“孕镶金刚石钻头+高速螺杆”技术在川东北致密地层应用及效果分析

2016-09-15陈海峰李凯贤

西部探矿工程 2016年2期

关键词：须家河破岩机械钻速

陈海峰，李凯贤

（中石化西南石油工程有限公司，四川成都610041）

“孕镶金刚石钻头+高速螺杆”技术在川东北致密地层应用及效果分析

陈海峰*，李凯贤

（中石化西南石油工程有限公司，四川成都610041）

川东北地区自流井珍珠冲段及须家河组地层可钻性差，研磨性强。为提高破岩效率，降低钻井成本，前期进行了多井次的孕镶金刚石钻头+螺杆的应用研究，取得一定的提速破岩效果。YB12-1H井在总结前期使用经验的基础上，选用DIG259S和NR826M两种国产孕镶金刚石钻头以及5LZ216和CLZ216两种型号国产高速螺杆，分别搭配使用进行钻头和螺杆的选型研究。应用结果表明，NR826M钻头搭配CLZ216螺杆具有较高的机械钻速和纯钻时间。该钻具组合在珍珠冲段地层，单趟进尺191.32m，纯钻时间208.75h，平均机械钻速0.92m/h，在须家河组平均机械钻速达到1.01m/h，有效地提高了该区块的纯钻时效，为元坝地区同类地层孕镶金刚石钻头和高速螺杆的选型提供了良好的借鉴经验。

元坝；孕镶金刚石钻头；高速螺杆；珍珠冲；须家河

元坝地区的自流井组和须家河组地层岩性坚硬、石英含量高、研磨性强、部分井段含砾岩，可钻性极差，前期一直以牙轮钻头常规钻井为主，单趟入井纯钻时间短，机械钻速低。为提高钻井效率，先后采用了欠平衡钻井、涡轮钻井等钻井技术，取得了一些进步［1-4］。但是由于自流井及须家河组存在高压油气层，欠平衡钻井井控风险大，限制了该技术的应用推广；涡轮钻井技术虽可大幅度地提高机械钻速和纯钻时间，但由于其结构的特殊性，极易发生卡钻等井下事故，提速效果不稳定，且涡轮及与其配合的孕镶金刚石钻头皆为国外进口，成本费用较高［3］。

为了提出与元坝地区自流井组和须家河组地层相适应的高效破岩钻头和破岩工具，经过研究与实践，选择了风险小、成本低的孕镶金刚石钻头+螺杆钻井技术，并在该地区多口井中得到应用，取得了一定现场经验和破岩效果。前期多口井使用了孕镶金刚石钻头+螺杆钻井技术，但由于钻头和螺杆的选型适应性问题，并存在纯钻时间短、机械钻速低的问题。

本文在分析了该技术前期使用经验的基础上，给出了元坝地区螺杆和钻头适应性选型的建议，并在YB12-1H井中进行了应用，取得了提速破岩效果，机械钻速和纯钻时间均有较大提高，为该地区钻井提速提效及降本增效探索了一个新的方向。

1　孕镶金刚石钻头+螺杆破岩技术的工作原理

孕镶金刚石钻头主要通过研磨破岩，金刚石颗粒在轴向力和扭矩的作用下，连续研磨、刻划、犁削岩石，达到破碎岩石目的，以这种破岩方式为主的金刚石钻头具有很高的耐磨性，因此极适用于硬—坚硬研磨性地层的钻进。

螺杆钻具是一种将液体的压力能转化为转动的机械能的容积式井下动力钻具。螺杆钻具接在钻头的上面，高压泥浆流经螺杆钻具的马达时，产生扭矩，驱动马达的转子转动，从而带动下面的钻头工作，提高钻头的破岩效率。目前国产单头高速螺杆最高转速可300～500r/min。

高速螺杆配合长寿命、高效的孕镶金刚石钻头，辅之以转盘（或顶驱）复合钻进，就可以在常规钻压下获得较高的机械钻速和较长的钻井进尺，尤其适合在研磨性强、可钻性差的地层使用。

2　YB12-1H井钻头及螺杆选型

2.1选型依据

分析前期孕镶金刚石钻头+高速螺杆使用情况，YB12-1H井选型主要针对以下问题：

（1）钻头缺乏地层适应性，使用效果不稳定。YB1-1H在自流井组珍珠冲段和须家河四段各使用S281型号钻头1只。珍珠冲段进尺99.25m，纯钻时间160h，平均机械钻速0.62m/h，钻遇岩性为灰色泥岩、灰黑色页岩、灰色细粒砂岩、砾岩；须家河四段进尺仅14.39m，纯钻时间46.83h，平均机械钻速0.31m/h，钻遇岩性为粗粒岩屑砂岩及砂砾岩。由此可见钻头对岩性及其敏感，选用合适的钻头对破岩效率的提升至关重要。

（2）螺杆转速普遍较低导致破岩效果不理想。前期应用中使用了5LZ197和7LZ197两种型号螺杆，螺杆钻速普遍较低，最高转速为160r/min，达不到孕镶钻头高速破岩的要求。因此需要选用高速、长寿命螺杆来提高相应钻头的破岩效率、发挥出钻头的破岩潜能。

2.2钻头选型

根据元坝地区地层特性及邻井使用情况，YB12-1H井自流井珍珠冲段及须家河组地层部分井段选取了NR826M和DIG259S型号孕镶金刚石钻头，其结构特点分别如下：

