雙級雙速鉆井工具設(shè)計(jì)與現(xiàn)場試驗(yàn)

宿振國 ， 唐志軍

（1. 中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580；2. 中石化勝利石油工程有限公司技術(shù)發(fā)展處，山東東營 257000；3. 中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257000）

目前，低滲透油氣藏是我國油氣開發(fā)的重點(diǎn)，但該類油氣藏具有儲(chǔ)層地質(zhì)年代久遠(yuǎn)、構(gòu)造復(fù)雜、埋藏深和巖石堅(jiān)硬等特點(diǎn)，所以存在一系列鉆井難點(diǎn)。其中，在確保鉆井安全的前提下，提高機(jī)械鉆速、降低鉆井成本是面臨的主要問題[1-7]。目前，國外的低滲透地層鉆井技術(shù)較為先進(jìn)，如垂直鉆井系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)、高效PDC鉆頭、高效動(dòng)力鉆具及相關(guān)的地面鉆井裝備，但相關(guān)工具和設(shè)備只出租不出售，且租用價(jià)格高昂；國內(nèi)主要采用常規(guī)PDC鉆頭和井下動(dòng)力鉆具，這些工具使用成本較低、應(yīng)用范圍較廣，但技術(shù)水平相對落后，提高機(jī)械鉆速的能力較低，難以滿足低滲透油氣藏高效開發(fā)的需求[8-10]。為了在一定程度上解決上述問題，筆者基于分級破巖的方法，在PDC鉆頭破巖機(jī)理及“PDC鉆頭+螺桿”復(fù)合鉆井技術(shù)的基礎(chǔ)上，對螺桿鉆具及PDC鉆頭進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)了適用于?215.9，?241.3和?311.1 mm井眼的雙級雙速鉆井工具，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，結(jié)果證明，雙級雙速鉆井工具既能充分發(fā)揮PDC鉆頭的優(yōu)勢，又不會(huì)改變現(xiàn)有鉆井工藝和設(shè)備，性價(jià)比高，提速效果好。

1 雙級雙速鉆井工具破巖機(jī)理

從鉆頭破巖原理講，雙級雙速鉆井工具與常規(guī)PDC鉆頭沒有區(qū)別，都是利用PDC鉆頭犁削破巖。兩者的主要區(qū)別是破巖的具體方式不同，雙級雙速鉆井工具有兩級直徑不同的鉆頭，利用較大直徑的一級鉆頭鉆出導(dǎo)眼，釋放巖石內(nèi)應(yīng)力，然后利用較小直徑的二級鉆頭跟進(jìn)破巖。因?yàn)橐患夈@頭破巖過程中使井底巖石的應(yīng)力場發(fā)生了變化，巖石的抗破碎強(qiáng)度降低，所以二級鉆頭的破巖效率得到提高，從而提高了整體鉆進(jìn)效率。

雙級雙速鉆井工具與單級鉆頭鉆井時(shí)的井底巖石應(yīng)力場分布如圖1所示。

從圖1可以看出，雙級雙速鉆井工具鉆井時(shí)的井底應(yīng)力擴(kuò)散區(qū)域明顯大于單級鉆頭鉆井，應(yīng)力集中度也高于單級鉆頭鉆井。這表明一級鉆頭鉆出導(dǎo)眼使井底巖石內(nèi)應(yīng)力釋放，巖石內(nèi)應(yīng)力大幅降低，使井底巖石的抗破碎強(qiáng)度大幅降低。因此，在相同鉆井參數(shù)下，雙級雙速鉆井工具的破巖效率高于常規(guī)單級鉆頭。

2 雙級雙速鉆井工具常見結(jié)構(gòu)

雙級雙速鉆井工具主要有同心式和偏心式2種，該工具在“PDC鉆頭+螺桿”復(fù)合鉆井的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的，利用常規(guī)動(dòng)力鉆具驅(qū)動(dòng)雙級PDC鉆頭破巖，既充分發(fā)揮了PDC鉆頭的破巖優(yōu)勢[11]，又具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、成本低的特點(diǎn)。

