元坝高研磨性地层提速提效集成钻井技术

2018-06-11曾桂元黄贵生

钻探工程 2018年4期

代　锋，曾桂元，李　林，黄贵生，康　力，王　瀚

(中石化西南石油工程有限公司钻井工程研究院，四川德阳 618000)

元坝地区陆相下沙溪庙组—须家河组地层，地质构造复杂，可钻性差、研磨性高、多压力系统，该段地层段长约占全井的23%，钻井周期却占全井的42%，钻井效率低，钻井周期长，严重制约了元坝气田的勘探开发进程。2009年以来，部分井采用进口孕镶金刚石钻头+涡轮、高效PDC钻头+扭力冲击器等钻井提速技术[1-4]，但综合考虑提速效果和钻井成本，未形成集成配套技术进行规模化应用。基于此，紧密围绕陆相深部地层地质特性，本着主要采用国产替代技术、降低钻井成本的目的，开展了钻头、配套工具、关键技术等攻关研究，以期实现元坝高研磨性地层钻井提速提效的目标。

1　高研磨性地层地质特性

根据元坝海相超深井井身结构设计[5]，三开陆相地层包括侏罗系中、下统和三叠系上统，自上而下地层依次为下沙溪庙组、千佛崖组、自流井组和须家河组，段长1600～1900 m，地质特性主要有：

(1)岩性致密，可钻性差可钻性级值7～8，部分层段达8.5～9.1。

(2)地层孔隙压力纵向上分带明显，下沙溪庙组—千佛崖组地层压力系数1.2～1.5，自流井组地层压力系数1.5～1.9，须家河组地层压力系数1.9～2.1。

(3)岩性复杂，如表1所示，主要以砂岩、泥岩为主，其中下沙溪庙组组、千佛崖组地层泥质含量较高(57%～66%)，自流井组大安寨段—东岳庙段非均质性较强、硬夹层较多，珍珠冲段和须四段分布有厚层块状砾岩、砂砾岩、含砾砂岩，整个须家河组地层石英砂岩含量较高(30%～50%)，须二段甚至高达65%以上。

表1　元坝地区陆相下沙溪庙组—须家河组地层地质特性

(4)根据岩心实验测定，下沙溪庙组—须家河组地层内摩擦角[6]26.65°～56°(平均37.44°)，其中珍珠冲砂砾岩段高于40°(最高52°)，须家河组石英砂岩地层平均45°(最高56°)。研究表明[7]，岩石研磨性与内摩擦角有较强的关联性。岩石内摩擦角<40°，则认为地层研磨性不太强，可以选用一般的PDC钻头钻进；岩石内摩擦角>40°，则认为地层研磨性比较强，宜选用耐磨性好、特殊加工的PDC钻头或金刚石钻头。

2　钻井难点及提速对策

2.1　下沙溪庙组—自流井组东岳庙段

(1)千佛崖组及以上地层：段长约600 m，地层软硬交错，憋跳钻严重，PDC复合片易崩片、脱层，甚至出现基体环磨；泥质含量高时，PDC钻头极易泥包；前期引进进口扭力冲击器配合高效PDC钻头，提速效果较好，但由于技术垄断，技术服务费用较高。因此，PDC钻头设计主要考虑防泥包，同时提高钻头的攻击性(冠部结构和布齿)，配合大扭矩螺杆和顶驱(转盘)复合钻进，以提高机械钻速。

(2)自流井组大安寨段—东岳庙段：段长约300 m，针对该段地层非均质性变强、杂层多等特点，在钻头使用上要适当降低其攻击性，提高钻头抵抗冲击、崩齿的能力，延长钻头寿命和行程进尺，同时配合大扭矩螺杆和顶驱(转盘)复合钻进，提高钻井综合效率。

2.2　自流井组珍珠冲段

段长约200 m，砾石分布广，砂岩石英含量高，常规PDC、牙轮钻头在该段地层使用效果差，行程进尺少、机械钻速低，因此只能使用高速旋转研磨破岩的钻井方式。基于进口涡轮井眼准备时间长、卡钻风险大、成本高等问题，推荐优选国产孕镶金刚石钻头+高转速螺杆马达。

2.3　须家河组

总厚度约620 m，针对该段高研磨性地层，原则上均可使用国产孕镶金刚石钻头+高转速螺杆马达，加上顶驱(转盘)复合钻井方式，能够取得比PDC钻头钻速稍低但行程进尺高得多的技术指标。建议须五、须三井段使用PDC钻头+大扭矩螺杆马达钻井工艺技术，以获得更高的机械钻速。

3　提速提效集成钻井技术

3.1　研制的个性化PDC钻头+国产大扭矩螺杆马达

3.1.1PDC钻头

结合地层特性和前期井PDC钻头应用现状，自主研制出一种针对硬夹层、防崩齿、防泥包的PDC钻头[8](图1)，采用的特色技术如下。

(1)防崩齿技术。优化内锥及肩部切削结构，减少钻头轴向及径向震动，实现软硬交错地层平稳切削；采用力平衡设计，配合Ø13.44 mm直切削齿，不仅能有效缓解崩齿，同时能有效避免因齿间挤压带来的破碎困难，提高机械钻速。

