準(zhǔn)噶爾盆地中部地區(qū)侏羅系地層鉆井提速技術(shù)研究

摘要：準(zhǔn)噶爾盆地中部地區(qū)的侏羅系地層以砂泥巖為主，可鉆性級值較高，硬度高，研磨性強，鉆進(jìn)時體積破碎困難，機械鉆速慢，根據(jù)破巖需要，研制了5刀翼的提速耐磨PDC鉆頭，同時侏羅系地層異常高壓，鉆井液密度高壓持作用明顯，且上部地層井壁穩(wěn)定性差極易發(fā)生掉塊研制了螺桿等動力鉆具的使用，優(yōu)選了水力沖擊器，配套形成侏羅系地層鉆井提速技術(shù)，開展了現(xiàn)場應(yīng)用，與相鄰井段常規(guī)鉆相比，平均機械鉆速提高4倍以上，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：侏羅系；PDC鉆頭；提速

準(zhǔn)噶爾盆地共4個區(qū)塊，勘探面積超過1.2×104km2，資源量超過10億噸，普遍存在復(fù)雜情況多，鉆井周期長等問題，其中鉆井提速的難點是下部的侏羅系地層，厚度在500m以上，平均機械鉆速僅為1m/h左右，巖心力學(xué)實驗結(jié)果表明侏羅系地層本身可鉆性差，另一方面吐谷魯群以下地層異常高壓，鉆井液密度高壓持作用明顯，最后侏羅系上部地層井壁穩(wěn)定性差極易發(fā)生掉塊，因此研制了螺桿鉆具等提速工具的使用。

針對上述問題，通過研發(fā)高效PDC鉆頭，優(yōu)選鉆頭使用方案和輔助提速工具形成了侏羅系地層鉆井提速配套技術(shù)

圖1 提速耐沖PDC鉆頭

1 高效PDC鉆頭研發(fā)

實驗結(jié)果表明準(zhǔn)噶爾盆地中部地區(qū)侏羅系地層，地層較硬（平均800MPa以上），可鉆性差（可鉆性級值7左右），研磨性較強（研磨性指數(shù)5-6），且軟硬交錯，適合中尺寸復(fù)合片PDC鉆頭提速。

為此對鉆頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，研制了一種新型的5刀翼提速耐沖PDC鉆頭。

（1）力平衡及穩(wěn)定型設(shè)計、螺旋刀翼及刀翼非均勻布置：提高鉆頭穩(wěn)定性和適應(yīng)性

（2）提速耐沖PDC復(fù)合片：聚晶金剛石層和硬質(zhì)合金層組成、雙倒角，尺寸φ16mm增強吃入能力和地層適應(yīng)性；

（3）錐齒圓齒混合布齒：錐齒犁削基質(zhì)，圓齒快速切削；

（4）雙排布齒：較單排布齒穩(wěn)定性提高30%；

（5）保徑：主動切削結(jié)構(gòu)增強保徑和修井壁能力，低摩阻耐磨元件平衡鉆頭受力。

2 鉆頭和輔助提速工具方案優(yōu)選

（1）提速工具方案優(yōu)選

考慮井壁穩(wěn)定的影響，鉆具組合中不能加入扶正器或者尺寸過大的提速工具，另一方面對于可對井壁產(chǎn)生較大沖擊或者擾動的提速工具也會限制使用，根據(jù)上述條件，螺桿和渦輪鉆具排除在外，通過優(yōu)選，最終選定了水力沖擊器，該工具通過給鉆頭施加低幅高頻的沖擊力，實現(xiàn)由高頻率周期性的沖擊力與靜壓旋轉(zhuǎn)聯(lián)合作用破碎巖石，可以穩(wěn)定的給鉆頭傳遞扭矩，提高硬質(zhì)地層的機械鉆速。