2.1 同心式鉆井工具

2.1.1 同心一體式

美國NOV公司開展了同心式雙級鉆井工具的破巖研究[9]，并研制了雙級鉆頭，如圖2所示。通過室內(nèi)及現(xiàn)場試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該鉆頭主要有以下2方面的優(yōu)點(diǎn)：1）有利于提高鉆井的穩(wěn)定性，減小鉆井過程中的振動(dòng)；2）由于一級鉆頭釋放了二級鉆頭鉆進(jìn)時(shí)的壓應(yīng)力，能夠大幅提高鉆進(jìn)速度。NOV公司雙級鉆頭的鉆井?dāng)?shù)據(jù)及與常規(guī)PDC鉆頭的鉆速對比情況見表1。

圖2 NOV公司研制的雙級鉆頭Fig. 2 Two-stage drill bit developed by NOV

由表1可知，NOV公司研制的雙級鉆頭能夠大幅提高機(jī)械鉆速，與常規(guī)PDC鉆頭相比，最高可提高88.9%。

2.1.2 同心分體式

NOV公司研制出一種同心分體式雙級雙速鉆井工具，如圖3所示。該鉆井工具的優(yōu)點(diǎn)為[12-13]：1）一級鉆頭較二級鉆頭具有更高的轉(zhuǎn)速，有利于提高一級鉆頭的破巖效率，同時(shí)降低二級鉆頭的破巖難度，提高二級鉆頭鉆速；2）雙級鉆頭轉(zhuǎn)向相反時(shí)，有助于降低鉆柱的附加扭矩；3）一級鉆壓與二級鉆壓的匹配達(dá)到最優(yōu)時(shí)，更有利于快速鉆進(jìn)；4）轉(zhuǎn)向相同時(shí)，當(dāng)一級鉆頭轉(zhuǎn)速高于二級鉆頭轉(zhuǎn)速時(shí)，有利于延長鉆頭壽命；5）適用于多類型鉆頭組合。

表1 NOV公司雙級鉆頭的鉆井?dāng)?shù)據(jù)及與常規(guī)PDC鉆頭的鉆速對比Table1 Drilling data of NOV's two-stage drill bit and the comparison of ROP with conventional PDC bit

圖3 同心分體式雙級雙速鉆井工具示意Fig. 3 Schematic of concentric split two-stage and twospeed drilling tool

另外，Baker Hughes公司針對同心分體式[10]雙級鉆井工具提出了多種專用工具設(shè)計(jì)方案，如圖4所示。但是，截至目前，國外也僅僅是提出了同心分體式雙級雙速鉆井工具的技術(shù)方案，未見相關(guān)樣機(jī)及現(xiàn)場應(yīng)用方面的報(bào)道。

圖4 Baker Hughes公司設(shè)計(jì)的同心分體式雙級雙速鉆井工具Fig. 4 Concentric split two-stage and two-speed drilling tool designed by Baker Hughes

2.2 偏心分體式鉆井工具

根據(jù)相關(guān)報(bào)道[11]，國外于2014年開始研究偏心分體式雙級鉆井工具，但國內(nèi)在這方面的研究目前尚處于空白。相關(guān)資料表明[11]，偏心式雙級雙速鉆井技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）能夠進(jìn)一步降低巖石破碎難度；2）能夠克服鉆頭中心線速度慢、切削效率低的不足，有利于大幅提高鉆頭切削效率；3）能夠減弱鉆柱的振動(dòng)[13]，保持鉆井過程的平穩(wěn)性。

3 雙級雙速鉆井工具優(yōu)化設(shè)計(jì)

2016年，勝利油田開始研究雙級雙速鉆井工具，在設(shè)計(jì)排量、輸出扭矩與轉(zhuǎn)速和鉆進(jìn)工具長度等參數(shù)后，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了雙級雙速鉆井工具，該工具采用螺桿鉆具驅(qū)動(dòng)兩級鉆頭，兩級鉆頭均為常規(guī)PDC鉆頭，均正向轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.1 每轉(zhuǎn)排量設(shè)計(jì)

