效提高，對(duì)鉆井設(shè)備的要求低。因此，高速螺桿+孕鑲金剛石鉆頭的復(fù)合鉆進(jìn)對(duì)于川東北陸相水平井提速提效具有更大的現(xiàn)實(shí)意義。

表3　導(dǎo)向渦輪+孕鑲金剛石鉆井技術(shù)應(yīng)用效果

4　結(jié)論

（1）孕鑲金剛石鉆頭可以有效提高自流井組至須家河組的機(jī)械鉆速。

表4　等壁厚螺桿/高速螺桿+孕鑲金剛石鉆井技術(shù)應(yīng)用效果

（2）在自流井組東岳廟段以淺的地層，采用扭力沖擊器配合PDC鉆頭，可以降低硬地層的黏滑振動(dòng)，增加鉆頭的有效進(jìn)尺，實(shí)現(xiàn)機(jī)械鉆速的成倍提高。

（3）自流井組珍珠沖段含礫巖層段縱向振動(dòng)對(duì)鉆頭的沖擊磨損嚴(yán)重，可以通過(guò)優(yōu)選牙輪鉆頭、改變鉆柱結(jié)構(gòu)參數(shù)、使用柔性阻尼器等減震工具，使機(jī)械鉆速提高到0.85 m/h以上，同時(shí)減少鉆頭使用數(shù)量。

（4）在砂泥巖互層段跳鉆比較嚴(yán)重時(shí)，可以推廣使用雙向減震器和水力加壓器，降低鉆柱縱向振動(dòng)危害。

（5）在自流井組至須家河組實(shí)施大井眼定向鉆井時(shí)，可以采用高速螺桿+孕鑲金剛石鉆頭的復(fù)合鉆進(jìn)實(shí)現(xiàn)提速提效。

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（修改稿收到日期 2015-10-25）

〔編輯 薛改珍〕

Technology for increasing drilling speed in high abrasive hard formation

LAN Kai1，ZHANG Jincheng2，MU Yajun3，CHAO Wenxue1
（1. Drilling Engineering and Technology Research Institute，Zhongyuan Petroleum Engineering Co. Ltd，SINOPEC，Puyang 457001，China；2. Research Institute of Petroleum Engineering，SINOPEC，Beijing 100101，China；3. Southwest Drilling Company Zhongyuan Petroleum Engineering Co. Ltd，SINOPEC，Nanchong 637001，China）

The formation in Ziliujin Group and Xujiahe Group in northeast of Sichuan has compact and highly abrasive rock，can lead to low mechanical drilling speed and high consumption of drill bit，so that it is the key formation which restrict the increase of drilling speed in this area. In order to increase the drilling speed，various new-type downhole tools have been applied，but the effect varies from one to another. Through calculation of rock drillabillity in rock stratum separation section，it is recommended to adopt the impregnated diamond drill bit in the areas from Ziliujin Group to Xujiahe Group，so as to improve the rock-breaking efficiency. In order to reduce the low drilling speed problem caused by failure of drill bit in hard formation and soft-hard alternating formation，the theoretical analysis on torsion and longitudinal vibration of typical drilling tool combination in Three Section has been carried out，so as to advise that，the torsional impacter should be used to help the PDC drill bit to reduce sliding effect in the formation above Dongyuemiao Section，the shock absorbing tool should be used or the drilling tool combination should be changed to reduce the longitudinal vibration in conglomerate-bearing formation in Zhenzhuchong Section，and the double-acting shock absorber or hydraulic thruster should be used to reduce the longitudinal vibration in sand slime formation. The combined drilling technology based on high-speed screw + impregnated diamond drill bit should be used to increase the orientation speed of large wellbore in areas from Ziliujin Group to Xujiahe Group. After the implementation of such technologies in 5 wells，the mechanical drilling speed has been doubled，the new degree of drill bit has been improved by 30%，and the orientation speed of ?311.2 mm wellbore in Xujiahe Group has been increased by 1.32 times.

high abrasive formation； torsional vibration； longitudinal vibration； impregnated diamond drill bit； torsional impacter；hydraulic thruster； dynamical drilling tools

TE21

A

1000-7393（ 2015 ） 06-0018-05 doi:10.13639/j.odpt.2015.06.005

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“高含硫氣藏超深水平井鉆完井技術(shù)”（編號(hào)：2011ZX05017-002）的部分內(nèi)容。

蘭凱，1982年生。2008年獲中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）博士學(xué)位，2011年從西南石油大學(xué)博士后流動(dòng)站出站，主要從事復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆完井技術(shù)研究，博士，高級(jí)工程師。E-mail：lank.oszy@sinopec.com。