（2）鉆頭選型方案優(yōu)選

在鉆井過程中，影響鉆頭合理使用的因素很多，諸如鉆頭類型、地層與巖性、鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)、鉆井液性能和操作等，在對鉆頭的工作原理、結(jié)構(gòu)特點以及地層巖石的物理機械性得以充分認(rèn)識了解的基礎(chǔ)上，根據(jù)地層條件合理選擇鉆頭類型和鉆井參數(shù)，已經(jīng)成為提高鉆頭使用壽命、最大限度的發(fā)揮其技術(shù)性能的重要技術(shù)環(huán)節(jié)。

經(jīng)驗鉆頭選型法。該方法的提出和應(yīng)用開始于鉆井工程的初始階段，經(jīng)不斷完善提高、逐步形成為一套行之有效的實用方法，一直延續(xù)應(yīng)用于至今，目前現(xiàn)場鉆井技術(shù)人員多采用這一方法選擇鉆頭類型。

等概鉆頭選型方法。該方法利用能真正表征巖石破碎綜合性質(zhì)、確切和定量反映地層抗鉆程度的巖石可鉆性級別值，選擇與地層配伍且適用性強的鉆頭類型。優(yōu)點是方法先進(jìn)且具科學(xué)性、使用更加簡便易行，亦是科學(xué)化鉆井的重要組成部分。

根據(jù)試驗井現(xiàn)場使用情況結(jié)合室內(nèi)巖石力學(xué)實驗結(jié)果，推薦了侏羅系地層的鉆頭使用方案，首選為提速耐沖5刀翼PDC鉆頭，備選為KS1653和M5365L鉆頭。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

針對準(zhǔn)噶爾盆地中部地區(qū)侏羅系地層鉆井提速難點，研究形成了鉆井提速技術(shù)，現(xiàn)場應(yīng)用11口井，提速效果顯著，與常規(guī)鉆相比，機械鉆速提高4倍以上。

由表1所示，D702井侏羅系地層鉆進(jìn)近500m，共5趟鉆，上部使用高效PDC鉆頭+水力沖擊器的提速鉆具組合單趟進(jìn)尺較牙輪鉆頭+常規(guī)鉆具組合提高了2倍以上，平均機械鉆速提高5倍，下部使用高效PDC鉆頭+水力沖擊器的提速鉆具組合單趟進(jìn)尺達(dá)到318m，機械鉆速達(dá)到2.29m/h，較牙輪鉆頭+常規(guī)鉆具分別提高了52倍，機械鉆速提高8.5倍，效果顯著，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

（1）針對準(zhǔn)噶爾盆地中部地區(qū)侏羅系地層的特點，研制了提速耐沖高效PDC鉆頭；

（2）基于準(zhǔn)中地區(qū)巖心可鉆性、硬度等巖石力學(xué)特性，利用等概鉆頭選型和經(jīng)驗鉆頭選型兩種方法，推薦出了準(zhǔn)噶爾盆地中部區(qū)塊侏羅系地層的鉆頭優(yōu)選方案，優(yōu)選了水力沖擊器等高效輔助提速工具；

（3）形成了鉆井提速配套技術(shù)，在準(zhǔn)噶爾盆地中部區(qū)塊應(yīng)用11口井，侏羅系地層機械鉆速提高4倍以上，提速效果顯著。

參考文獻(xiàn)

[1]彭燁，王福修. 鉆頭冠部形狀設(shè)計模式[J]. 石油鉆探技術(shù)，1996，24（4）：38-39

[2]田富林. 鉆頭選型方法研究與應(yīng)用 [M]. 西南石油學(xué)院，四川南充：2003

[3]鄒德永，于鵬，楊光. 硬地層破巖工具最新進(jìn)展[J]. 石油機械，2013，41（6）：1-5

作者簡介：孫榮華（1965-）男，漢族，中石化新疆新春石油開發(fā)有限責(zé)任公司，高級工程師，主要從事石油開發(fā)和鉆井工程工藝研究。

（作者單位：中石化新疆新春石油開發(fā)有限責(zé)任公司）