鉆井過程中，鉆井液在管柱中自上而下流經(jīng)雙級雙速鉆井工具，驅(qū)動(dòng)鉆井工具順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。因此，螺桿鉆具轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)速度的計(jì)算公式為：

式中：γ為轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，r/min；z為螺桿鉆具轉(zhuǎn)子密封線下移距離，m；N為轉(zhuǎn)子頭數(shù)；h為轉(zhuǎn)子與定子的螺距，m。

由式（1）可以得到螺桿鉆具轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)一周后密封線下移距離的計(jì)算公式：

式中：H為螺桿鉆具轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)1周后密封線的下移距離，m；Ts為定子導(dǎo)程，m；Tr為轉(zhuǎn)子導(dǎo)程，m。

定子線性包裹面積減去轉(zhuǎn)子線性包容面積，即為轉(zhuǎn)子的截流面積，則螺桿鉆具每轉(zhuǎn)排量的計(jì)算公式為：

式中：q為螺桿鉆具的每轉(zhuǎn)排量，m3/s；AG為轉(zhuǎn)子截流面積，m2；As為定子線性包裹面積，m2。

3.2 輸出扭矩與轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)

螺桿鉆具的輸出扭矩即為鉆頭的扭矩，其與壓降、每轉(zhuǎn)排量有關(guān)，考慮現(xiàn)場實(shí)際工況，設(shè)計(jì)計(jì)算相關(guān)參數(shù)時(shí)忽略螺桿鉆具內(nèi)部傳動(dòng)軸等部件間的摩擦。因此，螺桿鉆具輸出扭矩的計(jì)算公式為：

式中：MT為螺桿鉆具輸出扭矩，N·m；p為螺桿鉆具的壓降，MPa。

螺桿鉆具輸出轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為：

式中：n為螺桿鉆具的輸出轉(zhuǎn)速，r/min；Q為排量，m3/s；ηv為螺桿鉆具定子與轉(zhuǎn)子的容積效率。

3.3 鉆井工具長度設(shè)計(jì)

隨著螺桿鉆具轉(zhuǎn)子的不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子在相對定子轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)角α?xí)r，隨著轉(zhuǎn)角不斷增大，轉(zhuǎn)子與定子之間的過流面積逐漸縮小，轉(zhuǎn)子與定子之間的過流面也是逐漸關(guān)閉的，那么沿著軸向累計(jì)，即可計(jì)算出螺桿鉆具的長度。

式中：L為螺桿鉆具的長度，m。

根據(jù)螺桿鉆具內(nèi)擺線等距線型的要求，即可用式（6）計(jì)算出雙級雙速鉆井工具的長度。

3.4 鉆井工具總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮現(xiàn)場實(shí)際工況，結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)有螺桿鉆具的制造工藝，設(shè)計(jì)了雙級雙速鉆井工具的總體結(jié)構(gòu)。該鉆井工具主要由旁通閥、防脫保護(hù)模塊、螺桿動(dòng)力模塊、雙級雙速輸出軸總成模塊和同心分體式兩級PDC鉆頭組成。

根據(jù)現(xiàn)場鉆井的實(shí)際需要，分別設(shè)計(jì)了適用于?215.9，?241.3和?311.1 mm井眼的雙級雙速鉆井工具。其操作方法與常規(guī)鉆井工藝基本相同，即：啟動(dòng)鉆井泵，雙級雙速鉆井工具在高壓鉆井液的驅(qū)動(dòng)下，利用鉆頭的旋轉(zhuǎn)破巖。

1）適用于?215.9 mm井眼的雙級雙速鉆井工具，長度 7 600.0 mm，質(zhì)量950 kg，壓降 3.0～3.5 MPa，輸出轉(zhuǎn)速100～140 r/min，輸出扭矩6 300 N·m。

