提高小井眼機械鉆速技術(shù)研究

【摘要】小井眼鉆井技術(shù)可用于新探區(qū)及邊遠地區(qū)和復(fù)雜油氣區(qū)的第一口探井，以減少空井風(fēng)險損失。本文從鉆頭機械破巖和水力破碎、小井眼用鉆頭的狀況、配套鉆井工具、以及壓差形成的壓持效應(yīng)等方面分析了造成小井眼機械鉆速低的原因?？偨Y(jié)和提出了提高小井眼機械鉆速的途徑和研究方法。

【關(guān)鍵詞】小井眼；經(jīng)濟效益；機械鉆速；提高鉆速

1、小井眼機械鉆速低的原因分析

1.1 鉆柱的失效

鉆柱的失效。由于小井眼鉆桿重量的減輕使得鉆柱的機械性能比常規(guī)的要差。此外，由于鉆頭直徑的減小，就需要更高的轉(zhuǎn)速以維持牙輪的線速度，高的鉆頭速度可能會引起可靠性的問題。小井眼鉆井的另一個問題是工具接頭失敗。井涌監(jiān)測對小井眼鉆井也是一個較困難的事情。因為侵入井筒小井眼環(huán)形空間的油層氣比常規(guī)井中充滿高得多，這導(dǎo)致在套管達到最大的允許壓力，并比在常規(guī)井更快地接近這個壓力。因此，有必要進行早期井涌監(jiān)測，以保證安全井控。

1.2 破巖效率低。

對旋轉(zhuǎn)鉆井來說，機械能量主要以在鉆頭上所加鉆壓和鉆頭轉(zhuǎn)速二項指標(biāo)的乘積來衡量。高壓噴射鉆井技術(shù)的廣泛應(yīng)用，在鉆頭進尺和機械鉆速方面取得了優(yōu)異的指標(biāo)，也為快速鉆井開辟了廣闊的前景，噴射鉆井技術(shù)要求鉆井泥漿通過噴嘴的噴速不能小于80米/秒，而目前針對小井眼鉆井方面，這個要求顯得十分苛刻，主要原因是小井眼的循環(huán)壓耗遠遠高于鉆頭壓降。另外在鉆井技術(shù)上針對小井眼環(huán)空水力學(xué)以及管內(nèi)水力學(xué)的認識還存在較大的分歧。

1.3 小井眼鉆具可選性小

常規(guī)井眼用的鉆桿和鉆鋌的剛度比小井眼大的多。 經(jīng)過多年研究，常規(guī)井眼提高鉆井速度的鉆井工藝、鉆井工具及預(yù)防、處理常規(guī)井眼鉆井事故的工具等都有了突破性進展，但針對小井眼的實際情況，對如何進一步提高機械鉆速所需的獨特鉆井工藝、工具以及鉆井事故的處理等方面研究不夠。

1.4 鉆井液性能不全

環(huán)空間隙小有利于井眼的穩(wěn)定，但需要使用相當(dāng)高的當(dāng)量鉆井液密度來保證。而使用固相含量較高的鉆井液時，易產(chǎn)生環(huán)空抽吸和壓差卡鉆等問題。同時小環(huán)空要求泥漿有更好的潤滑性能，以減少環(huán)空壓耗。在鉆井過程中，井底的凈化程度對鉆頭的工作指標(biāo)有著十分重要的影響，最理想的情況是井底巖屑及時得到清除，鉆頭工作刃始終和新露出的巖層接觸，保持高效率的破碎以得到較高的機械鉆速。

2、提高小井眼鉆井機械鉆速的一些方法

2.1 合理選用鉆頭。

鉆頭的使用效果首先取決于鉆頭類型選擇得是否合理，就目前技術(shù)而言，鉆頭選型合理與否主要看地層與鉆頭是否相互匹配。在鉆頭選型時，通常根據(jù)所鉆地層巖性，選配軟硬程度與之相對應(yīng)的鉆頭，這是目前現(xiàn)場普遍采用的定性鉆頭選型方法。其缺點是當(dāng)對應(yīng)地層的鉆頭類型較多或地層巖性未知時，就很難確定合適的鉆頭類型。

合理選用鉆頭的原則：對上部可鉆性較好的地層，主要以提高機械鉆速為目的。在深井段選用進尺較多的鉆頭。深井段鉆進主要考慮鉆頭的進尺和鉆頭與所鉆地層的匹配性。對研磨性強、堅硬的地層，選用保徑加強、圓錐形和球形齒鉆頭、針對特殊的地層巖性定制鉆頭。

