元壩高研磨性地層提速提效集成鉆井技術(shù)

代　鋒， 曾桂元， 李　林， 黃貴生， 康　力， 王　瀚

(中石化西南石油工程有限公司鉆井工程研究院，四川 德陽 618000)

元壩地區(qū)陸相下沙溪廟組—須家河組地層，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，可鉆性差、研磨性高、多壓力系統(tǒng)，該段地層段長約占全井的23%，鉆井周期卻占全井的42%，鉆井效率低，鉆井周期長，嚴(yán)重制約了元壩氣田的勘探開發(fā)進(jìn)程。2009年以來，部分井采用進(jìn)口孕鑲金剛石鉆頭+渦輪、高效PDC鉆頭+扭力沖擊器等鉆井提速技術(shù)[1-4]，但綜合考慮提速效果和鉆井成本，未形成集成配套技術(shù)進(jìn)行規(guī)?；瘧?yīng)用?；诖?，緊密圍繞陸相深部地層地質(zhì)特性，本著主要采用國產(chǎn)替代技術(shù)、降低鉆井成本的目的，開展了鉆頭、配套工具、關(guān)鍵技術(shù)等攻關(guān)研究，以期實現(xiàn)元壩高研磨性地層鉆井提速提效的目標(biāo)。

1　高研磨性地層地質(zhì)特性

根據(jù)元壩海相超深井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計[5]，三開陸相地層包括侏羅系中、下統(tǒng)和三疊系上統(tǒng)，自上而下地層依次為下沙溪廟組、千佛崖組、自流井組和須家河組，段長1600～1900 m，地質(zhì)特性主要有：

(1)巖性致密，可鉆性差可鉆性級值7～8，部分層段達(dá)8.5～9.1。

(2)地層孔隙壓力縱向上分帶明顯，下沙溪廟組—千佛崖組地層壓力系數(shù)1.2～1.5，自流井組地層壓力系數(shù)1.5～1.9，須家河組地層壓力系數(shù)1.9～2.1。

(3)巖性復(fù)雜，如表1所示，主要以砂巖、泥巖為主，其中下沙溪廟組組、千佛崖組地層泥質(zhì)含量較高(57%～66%)，自流井組大安寨段—東岳廟段非均質(zhì)性較強、硬夾層較多，珍珠沖段和須四段分布有厚層塊狀礫巖、砂礫巖、含礫砂巖，整個須家河組地層石英砂巖含量較高(30%～50%)，須二段甚至高達(dá)65%以上。

表1　元壩地區(qū)陸相下沙溪廟組—須家河組地層地質(zhì)特性

(4)根據(jù)巖心實驗測定，下沙溪廟組—須家河組地層內(nèi)摩擦角[6]26.65°～56°(平均37.44°)，其中珍珠沖砂礫巖段高于40°(最高52°)，須家河組石英砂巖地層平均45°(最高56°)。研究表明[7]，巖石研磨性與內(nèi)摩擦角有較強的關(guān)聯(lián)性。巖石內(nèi)摩擦角<40°，則認(rèn)為地層研磨性不太強，可以選用一般的PDC鉆頭鉆進(jìn)；巖石內(nèi)摩擦角>40°，則認(rèn)為地層研磨性比較強，宜選用耐磨性好、特殊加工的PDC鉆頭或金剛石鉆頭。

2　鉆井難點及提速對策

2.1　下沙溪廟組—自流井組東岳廟段

(1)千佛崖組及以上地層：段長約600 m，地層軟硬交錯，憋跳鉆嚴(yán)重，PDC復(fù)合片易崩片、脫層，甚至出現(xiàn)基體環(huán)磨；泥質(zhì)含量高時，PDC鉆頭極易泥包；前期引進(jìn)進(jìn)口扭力沖擊器配合高效PDC鉆頭，提速效果較好，但由于技術(shù)壟斷，技術(shù)服務(wù)費用較高。因此，PDC鉆頭設(shè)計主要考慮防泥包，同時提高鉆頭的攻擊性(冠部結(jié)構(gòu)和布齒)，配合大扭矩螺桿和頂驅(qū)(轉(zhuǎn)盤)復(fù)合鉆進(jìn)，以提高機械鉆速。

(2)自流井組大安寨段—東岳廟段：段長約300 m，針對該段地層非均質(zhì)性變強、雜層多等特點，在鉆頭使用上要適當(dāng)降低其攻擊性，提高鉆頭抵抗沖擊、崩齒的能力，延長鉆頭壽命和行程進(jìn)尺，同時配合大扭矩螺桿和頂驅(qū)(轉(zhuǎn)盤)復(fù)合鉆進(jìn)，提高鉆井綜合效率。