2）適用于?241.3 mm井眼的雙級雙速鉆井工具，長度7 500.0 mm，質(zhì)量1 200 kg，壓降3.0～3.5 MPa，輸出轉(zhuǎn)速100～150 r/min，輸出扭矩8 500 N·m。

3）適用于?311.1 mm井眼的雙級雙速鉆井工具，長度7 500.0 mm，質(zhì)量1 500 kg，壓降3.0～3.5 MPa，輸出轉(zhuǎn)速100～150 r/min，輸出扭矩9 500 N·m。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

筆者所設(shè)計(jì)的雙級雙速鉆井工具在勝利油田營66-斜98井、營2-斜更9井和夏52-斜227井等3口井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，雙級雙速鉆井工具應(yīng)用效果良好，不但具有穩(wěn)斜、穩(wěn)壓作用，而且提速效果顯著。

4.1 營 66–斜 98 井

4.1.1 試驗(yàn)井參數(shù)

營66-斜98井最大井斜角35°，穩(wěn)斜段鉆遇東營組，設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)見表2。該井利用常規(guī)鉆井技術(shù)鉆進(jìn)時(shí)蹩跳鉆頻繁，鉆壓波動(dòng)較大。因此，在該井2 373.00～2 523.50 m井段進(jìn)行了雙級雙速鉆井工具試驗(yàn)，其目的是，在滿足井眼軌跡控制要求的同時(shí)，是否能穩(wěn)定鉆壓、提高鉆速。

表2 營66–斜98井的井身結(jié)構(gòu)Table2 Casing program of Well Y66-X98

4.1.2 試驗(yàn)結(jié)果及效果分析

試驗(yàn)井段鉆壓20～40 kN，排量27～30 L/s，泵壓11～13 MPa。鉆進(jìn)過程中鉆壓平穩(wěn)，泵壓穩(wěn)定無異常波動(dòng)，鉆具上提下放順暢，大鉤載荷正常；完成試驗(yàn)后將工具起出井眼，檢查鉆井工具、鉆頭都無損傷。

營66-斜98井采用雙級雙速鉆井工具鉆進(jìn)井段的機(jī)械鉆速與鄰井使用常規(guī)鉆具鉆進(jìn)的相同井段的機(jī)械鉆速進(jìn)行了對比，結(jié)果如圖5所示。

圖5 營66–斜98井雙級雙速鉆井工具與鄰井常規(guī)鉆具鉆速對比Fig. 5 Comparison of ROP between two-stage and twospeed drilling tool in Well Y66-X98 and the conventional drilling tools in offset wells

由圖5可知，采用雙級雙速鉆井工具后機(jī)械鉆速提高了61.3%，提速效果顯著。

4.2 營 2–斜更 9 井

4.2.1 試驗(yàn)井參數(shù)

營2-斜更9井最大井斜角28°，下部井段扭方位，是一口典型的三維井眼定向井，設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)見表3。該井采用常規(guī)鉆井技術(shù)鉆進(jìn)時(shí)，蹩跳鉆頻繁，鉆壓波動(dòng)較大，因此在1 434.00～1 750.22 m井段進(jìn)行雙級雙速鉆井工具試驗(yàn)，鉆具組合為?215.9 mm雙級雙速鉆井工具+回壓閥（411×410）+?177.8 mm無磁鉆鋌+?214.3 mm螺旋穩(wěn)定器+?177.8 mm鉆鋌×2柱+?165.1 mm 鉆鋌×2柱+鉆桿。

表3 營2–斜更9井設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)Table3 Casing program of Well Y2-XG9

