大尺寸井眼機(jī)械鉆速因素分析與提速策略

黃凱

摘要：近年油田區(qū)塊大尺寸井眼日益增多，存在鉆速較慢的問題。特別是隨著油田深井、超深井鉆井?dāng)?shù)量不斷增加，大尺寸井眼鉆進(jìn)深度也在不斷加深，為適應(yīng)這種鉆井生產(chǎn)的需要，本文分析了大尺寸井眼機(jī)械鉆速低的主要原因，提出改變鉆進(jìn)參數(shù)、鉆具結(jié)構(gòu)和鉆井液體系等措施，從而提高大尺寸井眼的機(jī)械鉆速，降低鉆井成本和縮短了施工周期，為實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)快速鉆井提供了技術(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：大尺寸井眼鉆頭;破巖體積;井身結(jié)構(gòu);大功率泵組;鉆速

隨著油氣田勘探開發(fā)的不斷深入，深井、超深井鉆井?dāng)?shù)量不斷增加，同時，深井、超深井大尺寸井眼的深度也在不斷增加。陸上油田井深 5000～ 6000m 的井，ф311.1mm 井眼一般要鉆深 4000～5500m，才能滿足井身結(jié)構(gòu)的要求。為了安全鉆進(jìn)，ф444.5mm 和 ф311.1mm井段固井設(shè)計時一般要求套管盡量下深一些。 隨著大尺寸井段的加深，機(jī)械鉆速慢的問題越來越突出，而且已嚴(yán)重影響到全井的鉆井周期和鉆井成本，從而影響整個油田勘探開發(fā)的速度。 當(dāng)前，如何提高深井大尺寸井眼的機(jī)械鉆速已成為必須解決的首要問題。

一、大尺寸井眼機(jī)械鉆速低的主要原因

1.機(jī)械破巖能量嚴(yán)重不足

大尺寸井眼鉆頭的破巖體積大，如 ф444.5mm 鉆頭的破巖體積是ф215.9mm 鉆頭破巖體積的4.24倍，ф311.1mm 鉆頭的破巖體積是ф215.9mm鉆頭破巖體積的2.08倍。從目前國內(nèi)鉆井實際情況來看，施加在鉆頭上的鉆壓比較小，ф444.5mm 與 ф311.1mm 鉆頭上的鉆壓一般均在 200kN 左右，轉(zhuǎn)速一般為60～ 80r/min。 顯然鉆頭在井底的機(jī)械破巖能量（單位面積上的鉆壓×轉(zhuǎn)速）嚴(yán)重不足。其鉆頭齒很難吃入巖石，破巖方式主要以研磨為主，而不是體積破碎，導(dǎo)致鉆頭破巖效率很低，從而影響了機(jī)械鉆速的提高。 而國外深井鉆井中施加在ф444.5mm鉆頭上的鉆壓一般為 400～500kN，ф311.1mm 鉆頭上的鉆壓一般為 250～300kN，同時鉆頭轉(zhuǎn)速高，一般在 250～400r/min。 顯然，鉆頭的機(jī)械破巖能量很大，從而機(jī)械鉆速較高。

2.大尺寸鉆頭類型少、結(jié)構(gòu)單一

目前，國內(nèi)大尺寸鉆頭市場需求量小，鉆頭生產(chǎn)廠家缺少對新產(chǎn)品的研制和開發(fā)，導(dǎo)致鉆頭類型少、結(jié)構(gòu)單一，鉆頭的選擇余地非常小，使鉆頭與地層總的適應(yīng)程度非常低。國內(nèi)大尺寸牙輪鉆頭只適宜鉆軟地層，隨著大尺寸井段的加深，地層逐漸變硬、可鉆性變差，現(xiàn)有的鉆頭已不能滿足鉆深部大尺寸井眼的要求。而 PDC 鉆頭雖然具有高鉆速長壽命的特點，但因其特殊的技術(shù)要求，限制了大直徑 PDC 鉆頭的廣泛應(yīng)用。 若從國外進(jìn)口大尺寸鉆頭，費用太多，導(dǎo)致鉆井成本太高，不可取。

3.鉆頭水力能量小、井底不潔凈

鉆進(jìn)大尺寸井眼時產(chǎn)生的巖屑量要遠(yuǎn)多于常規(guī)井眼，要及時清除這些巖屑，必須配備大功率的鉆井泵組，同時使用大尺寸的鉆桿，以減少沿程壓耗，提高鉆頭壓降。 而目前大部分井隊只配備兩臺鉆井泵及ф127mm 內(nèi)加厚鉆桿，在 50～ 60L/s 的鉆井液排量下，大部分的水力能量消耗在鉆桿內(nèi)部，鉆頭可利用的水功率急劇下降，很難及時清除井底的巖屑，出現(xiàn)井底墊層，造成了巖屑重復(fù)破碎，甚至鉆頭泥包，導(dǎo)致鉆頭的機(jī)械鉆速下降。

