大庆深层涡轮钻井匹配钻头相关技术研究与应用

2014-12-25冯殿勇刘永贵陈绍云

钻探工程 2014年12期

孙妍，冯殿勇，刘永贵，陈绍云

(中石油大庆钻探工程公司，黑龙江大庆163413)

0 引言

大庆油田通过对钻头优选和气体钻井等提速技术的研究与应用，使深层钻井提速取得了一定的效果。PDC钻头的适用范围扩展至登四段，气体钻井综合提速5倍以上。但仍然存在常规牙轮钻头单只进尺少、螺杆钻具寿命短、气体钻井使用层位受出水限制等一系列问题。近年来，国外采用先进的涡轮钻具与高速牙轮钻头、PDC钻头、天然金刚石钻头等配套钻井技术，提高了机械钻速，缩短了建井周期，降低了钻井成本。目前国外采用涡轮钻具钻井，一般能节约钻时40% ～50%，节约钻井成本约1/3。国内在新疆、中原、四川等地开展涡轮钻具配合牙轮、PDC钻头提速试验，机械钻速得到了一定的提高，但普遍存在着匹配钻头性能无法满足涡轮钻具需求，提速优势未能充分发挥等缺点［1～4］。因此，通过螺杆与涡轮钻具性能对比分析，开展涡轮钻具配合高效钻头的技术攻关与现场试验，将有助于大庆深层提速再上新台阶。

1 匹配钻头优选

由国内外涡轮钻具试验情况可知，与涡轮钻具相匹配的钻头主要有牙轮钻头、PDC钻头、孕镶金刚石钻头3种。而牙轮钻头与PDC钻头主要与低速涡轮钻具相匹配，转速通常为300～500 r/min。孕镶金刚石钻头主要与高速涡轮钻具相匹配，转速通常为800～1200 r/min［3］。因此为了充分验证涡轮钻井的提速效果，实现提速提效目标，大庆油田首先在徐深41井、方13井开展了先导性试验，取得了宝贵的现场经验。

1．1 徐深41井涡轮钻井试验

徐深41井是大庆油田第一口涡轮钻进试验井，由于该孕镶金刚石钻头金刚石颗粒抗研磨和耐温能力无法满足涡轮钻进需求，保径材料在高转速条件下存在前期破坏的问题，未能达到预期提速试验目的。

1．2 方13井涡轮钻井试验

2010年在方13井试验了由北京佐邦公司从俄罗斯引进的涡轮钻具配合SMD537X(牙轮)、M1665SR(PDC)钻头提速现场试验，试验情况见表1。

表1 方13井涡轮钻井试验基本情况

从涡轮钻具使用上看，钻进中安全稳定、寿命长、承受钻压大，在适合层位利用其高转速可以达到一定的提速目的，但高转速涡轮驱动牙轮造成牙轮寿命下降，起出的第二只SMD537X钻头两轮烧死，并造成1号轮自壳体断裂。试验表明，SMD537X钻头还是不能适应涡轮的高转速，虽钻速有所提高，但单只钻头进尺较少，行程钻速并不高，综合提速效果不明显。

1．3 达深15井涡轮试验

针对徐深41井及方13井试验情况，结合大庆油田钻井实际，重点从钻头金刚石颗粒和保径材质出发，通过深层岩石力学试验，得出大庆深部地层岩石岩性变化大，泉头组至基底岩性分别为粉砂－砂岩与泥岩互层、含砾砂泥岩、火成岩、变质岩，地质沉积时期主要经历坳陷期、裂陷期两个地质构造时期，抗压强度由13.79 MPa变化至317.17 MPa，因此重点解决单只钻头钻进多套层位，钻头金刚石材质、布齿，以及保径材料等要满足岩性变化的需求等一系列问题，并开展了如下技术研究。

1．3．1 金刚石颗粒优选试验

为了达到试验要求，对国内外现有金刚石材料开展了抗研磨、热稳定、抗冲击室内评价实验。从金刚石颗粒的形状、大小、分选进行优选，针对不同的地层和实际情况选择不同的金刚石颗粒。

立方体金刚石颗粒抗研磨性强，抗冲击性中等。圆形金刚石颗粒抗冲击性强，抗研磨性中等。不规则多棱金刚石颗粒具有抗冲击性和抗研磨性的双重功效。新型高强度GHI孕镶齿采用独特的晶体布置方式，确保金刚石颗粒比常规的分布更均匀。这种更坚实的GHI齿寿命更长，更长时间保持自身形状，从而长时间的保持高钻速钻进。这种特殊的GHI齿与砂轮相似，钻头每转动一圈只切入非常小的深度。钻进过程中通过粘和材料磨掉后新的金刚石又暴露出来，形成了不断自锐的过程。史密斯公司根据用户要求生产的GHI齿利用不同的粘和材料和金刚石来匹配所钻的地层和使用的动力工具。因为GHI齿允许更大的面部排泄容积，新的动力金刚石孕镶钻头在各种地层中都能钻得更快，这样也扩大了这些钻头的适用范围。