4.2.2 試驗(yàn)結(jié)果及效果分析

試驗(yàn)井段鉆壓20～30 kN，排量27～30 L/s，泵壓11～12 MPa。鉆進(jìn)過程中鉆壓平穩(wěn)，泵壓穩(wěn)定，試驗(yàn)后檢查工具、鉆頭都無損傷。營2-斜更9井使用雙級雙速鉆井工具鉆進(jìn)井段的機(jī)械鉆速與鄰井使用常規(guī)鉆具鉆進(jìn)相同井段的機(jī)械鉆速進(jìn)行了對比，結(jié)果如圖6所示。

圖6 營2–斜更9井雙級雙速鉆井工具與鄰井常規(guī)鉆具鉆速對比Fig. 6 Comparison of ROP between two-stage two-speed drilling tool in Well Y2-XG9 and the conventional drilling tools in offset wells

由圖6可知，采用雙級雙速鉆井工具后機(jī)械鉆速提高了58.9%，提速效果顯著。

4.3 夏 52–斜 227 井

4.3.1 試驗(yàn)井參數(shù)

夏52-斜227井設(shè)計(jì)的井身結(jié)構(gòu)見表4。其中，二開直井段設(shè)計(jì)井深1 350.00 m。為了驗(yàn)證雙級雙速鉆井工具在該井直井段鉆進(jìn)過程中的提速、防斜和穩(wěn)定鉆壓的效果，在310.00～1 210.50 m井段（直井段）進(jìn)行了試驗(yàn)，鉆具組合為?215.9 mm雙級雙速鉆井工具+回壓閥（411×410）+?177.8 mm 無磁鉆鋌+?214.3 mm螺旋穩(wěn)定器+?177.8 mm鉆鋌×2柱+?165.1 mm 鉆鋌×2柱+鉆桿。

表4 夏52-斜227井的井身結(jié)構(gòu)Table4 Casing program of well X52-X227

4.3.2 試驗(yàn)結(jié)果及效果分析

試驗(yàn)井段鉆壓20～30 kN，排量27～30 L/s，泵壓11～12 MPa。鉆進(jìn)過程中鉆壓平穩(wěn)，泵壓穩(wěn)定，直井段防斜打直效果明顯，機(jī)械鉆速相比鄰井平均提高120.9%（見圖7），試驗(yàn)后檢查雙級雙速鉆井工具未損壞。

圖7 夏52–斜227井雙級雙速鉆井工具與鄰井常規(guī)鉆具鉆速對比Fig. 7 Comparison of ROP between two-stage two-speed drilling tool in Well X52-X227 and the conventional drilling tools in offset wells

雙級雙速鉆井工具在上述3口井完成試驗(yàn)后，鉆頭有輕度磨損，再次開泵測試，發(fā)現(xiàn)該工具的動(dòng)力性有所降低，分析認(rèn)為螺桿鉆具部分達(dá)到使用壽命。3口井的現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)械鉆速平均提高80.37%，提速效果顯著。

5 結(jié)論與建議

1）雙級雙速鉆井工具利用一級鉆頭破巖并鉆出導(dǎo)眼，然后用二級鉆頭鉆進(jìn)地層。一級鉆頭鉆出導(dǎo)眼釋放井底巖石內(nèi)應(yīng)力，巖石抗破碎強(qiáng)度降低，使二級鉆頭鉆進(jìn)更為容易，從而實(shí)現(xiàn)提高鉆井效率的目的。

2）基于已有研究成果，根據(jù)現(xiàn)場鉆井的實(shí)際需要，分別設(shè)計(jì)了適用于?215.9，?241.3和?311.1 mm井眼的雙級雙速鉆井工具。

3）勝利油田3口井的現(xiàn)場試驗(yàn)表明，雙級雙速鉆井工具提速效果顯著，試驗(yàn)井段平均提速80.37%，其使用壽命達(dá)到142.4 h，鉆壓、泵壓及工具性能穩(wěn)定，安全可靠性高。

4）建議開展專用螺桿鉆具和PDC鉆頭性能及匹配性的研究，以充分發(fā)揮雙級雙速鉆井工具成本低、效率高的優(yōu)勢，為低滲透油氣藏的高效開發(fā)提供技術(shù)支撐。