2.2　自流井組珍珠沖段

段長約200 m，礫石分布廣，砂巖石英含量高，常規(guī)PDC、牙輪鉆頭在該段地層使用效果差，行程進(jìn)尺少、機械鉆速低，因此只能使用高速旋轉(zhuǎn)研磨破巖的鉆井方式?；谶M(jìn)口渦輪井眼準(zhǔn)備時間長、卡鉆風(fēng)險大、成本高等問題，推薦優(yōu)選國產(chǎn)孕鑲金剛石鉆頭+高轉(zhuǎn)速螺桿馬達(dá)。

2.3　須家河組

總厚度約620 m，針對該段高研磨性地層，原則上均可使用國產(chǎn)孕鑲金剛石鉆頭+高轉(zhuǎn)速螺桿馬達(dá)，加上頂驅(qū)(轉(zhuǎn)盤)復(fù)合鉆井方式，能夠取得比PDC鉆頭鉆速稍低但行程進(jìn)尺高得多的技術(shù)指標(biāo)。建議須五、須三井段使用PDC鉆頭+大扭矩螺桿馬達(dá)鉆井工藝技術(shù)，以獲得更高的機械鉆速。

3　提速提效集成鉆井技術(shù)

3.1　研制的個性化PDC鉆頭+國產(chǎn)大扭矩螺桿馬達(dá)

3.1.1PDC鉆頭

結(jié)合地層特性和前期井PDC鉆頭應(yīng)用現(xiàn)狀，自主研制出一種針對硬夾層、防崩齒、防泥包的PDC鉆頭[8](圖1)，采用的特色技術(shù)如下。

(1)防崩齒技術(shù)。優(yōu)化內(nèi)錐及肩部切削結(jié)構(gòu)，減少鉆頭軸向及徑向震動，實現(xiàn)軟硬交錯地層平穩(wěn)切削；采用力平衡設(shè)計，配合?13.44 mm直切削齒，不僅能有效緩解崩齒，同時能有效避免因齒間擠壓帶來的破碎困難，提高機械鉆速。

(2)防泥包技術(shù)。開展井底流場模擬分析，優(yōu)化噴嘴數(shù)量及噴射角度，從設(shè)計上盡可能避免井底產(chǎn)生渦流，避免巖屑重復(fù)破碎、攜帶不干凈而產(chǎn)生泥包；在PDC鉆頭上電鍍一層合金，有效緩解粘土對鉆頭表面的粘附能力，減低泥包發(fā)生的可能。

圖1　研制的?314.1 mm KS1362ADGR型PDC鉆頭

3.1.2螺桿馬達(dá)選型

PDC鉆頭以剪切方式破巖，選擇螺桿應(yīng)具備扭矩大、轉(zhuǎn)速中等、在高密度鉆井液條件下性能穩(wěn)定、壽命長等特性。綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素，優(yōu)選等壁厚螺桿，相比普通螺桿能獲得較高的機械鉆速和行程進(jìn)尺。如表2所示，優(yōu)選國產(chǎn)大扭矩等壁厚螺桿A，在壓降相對較高的情況下，工作扭矩相當(dāng)于進(jìn)口螺桿C，遠(yuǎn)高于國產(chǎn)常規(guī)螺桿B。隨著井深增加，鉆井液密度變高，壓耗和泵壓變大，為了減少機泵負(fù)荷，選用壓降和工作扭矩稍低的國產(chǎn)常規(guī)螺桿B。

3.1.3試驗效果

研制的?314.1 mm KS1362ADGR型PDC鉆頭，配套國產(chǎn)大扭矩螺桿，在YB204-2、YB205-3等3口井開展了4井次現(xiàn)場試驗，應(yīng)用層位：上沙溪廟組—千佛崖組，平均進(jìn)尺414.29 m，平均機械鉆速2.98 m/h。與進(jìn)口扭力沖擊器+U513S PDC鉆頭在YB29-2、YB101-1H等4口井平均進(jìn)尺249.1 m、平均機械鉆速3.01 m/h相比，機械鉆速相當(dāng)，但平均單只鉆頭進(jìn)尺提高66.3%。按單只鉆頭進(jìn)尺400 m計算，同比進(jìn)口扭力沖擊器+PDC鉆頭，研制的PDC鉆頭+國產(chǎn)大扭矩螺桿的鉆頭及工具成本降低60%(注：工具、鉆頭一般占鉆井成本的權(quán)重為30%～40%，此處成本降低幅度較大，一方面是因為單只鉆頭進(jìn)尺提高了，節(jié)省了起下鉆等輔助時間，另一方面是因為進(jìn)口扭沖+與其配套的進(jìn)口PDC鉆頭服務(wù)費用太高，自主研制的PDC鉆頭成本降低較多。這里比較是同種情況比較，只比較鉆頭和工具的費用，不涉及其他)。