4.井壁不穩(wěn)定的影響

導(dǎo)致井壁不穩(wěn)定的因素包括化學(xué)和力學(xué)兩個方面。就深井鉆井來講，主要表現(xiàn)在：由于鉆井液密度小于地層坍塌壓力當(dāng)量密度，造成井壁失穩(wěn);由于易塌地層在鉆井液中浸泡時間長，引起地層水化膨脹、坍塌及縮徑等，造成卡鉆事故;因井身結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，多套壓力層系在同一裸眼井段出現(xiàn)，鉆井液的密度較難選擇和控制，增加了坍塌或井漏的可能性;鉆遇鹽膏層、漏失層、裂縫、溶洞、滲透性好的地層引起的地層坍塌或縮徑等。這些都增加了施工難度，降低了鉆井速度延長了鉆井周期，明顯增大了鉆井成本。

5.憋跳鉆嚴(yán)重，不僅影響鉆速，同時易造成井下事故

深井鉆井經(jīng)驗表明，隨著大尺寸井段的加深，牙輪鉆頭的憋跳現(xiàn)象尤為突出，鉆頭在井底的有效鉆進(jìn)時間不到50%，嚴(yán)重影響了機(jī)械鉆速的提高。其主要原因是牙輪鉆頭存在超頂、移軸、復(fù)錐，牙輪在井底滾動時常伴有的粘滑運(yùn)動，從而造成了鉆柱的扭轉(zhuǎn)振動，即鉆頭旋轉(zhuǎn)速度變化很大，轉(zhuǎn)速極不均衡。

二、提高鉆速的對策

1.優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)

在鉆井工程設(shè)計時，應(yīng)利用鄰井的地震資料、測井資料、鉆井資料，對地層的孔隙壓力、破裂壓力、坍塌壓力進(jìn)行預(yù)測，以推薦合理安全的鉆井液密度窗口和各層套管下入深度，以避免在鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)地層坍塌、井漏、卡鉆等一系列井下事故。在一些復(fù)雜地層和深探井套管設(shè)計時應(yīng)留有余地，以便于必要時能多下一層套管。

2.采用大尺寸鉆桿、鉆鋌，大功率泵組

采用 ф139.7mm 或者ф163.3mm 鉆桿將有利于降低大尺寸井眼內(nèi)的循環(huán)壓耗，同時，采用大功率鉆井泵組提高泵壓和鉆井液排量，大幅度提高鉆頭井底水功率和噴射速度，從而有效地凈化井底、及時清除巖屑，提高大尺寸井眼的機(jī)械鉆速。

3.采用井下動力鉆具提高機(jī)械破巖能量

采用井下動力鉆具可以大大提高鉆頭的轉(zhuǎn)速，提高鉆頭的機(jī)械破巖能量，從而提高機(jī)械鉆速。運(yùn)用井下動力鉆具還可以改善鉆柱的受力情況，避免或者減少了鉆柱的疲勞損壞，同時，還減少了鉆柱與套管之間的磨損和破壞。目前油田采用井下動力鉆具鉆進(jìn)深井大尺寸井眼，機(jī)械鉆速比采用旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)要提高30%～60%。

4.使用減震器或懸浮器，防止鉆具憋跳

減震器或者懸浮器，能夠吸收或減緩鉆柱的振動和沖擊載荷，維持正常的扭矩和鉆壓，有利于消除鉆具的跳動，提高機(jī)械鉆速，同時還可以提高鉆具的使用壽命，避免井下斷鉆具、掉牙輪等事故的發(fā)生。

5.使用 PDC 鉆頭

PDC 鉆頭具有高鉆速和長壽命的優(yōu)點，但 PDC 鉆頭的使用有其技術(shù)要求，需要進(jìn)行適應(yīng)性選擇的對應(yīng)性設(shè)計。通過鄰井鉆頭的使用記錄及測井資料，用專門的軟件處理，以確定各種地層的巖石力學(xué)參數(shù)，由此計算出破碎地層巖石所需的能量，然后設(shè)計并制造出相應(yīng)的 PDC 鉆頭，供現(xiàn)場使用。

6.完善大尺寸鉆頭的結(jié)構(gòu)和系列

根據(jù)大尺寸鉆頭的破巖機(jī)理及地層巖性特點，對大尺寸鉆頭齒面結(jié)構(gòu)、水眼結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計，研制和開發(fā)新型大尺寸鉆頭，完善大尺寸鉆頭的結(jié)構(gòu)和系列，以滿足深探井大尺寸井段鉆進(jìn)的需要。

三、結(jié)束語

隨著油氣田深井、超深井鉆井?dāng)?shù)量不斷增加，然而深井上部大尺寸井眼的機(jī)械鉆速低的問題十分突出，而且已嚴(yán)重影響到全井的鉆井周期和鉆井成本，影響油田向深部勘探開發(fā)的速度。分析了影響深井大尺寸井眼機(jī)械鉆速的原因，并提出了相應(yīng)的對策。

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（作者單位：中石化勝利石油工程公司黃河鉆井總公司SP281隊）