NR826M型号钻头如图1所示。该钻头改进了胎体配方，提高了胎体对金刚石的包镶能力；采用耐磨的混镶金刚石热压镶嵌齿作为切削齿，提高钻头寿命和进尺；选择交错布齿的方式减小钻头在井底的接触面积，提高钻头切削效率，采用大直径底喷式、深流道辐射状水路，充分满足钻头冷却和井底排屑要求，同时保径部位将水路流道槽合并加宽，大间隙刀翼结构不易被掉落岩块卡死。

DIG259S型号钻头如图2所示。该钻头借鉴PDC钻头设计理念，采用离散化切削结构，形成了独特的孕镶切削破岩模式；冠部形状设计为中抛物线形防掏心结构，克服了老式孕镶钻头易掏心的缺陷；选择长保径设计增加了钻头稳定性；并且增加水眼优化了水力结构，适用于中硬—极硬研磨性地层。

图1　NR826M型号钻头入井前

图2　DIG259S型号钻头入井前

2.3螺杆选型

根据孕镶金刚石钻头高转速要求，选取了5LZ216 和CLZ216两种型号的国产高速螺杆。根据使用统计结果，该两种螺杆性能稳定，高速旋转情况下使用寿命长，满足地层破岩和选型钻头的要求，其性能参数见表1。

表1　YB12-1H井螺杆性能参数表

3　YB12-1H井应用效果分析

3.1应用情况介绍

YB12-1H井在自流井组珍珠冲段及须家河组使用NR826M型号钻头3只，DIG259S型号钻头1只，国产CLZ216型号高速螺杆2根，5LZ216型号高速螺杆1根，共下5钻趟，本文为表述方便，将NR826M型号钻头分别编号为1#、2#和3#，将CLZ216螺杆分别编号为1#、2#。5趟钻情况见表2。

第1趟使用NR826M型号钻头（1#）配合CLZ216螺杆（1#），出井口钻头及螺杆都到达使用寿命，钻头孕镶块磨损15～17mm，磨损程度60%，钻头出井情况如图3所示。

第2趟下入DIG259S型号钻头CLZ216螺杆（2#），起钻时螺杆时间113.33h，起钻前钻时连续15m超过70min/m，出井钻头孕镶齿磨损9～11mm，磨损程度50%，钻头出井图片如图4所示。

表2　YB12-1H井孕镶金刚石钻头+高速螺杆使用情况

图3　第1只NR826M型号钻头出井照片

图4　DIG259S型号钻头出井照片

图5　第2只NR826M型号钻头出井照片

图6　第3只NR826M型号钻头出井照片

考虑到2号CLZ216螺杆未达到使用寿命，第3趟钻下入全新矿NR826M钻头（2#）配合该螺杆，螺杆到达使用寿命后钻头出井孕镶块磨损5～6mm，如图5所示。

第4趟下入全新NR826M型号钻头（3#）配合修复CLZ216螺杆（1#修复），进尺31.03m后进尺缓慢，加钻压无压降，螺杆失效，出井孕镶块磨损3～4mm，可以继续使用，如图6所示。

第5趟继续下入第3号NR826M型号钻头配合全新5LZ216螺杆，钻进至后期，螺杆压降明显下降，钻头出井孕镶块较入井前磨损3～4mm。

3.2应用情况与邻井对比

从表3可以看出，YB12-1H井孕镶金刚石钻头+高速螺杆在各项指标上均较邻井大幅提高，单趟平均进尺、平均纯钻时间和平均机械钻速分别是邻井最高指标的2.38倍、1.78倍和1.30倍。

3.3YB12-1H井应用效果评价

YB12-1H井钻进施工中采用了两种钻头及两种螺杆，分别配对使用，使用效果如表4、表5和表6所示。

表3　YB12-1H井孕镶金刚石钻头+高速螺杆与邻井同地层使用情况对比

表4　NR826M型号钻头+CLZ216螺杆钻进情况

表5　DIG259S型号钻头+CLZ216螺杆钻进情况

表6　NR826M型号钻头+5LZ216螺杆钻进情况

（1）钻头使用效果分析。纯钻时间上，第1只NR826M钻头纯钻时间208.75h，并且钻穿了自流井组珍珠冲段厚度达57m的砂砾岩及砾岩层，第2只及第3只由于螺杆使用寿命的限制，纯钻时间较短，但磨损情况较第1只轻；DIG259S钻头入井纯钻时间86.83h，磨损程度就达到50%，且后期钻速明显下降，两种型号钻头对比，NR826M钻头明显优于DIG259S钻头。

机械钻速上，3只NR826M钻头平均机械钻速为0.95m/h，DIG259S钻头平均机械钻速为0.97m/h，两种钻头基本持平。

综合纯钻时间和机械钻速两点，NR826M钻头优于DIG259S钻头，可在元坝地区大力推广。

（2）螺杆使用效果分析。使用时间上，两根全新CLZ216螺杆纯钻时间分别为250.27h和263.5h，5LZ216型号螺杆循环时间为163.67h，CLZ216螺杆明显优于5LZ216螺杆。

机械钻速上，5LZ216螺杆平均机械钻速仅为0.63，而CLZ216螺杆平均机械钻速为0.95m/h，并且其中第一根全新螺杆穿越了57m厚的砂砾岩及砾岩层，第二根螺杆机械钻速为1.01m/h，CLZ216螺杆明显优于5LZ216螺杆。

综合钻头及螺杆，NR826M钻头配合CLZ216螺杆使用效果最佳，提速提效效果显著。