2.2 使用雙心PDC鉆頭。

全尺寸PDC鉆頭不但有較好的韌性和耐磨性。還可以根據(jù)不同地層特點，設(shè)計切削齒形狀、尺寸、后傾角和布齒方案，提高鉆頭攻擊能力。

2.3 使用單牙輪鉆頭。

單牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)、破巖機理獨特，在牙輪繞牙輪軸相對轉(zhuǎn)動對井底巖石產(chǎn)生沖擊和壓入作用的同時，牙輪表面相對于井底還有很大的滑移運動，而且這種滑移運動在牙輪表面的各個部位上都不相同，使牙輪上每一顆牙齒在井底表面沿不同的軌跡滑移，對地層產(chǎn)生切削作用，形成具有網(wǎng)狀切削軌跡的井底模式，這種獨特的切削方式，提高了破巖效率，尤其特別有利于破碎因井下高圍壓和高鉆井液柱壓力產(chǎn)生脆/塑性轉(zhuǎn)化的巖石。

2.4 井下動力鉆具配合高效鉆頭

井下動力鉆具不僅可改善鉆柱受力狀況，減少鉆柱和套管的磨損和破壞等，還可提高鉆速。

2.4.1 使用螺桿鉆具。螺桿鉆具的優(yōu)點是：具有低速大扭矩的硬特性；過載能力強、操作方便、結(jié)構(gòu)簡單、鉆具較短，維修方便。螺桿鉆具能做成小尺寸鉆具（鉆具直徑僅38mm），適用于小井徑鉆井。

2.4.2 采用大功率串聯(lián)馬達和加長馬達。串聯(lián)馬達是指用一桿式連接總成串聯(lián)兩個常規(guī)馬達動力段所形成的馬達，其輸出功率和扭矩比常規(guī)馬達高50%；加長馬達是指含1.5個常規(guī)馬達動力段的馬達，其輸出功率和扭矩比常規(guī)馬達高25% 。這一成果也被成功運用到小井眼水平井中。

2.5 應(yīng)用水力加壓器

水力加壓器是利用液壓原理給井底鉆頭施加恒定的設(shè)計鉆壓、推動鉆頭鉆進的一種新型井下工具。當(dāng)鉆井液由于鉆具內(nèi)流經(jīng)工具的各級液缸又從鉆頭噴嘴流出后，因噴嘴的節(jié)流和阻尼作用，在缸筒內(nèi)形成高壓區(qū)，缸筒與環(huán)空間的壓力差對水力加壓器的伸縮部分形成推力，給鉆頭加壓，同時產(chǎn)生一個向上的反作用力使懸重減少。

2.6 改善鉆井液潤滑性減少環(huán)空壓耗

在常規(guī)井眼中，泵輸出功率的90%消耗在鉆頭水眼及鉆桿水眼內(nèi)，環(huán)空壓耗僅占10%左右。如果鉆頭按最大水馬力或最大沖擊力工作方式考慮，鉆頭水眼占67%或50%，鉆柱內(nèi)壓耗占23%或40%，所以鉆柱內(nèi)壓耗是環(huán)空壓耗的 2～4倍。而在小井眼中，水功率的分配關(guān)系發(fā)生了很大變化，一般環(huán)空壓耗要占總壓力損失的75%以上。

總之，導(dǎo)致小井眼機械鉆速低的因素是多方面的，因此要提高小井眼機械鉆速就需要認真研究其中的每一個因素，做到針對性的解決問題，同時兼顧其它。微觀上我們要做到認清鉆速低原因的本質(zhì)原因，宏觀上我們要學(xué)會總結(jié)分析，運用個學(xué)科各領(lǐng)域的先進科學(xué)和技術(shù)工藝更好的為小井眼鉆井服務(wù)，更好的為提高小井眼鉆井速度服務(wù)。

3、結(jié)論及建議

應(yīng)用水力加壓器可以改善小井眼鉆頭鉆壓低的問題，尤其是在小井眼側(cè)鉆井、水平井的鉆井過程中。 井下動力鉆具配合高效鉆頭可以提高小井眼鉆井速度，并且很好的減輕了鉆具與井筒相互作用，減少了井下復(fù)雜事故的發(fā)生。認真學(xué)習(xí)和實踐國內(nèi)外小井眼鉆頭的高效應(yīng)用實例，總結(jié)學(xué)習(xí)鉆頭選用經(jīng)驗，同時為設(shè)計和制造更高性能的鉆頭作長期準(zhǔn)備。 開展小井眼環(huán)空流變特性、流態(tài)及其轉(zhuǎn)變規(guī)律等小環(huán)空水力學(xué)研究，以便準(zhǔn)確計算環(huán)空壓耗，同時對低摩阻鉆井液的研制提供科學(xué)參考數(shù)據(jù)。小井眼在儲層巖石力學(xué)結(jié)構(gòu)均勻完整的情況下可嘗試?yán)们菲胶忏@完井，以提高鉆速，減少作業(yè)時間費用同時提高油氣井產(chǎn)量。小井眼固井質(zhì)量難以保證。要更好的開展小井眼鉆井須加強擴眼（隨鉆）技術(shù)及工藝的研究及應(yīng)用。