(2)防泥包技术。开展井底流场模拟分析，优化喷嘴数量及喷射角度，从设计上尽可能避免井底产生涡流，避免岩屑重复破碎、携带不干净而产生泥包；在PDC钻头上电镀一层合金，有效缓解粘土对钻头表面的粘附能力，减低泥包发生的可能。

图1　研制的Ø314.1 mm KS1362ADGR型PDC钻头

3.1.2螺杆马达选型

PDC钻头以剪切方式破岩，选择螺杆应具备扭矩大、转速中等、在高密度钻井液条件下性能稳定、寿命长等特性。综合考虑经济因素，优选等壁厚螺杆，相比普通螺杆能获得较高的机械钻速和行程进尺。如表2所示，优选国产大扭矩等壁厚螺杆A，在压降相对较高的情况下，工作扭矩相当于进口螺杆C，远高于国产常规螺杆B。随着井深增加，钻井液密度变高，压耗和泵压变大，为了减少机泵负荷，选用压降和工作扭矩稍低的国产常规螺杆B。

3.1.3试验效果

研制的Ø314.1 mm KS1362ADGR型PDC钻头，配套国产大扭矩螺杆，在YB204-2、YB205-3等3口井开展了4井次现场试验，应用层位：上沙溪庙组—千佛崖组，平均进尺414.29 m，平均机械钻速2.98 m/h。与进口扭力冲击器+U513S PDC钻头在YB29-2、YB101-1H等4口井平均进尺249.1 m、平均机械钻速3.01 m/h相比，机械钻速相当，但平均单只钻头进尺提高66.3%。按单只钻头进尺400 m计算，同比进口扭力冲击器+PDC钻头，研制的PDC钻头+国产大扭矩螺杆的钻头及工具成本降低60%(注：工具、钻头一般占钻井成本的权重为30%～40%，此处成本降低幅度较大，一方面是因为单只钻头进尺提高了，节省了起下钻等辅助时间，另一方面是因为进口扭冲+与其配套的进口PDC钻头服务费用太高，自主研制的PDC钻头成本降低较多。这里比较是同种情况比较，只比较钻头和工具的费用，不涉及其他)。

表2　优选螺杆钻具性能比较

3.2　国产孕镶金刚石钻头+高转速螺杆

3.2.1孕镶金刚石钻头优选

针对不同强度研磨性地层，钻头设计必须在其自锐性、耐磨性上进行平衡，以实现其技术指标最佳。金刚石孕镶体应该优化设计成多种外形和相应的不同配方，以实现自锐性好、耐磨性高、整体强度高、钎焊强度高等，计算机优化设计为中抛物线冠部、十刀翼孕镶体加密布置、多水眼水力结构、防掏心混镶结构、天然金刚石钻头加强保径、倒划眼结构[9]。基于提速指标、单只钻头进尺和经济成本等综合考虑，优选国产NR826M孕镶金刚石钻头。

3.2.2螺杆马达选型

孕镶金刚石钻头使用较低钻压，通过高速旋转磨削地层，要求动力钻具转速较高。基于此，孕镶金刚石钻头+涡轮是最佳选择。但考虑到使用涡轮时井眼准备时间长、井下风险大，加上经济因素，所以推荐使用高转速螺杆(转速比涡轮低50%)，要求螺杆工作扭矩>3500 N·m，转速>450 r/min。优选国产CLZ216×7.0型高转速螺杆，主要性能参数为：钻具直径215.9 mm，马达头数1/2，输出转速330～535 r/min，额定扭矩3500 N·m，推荐钻压150 kN，功率148.5～241 kW，马达流量28～45 L/s，马达压降6.5 MPa，最大扭矩8600 N·m，最大钻压300 kN。

3.2.3试验效果

应用NR826M型孕镶金刚石钻头，配合国产高转速螺杆，在YB12-1H井自流井组珍珠冲段—须家河组五段开展了现场试验，试验井段：4066.73～4258.03 m，单只钻头进尺191.30 m，平均机械钻速0.92 m/h。同比国外国民油井及史密斯孕镶金刚石钻头+涡轮在元坝地区应用平均钻速1.34 m/h、平均单只钻头进尺195.53 m，尽管机械钻速降低了31%，但单只钻头进尺相当，钻头及工具成本降低了57%(注：与前面解释相同,因为进口孕镶金刚石钻头服务费用相当高，所以达到相同进尺钻井成本就可以下降很多。这里也是同比钻头和配套钻具，不涉及其他)，同时降低了井下卡钻风险。

4　现场集成试验

基于单项技术试验效果，在YB10-2H井、YB102-3H井、YB27-4井3口井三开陆相高研磨性地层开展了现场集成试验。试验井段：上沙溪庙组底部—须家河组地层。如表3所示，试验井平均段长1806.08 m，平均机械钻速1.40 m/h，平均钻井周期92.31 d。与2012 —2013年完钻11口井平均进尺1662.09 m、平均机械钻速0.85 m/h、平均钻井周期144.91 d相比，在井段长度增加8.7%的情况下，平均机械钻速提高64.7%，平均钻井周期缩短36.3%，提速提效效果明显。