通过室内实验发现，GHI齿在抗研磨性、热稳定性、抗冲击性等方面均优于常规金刚石颗粒，因此金刚石材质选用GHI材料(图1)，这样可以使钻头具有更强的耐磨性，切削齿可以保持更长时间的锋利，可以增加进尺，提高钻井速度。

图1 孕镶金刚石钻头GHI柱状齿

1．3．2 特殊保径技术

同时运用PX特色技术在保径块上放置热稳定金刚石(TSP)嵌入片(见图2)，最大限度地进行保径，保持井眼尺寸，延长钻头的寿命，同时，增加进尺，减少起钻次数。

图2 嵌入热稳定金刚石复合片保径

增加了涡轮套筒的使用，从而降低钻具振动和避免螺旋井眼出现。

1．3．3 钻头型号的优选

根据上述优选实验，结合国内外生产厂家钻头应用情况，确定了以K705STBPXXC为主要钻头，K507STBPXXC为备用的钻头使用方案，主要考虑因素有以下2点:(1)K705比K507“攻击”性强，“吃入”地层更容易，机械钻速更容易得到保障;(2)达深15井埋深相对较浅，岩石硬度在206.85 MPa，因此选用K705钻头。

2 钻具组合、钻井参数优选及相关设备配套

2．1 钻具组合、钻井参数优选

涡轮钻具的性能、寿命，合理的钻头选型以及与地层的耦合作用是影响复合钻进技术经济效益的重要因素。涡轮复合钻井过程受力复杂，不仅存在纵向振动、横向振动，还存在扭转振动，这3种振动相互耦合。考虑到现场施工条件，确定了如下3条钻具优选原则。

(1)涡轮钻具压耗大，大尺寸钻具的使用将进一步提升泵的负荷，从而增加现场施工难度，因此钻具组合中采用159 mm钻铤;

(2)考虑到地层硬度大、对涡轮输出功率要求高的问题，采用了双级ZTSSH－178T涡轮+PDC支撑节(较常规支撑节寿命提高1倍)的组合方式;

(3)涡轮钻具总长约26 m，无法采用满眼钻具组合，钟摆钻具在原井斜超过3°，转速为900 r/min，钻压加至70 kN时，呈现出微增斜作用，因此采用光钻铤钻具组合。

根据上述原则，优选出了适合大庆深层地质特点的钻具组合及钻井参数(以达深16号井为例:井段2879.40～3607.52 m，排量30～32 L/s，泵压19～25 MPa，钻压30 ～80 kN，转盘转速 20 ～25 r/min，粘度50～70 s，密度1.10～1.15 g/cm3，层位泉头组～营城组，岩性为泥岩、砂岩、火山角砾岩、熔岩和砂砾岩)。

2．2 相关设备配套及技术措施

(1)由于涡轮钻具要求排量≮28 L/s，且本身压降可达到4～6 MPa，应用于3500～4500 m井深时泵压可达到20～28 MPa，因此需对井队循环系统进行升级配套，从而满足高排量高泵压条件下钻井需求;

(2)涡轮钻具对泥浆性能要求较高，因此必须保证三级固控设备使用效率，以提高工具寿命;

(3)坚持应用钻杆过滤器，保证无杂物进入涡轮钻具内部，以提高工具可靠性;

(4)由于涡轮钻具的转速高、冲击力强，因此钻头的前期造形和磨合至关重要。先用10～30 kN低钻压钻进0.5 m形成与钻头底面吻合的井底，然后增大排量、正常钻压钻进，以提高钻头寿命。

3 现场试验情况

2011年5月，在达深15井登三段至沙河子组地层，采用215.9 mm K705孕镶金刚石钻头 +178 mm俄罗斯高速涡轮塔式钻具组合进行了现场应用，具体试验情况见表2、表3。

表2 达深15井涡轮钻具试验情况

表3 达深15井涡轮钻具试验施工参数

4 取得的效果

涡轮钻具配合孕镶金刚石钻头的钻井工艺在达深15井的试验与该区块邻井相比，提速效果明显。

4．1 机械钻速提高

统计该区块10口邻井(表4)，登三段～营城组平均机械钻速为1.6 m/h，而本井该段平均机械钻速为2.13 m/h，平均机械钻速提高了33%。其中，本井登娄库组和营城组平均钻速分别为2.01和2.27 m/h，该区邻井登娄库组和营城组平均机械钻速分别为1.54和1.87 m/h，机械钻速分别提高了31%和21%。

表4 达深15井涡轮钻井试验基本情况

4．2 钻进周期缩短

试验井段 2879.40～3607.52 m，累计进尺728.12 m，耗时19.56 d。如果用常规牙轮钻进不配合涡轮钻井技术在登娄库组及营城组需要约6只牙轮钻头，进尺时间约为18.96 d，每趟起下钻换钻头需要用时约24 h，约6 d，共计约25 d。因此，用涡轮钻井匹配钻头技术比常规钻井方式节省约5.44 d时间。如果扣除涡轮试验中由于钻具刺漏而多起的一趟钻1 d，则可以节省约6.44 d。