微芯钻头在南堡3-82井的应用探索

2016-12-21于慧超陶瑞东张克正

西部探矿工程 2016年12期

关键词：南堡机械钻速寒武

于慧超，杨静，陶瑞东，张克正

（中国石油渤海钻探工程有限公司，天津300280）

微芯钻头在南堡3-82井的应用探索

于慧超*，杨静，陶瑞东，张克正

（中国石油渤海钻探工程有限公司，天津300280）

冀东油田南堡3-82井是部署在南堡3号构造的一口重点风险探井，目的层为寒武系地层，该地层地质资料少，地层硬度高、可钻性差，常规取芯钻头机械钻速低、取芯工艺复杂，而常规PDC钻头虽然破岩效果高，但产生的岩屑不利于地质录井的要求，不利于探井对地质资料的要求，钻头优选较困难。前期邻井实钻数据表明，该井段单只钻头进尺少，机械钻速低。微芯钻头具有常规PDC钻头机械钻速高的特点，同时产生的微小岩芯又能满足地质取芯的要求，本井通过使用微芯钻头，初步达到了设计目标，为该区寒武系地层的提速开创了新思路。对微芯钻头的指标进行了对比分析，同时也对使用中出现的问题进行剖析，提出了对该类型钻头的改进意见和现场使用注意事项的建议。

微芯技术；钻头；冀东油田；快速钻井；建议

近年来，石油行业不断探索使用新技术、新工艺、新工具等手段提高钻井速度，钻头优选一直是提高机械钻速的首选。不仅包括型号、材质、刀翼等方面的优选，还包括新理念设计出的特殊钻头，牙轮PDC相结合的钻头、旋转射流钻头、微芯钻头等等。

潜山油气藏埋藏较深,通常超过5000m，冀东油田堡古3-82井设计垂深5414m，斜深5929m，完钻层位寒武系，属于潜山油气藏。目前对该地层地质资料了解甚少，因此钻头优选也是探索性的，而该井选用的微芯钻头在现场应用中取得了较好的效果。

1 微芯钻头

1.1 工作原理

微芯钻头依靠钻头中心不切屑保留完整的岩芯[1]。这个岩芯被钻头自己切断，通过专门设计的排屑槽喷射到一边，然后同其他钻屑一起被带到地面。通过这种工艺，就能采集到质量非常高的钻屑，供地面研究。特别在使用PDC钻头钻屑质量较差的情况下，适合使用微芯钻头（原理见图1）。

1.2 微芯技术的优点

（1）提高岩屑质量。因为微芯岩屑并没有在钻头切削的过程中被剪切破坏，所以很好地保存了原始的岩石结构，岩屑质量随着岩石强度的增强而提高。可以通过岩屑录井提高了地层卡层能力及地层的分析评估(渗透率、孔隙度、无侧限抗压强度等等)。

图1 微芯原理

（2）提高机械钻速。由于钻头中心部分不被切屑，可明显提高了钻进速度。对于固定切屑刃钻头，由于切屑刃转速很低，甚至基本上不转动，钻头中心成为切屑效率最低的区域之一。去掉中心部分后，钻头的钻进效率能提高15%～25%，具体提高程度与钻头直径有关。

1.3 微芯钻头参数微芯尺寸Ø15mm×30mm。

2 微芯现场使用情况

2.1 南堡3-82井基本情况

南堡3-82井是一口五开定向井，钻探目的是预探南堡3号构造南堡3-82断块寒武系毛庄组、府君山组，沙河街组沙一段和东营组东三段含油气情况。设计井深5929m，构造位置：黄骅坳陷南堡凹陷南堡3号构造南堡3-82断块构造较高部位[2]。

（1）井身结构见表1。

表1 井身结构表

（2）井身轨迹：0～2010m直井段，2010～2433m造斜段，2433～5929m稳斜段，井斜30.82°，方位185.31°。

（3）地质分层见表2。

表2 地质分层表

2.2 钻头使用情况

（1）钻具组合：Ø215.9mmPDC×0.29m+430/410× 1.26m+Ø 209mm稳定器×1.54m+411/410浮阀× 0.5m+Ø165mm无磁×8.95m+Ø127mm无磁抗压缩钻杆×9.19m+Ø127mm加重×140.44m+Ø127mm钻杆×3210.15m+411/520×1.15m+Ø139.7mm钻杆。

（2）钻井液性能见表3。

（3）钻井参数：钻压20～120kN，转速顶驱60～70r/min，泵压21MPa，排量26～27L/s。

（4）钻头使用情况：微芯钻头MR616在冀东油田南堡3-82井5481.75～5503m井段寒武系地层使用，进尺21.25m，纯钻时间4.89h，机械钻速4.35m/h。钻遇新地层，起钻进行取芯作业。

第二次入井钻进井段5507～5549.24m，进尺42.24m，纯钻时间34.14h；机械钻速仅为1.24m/h，钻速太慢，起钻分析原因，发现喷嘴掉。

3 对比与分析

3.1 岩屑情况对比

表3 钻井液性能

微芯钻头在工作的过程中确实形成了微芯岩柱，未返出微芯，可能是形成后被破坏了，返出的岩屑大小不一，呈不规则片状，棱角磨圆。

3.2 机械钻速指标对比

在相同区块相近井段，使用微芯钻头比普通PDC钻头相比，提速能达到15%以上。钻速对比见表4。

表4 微芯钻头使用分析

4 问题及分析

4.1 存在的问题

该类型钻头是首次在该区块地层中使用，虽然达到初步目标，但是使用中出现一些问题，为了给广大技术工作者更多的了解该类型钻头使用情况，特将问题进行列举并分析，望吸取教训。主要问题是第二次下井后钻速明显下降，起出后钻头泥包，水眼脱落3只，部分复合片脱落或破损，胎体有烧黑的现象，综合判断是非正常损坏。

南堡3-82井使用的Ø215.9mmMR616新钻头入井，纯钻时间共计39h，起出外径Ø215.9mm，没有明显磨损，但钻头复合片存在被非正常损坏现象，新度50%。

该钻头在第一次下井的时候机械钻速比较高，本井上一段所用的莱州的PDC机械钻速为1.88m/s，MR616钻头的机械钻速为4.35m/s，提速131%。提速效果很明显，但是随后泥包之后机械钻速就不能表征钻头的正常工作时的机械钻速了。

4.2 原因分析

从整体看该只钻头为非正常损坏，依据如下：

（1）第一次钻头出井的时候，钻头完好无损，复合片基本没有磨损，喷嘴也正常。但是第二次起出后就出现了钻头泥包、胎体烧黑、部分复合片中度破坏、喷嘴掉落和开裂。从钻头的出井特点可以判断出，钻头在井底泥包后又工作了很长一段时间才开始掉喷嘴的。如果掉喷嘴过早出现复合片脱落时后果会很严重的。

（2）钻头非正常损坏的原因：Ø泥包后钻头在井底长时间的切削摩擦，又不能被泥浆及时的冷却致使钻头温度过高，胎体和喷嘴的热膨胀系数不一致性导致了喷嘴螺纹的松弛，就出现了掉喷嘴（钻头体用于装置喷嘴的螺纹比较完好）。从胎体烧黑的程度上可以断定，钻头的体温可能超过了正常的井底温度很多，合金钢材质在150℃接近井底温度）时是不会被烧黑的。

（3）钻头泥包的原因是第二次下井后岩性发生变化，由纯度较高的灰岩地层进入到泥岩含量高的灰质泥岩地层，而泥浆性能没有随着岩性变化而适当调整，致使粘切升高，钻头泥包，这是该只钻头所发生问题的根本性原因。