表2　優(yōu)選螺桿鉆具性能比較

3.2　國產(chǎn)孕鑲金剛石鉆頭+高轉(zhuǎn)速螺桿

3.2.1孕鑲金剛石鉆頭優(yōu)選

針對不同強度研磨性地層，鉆頭設(shè)計必須在其自銳性、耐磨性上進(jìn)行平衡，以實現(xiàn)其技術(shù)指標(biāo)最佳。金剛石孕鑲體應(yīng)該優(yōu)化設(shè)計成多種外形和相應(yīng)的不同配方，以實現(xiàn)自銳性好、耐磨性高、整體強度高、釬焊強度高等，計算機優(yōu)化設(shè)計為中拋物線冠部、十刀翼孕鑲體加密布置、多水眼水力結(jié)構(gòu)、防掏心混鑲結(jié)構(gòu)、天然金剛石鉆頭加強保徑、倒劃眼結(jié)構(gòu)[9]?；谔崴僦笜?biāo)、單只鉆頭進(jìn)尺和經(jīng)濟(jì)成本等綜合考慮，優(yōu)選國產(chǎn)NR826M孕鑲金剛石鉆頭。

3.2.2螺桿馬達(dá)選型

孕鑲金剛石鉆頭使用較低鉆壓，通過高速旋轉(zhuǎn)磨削地層，要求動力鉆具轉(zhuǎn)速較高。基于此，孕鑲金剛石鉆頭+渦輪是最佳選擇。但考慮到使用渦輪時井眼準(zhǔn)備時間長、井下風(fēng)險大，加上經(jīng)濟(jì)因素，所以推薦使用高轉(zhuǎn)速螺桿(轉(zhuǎn)速比渦輪低50%)，要求螺桿工作扭矩>3500 N·m，轉(zhuǎn)速>450 r/min。優(yōu)選國產(chǎn)CLZ216×7.0型高轉(zhuǎn)速螺桿，主要性能參數(shù)為：鉆具直徑215.9 mm，馬達(dá)頭數(shù)1/2，輸出轉(zhuǎn)速330～535 r/min，額定扭矩3500 N·m，推薦鉆壓150 kN，功率148.5～241 kW，馬達(dá)流量28～45 L/s，馬達(dá)壓降6.5 MPa，最大扭矩8600 N·m，最大鉆壓300 kN。

3.2.3試驗效果

應(yīng)用NR826M型孕鑲金剛石鉆頭，配合國產(chǎn)高轉(zhuǎn)速螺桿，在YB12-1H井自流井組珍珠沖段—須家河組五段開展了現(xiàn)場試驗，試驗井段：4066.73～4258.03 m，單只鉆頭進(jìn)尺191.30 m，平均機械鉆速0.92 m/h。同比國外國民油井及史密斯孕鑲金剛石鉆頭+渦輪在元壩地區(qū)應(yīng)用平均鉆速1.34 m/h、平均單只鉆頭進(jìn)尺195.53 m，盡管機械鉆速降低了31%，但單只鉆頭進(jìn)尺相當(dāng)，鉆頭及工具成本降低了57%(注：與前面解釋相同,因為進(jìn)口孕鑲金剛石鉆頭服務(wù)費用相當(dāng)高，所以達(dá)到相同進(jìn)尺鉆井成本就可以下降很多。這里也是同比鉆頭和配套鉆具，不涉及其他)，同時降低了井下卡鉆風(fēng)險。

4　現(xiàn)場集成試驗

基于單項技術(shù)試驗效果，在YB10-2H井、YB102-3H井、YB27-4井3口井三開陸相高研磨性地層開展了現(xiàn)場集成試驗。試驗井段：上沙溪廟組底部—須家河組地層。如表3所示，試驗井平均段長1806.08 m，平均機械鉆速1.40 m/h，平均鉆井周期92.31 d。與2012 —2013年完鉆11口井平均進(jìn)尺1662.09 m、平均機械鉆速0.85 m/h、平均鉆井周期144.91 d相比，在井段長度增加8.7%的情況下，平均機械鉆速提高64.7%，平均鉆井周期縮短36.3%，提速提效效果明顯。

5　結(jié)論與建議

(1)元壩地區(qū)自流井組珍珠沖段以上地層應(yīng)用研制的個性化PDC鉆頭+國產(chǎn)大扭矩螺桿馬達(dá)鉆井技術(shù)，鉆井綜合指標(biāo)超過進(jìn)口扭力沖擊器+專用PDC鉆頭鉆井技術(shù)。

(2)采用國產(chǎn)孕鑲金剛石鉆頭+高轉(zhuǎn)速螺桿馬達(dá)鉆井技術(shù)，實現(xiàn)了自流井組珍珠沖段—須家河組地層提速提效，可替代進(jìn)口孕鑲金剛石鉆頭+渦輪鉆井技術(shù)。建議下部鉆具組合中加入隨鉆震擊器，降低井下卡鉆風(fēng)險。

表3　試驗井與對比井在三開陸相高研磨性地層鉆井指標(biāo)對比

(3)形成的高研磨性地層提速提效集成鉆井技術(shù)在元壩地區(qū)取得明顯效果，今后可用于川東北、川西須家河組等復(fù)雜難鉆地層，具有較好的推廣應(yīng)用前景。