苏里格南小井眼钻头优选及改进设计

2018-12-12郁燕飞董易凡陶瑞东冯雪诚

石油化工应用 2018年11期

郁燕飞，郭亮，董易凡，陶瑞东，冯雪诚，鲁超

（1.渤海钻探第三钻井公司，天津 300280；2.中国石油长庆油田苏里格南作业分公司，陕西西安 710018）

苏里格南区块为长庆油田公司与法国道达尔公司共同投资开发的合作项目，该区块位于内蒙古自治区鄂托克前旗南部地区，与陕北接壤，地处毛乌素沙漠南部。由于小井眼井钻井在成本节约及环保方面都具有巨大优势，可降低钻井综合成本，经济效益十分可观[2]。因此，建设方在该区块全部采用小井眼钻井以达到节约投资的目的。该区块实施小井眼井的井身结构为二开五段制定向井，表层采用φ222.25 mm钻头，二开使用φ152.4 mm或φ155.6 mm钻头。造斜点一般为表层井深400 m，二开裸眼段长达3 200 m，长井段的小井眼钻井施工一直是国内外钻井的技术难题，国内此类的小井眼井钻井还处于试验探索阶段，钻井施工难度大，可借鉴经验极少[2-5]。本文重点介绍该区块小井眼井的钻头优选及个性化设计，对今后苏里格气田以及国内其他地区实施此类井身结构开发，提供了宝贵经验，以供借鉴。

1 概况

1.1 地层特点

该区块上部地层安定组、直罗组易垮塌，但可钻性好；纸坊组和和尚沟组含砺夹层；下部地层刘家沟组、石千峰、马家沟地层可钻性变差；石千峰地层棕红色泥岩易对钻头产生泥包。若采用大井眼尺寸的钻头可通过加大钻压的方式提高破岩效率，但小井眼（φ152.4 mm或φ155.6 mm）能够采用的最大钻压仅为80 kN，鉴于上述情况，对钻头的防泥包、攻击性、切削齿质量等综合性能提出了严峻的挑战。

1.2 井身结构

表层采用φ222.25 mm钻头钻至700 m～800 m，二开使用φ152.4 mm或φ155.6 mm钻头钻至完井（3 800 m～4 000 m）。造斜点一般为表层井深400 m，裸眼段长达3 200 m。

1.3 钻井液体系及基本性能

二开小井眼井段试验了三种钻井液体系，即高效水基钻井液、天然高分子、天然高分子+有机盐。三种钻井液体系所达到的性能基本一致，事故复杂为零，能满足抑制性、井壁稳定、携砂等性能要求。

2 钻头优选及改进设计

该区块实施的井表层大多在700 m～800 m，且上部地层可钻性较好，提速空间不大，因此本文重点围绕二开进行钻头优选和个性化改进设计。二开使用φ152.4 mm或φ155.6 mm（非标钻头，通用性差）钻头，裸眼段长达3 200 m，提速空间大，但对钻头优选和个性化改进设计要求较高。

表1 SN134-01井钻头实钻统计表

2.1 φ155.6 mmPDC钻头优选

结合该区块地层特点，考虑定向工具面稳定，兼顾攻击性，初步设计第一口井小井眼φ155.6 mmPDC钻头采用SD6532和SD6531两种型号，根据实钻情况（见表1）进行详细分析对比后对钻头进行改进，从而达到提高机械钻速的目的。

钻头起出后发现SD6531和SD6532两种型号均有不同程度泥包现象，特别是SD6532较为严重，通过水力模拟发现（见图1和图2），该钻头水力设计存在低流速区。

2.2 φ155.6 mmPDC钻头改进设计

通过分析钻头的速度分布图（见图1）和起出磨损情况（见表1），对φ155.6 mm上部井段使用的SD6532钻头进行优化设计（见表2），调整了喷嘴数量、大小、喷射方向，解决钻头泥包问题；优化冠部轮廓、切削齿数量、角度，增加整体钻头攻击性，提高钻头吃入深度、提升破岩效率。将φ155.6 mmSD6532型号的钻头经过个性化优化设计后的型号命名为φ155.6 mmSD6522。

图1 SD6532速度分布图

表2 φ155.6 mm上部井段钻头优化前后参数对比

同理，调整了SD6531钻头喷嘴喷射方向、大小、数量（见表3），解决钻头泥包问题。优化了切削齿角度，提升破岩效率，提高了机械钻速，比改进前提高20%以上。

图2 SD6532速度矢量图

表3 φ155.6 mmSD6531优化前后参数对比

表4 改进后PDC钻头使用效果分析

改进设计的钻头型号φ155.6 mmSD6522和SD6531在现场进行了3口井试验，滑动钻进时工具面稳定，起出后均无钻头泥包现象（见表4）。

2.3 φ152.4 mmPDC钻头改进设计

因φ155.6 mm钻头通用性差，与建设方协商后将井眼尺寸改为φ152.4 mm，在φ155.6 mmPDC钻头个性化设计的基础上，进一步提高钻头稳定性、攻击性，主要有以下四个方面优化。

（1）增加保径长度。沿用了φ155.6 mm的三长两短的刀翼设计思路，同时在原基础上增加了保径面长度，修改后在定向井滑动钻进时保证工具面的稳定性，在直井钻进中起到防斜打直的作用。

图3 布齿分布图

（2）调整布齿，增加攻击性。减少了主切削齿数量，由17片减少到15片；后倾角由原来的20°～14°减小为18°～12°；侧倾角控制在 0°～10°，通过减小复合片倾角来提高钻头攻击性（见图3）。

（3）优化水力参数。沿用宽深水槽设计，减少刀翼厚度；采用五个可调水眼的水力设计，便于钻头调整水力参数。

（4）调整复合片出韧高度。增加了钻头复合片的出露高度，复合片的出露高度由6 mm提高到8 mm，使钻头在井底工作时增加复合片对地层的吃入深度（见图4），从而达到提高机械钻速的目的。

图4 复合片出韧高度调整

新设计的φ152.4 mm钻头型号为SD6521ZC，在SN134-05（直井）和 SN134-06（定向井）两口井中进行了现场试验，提速效果明显，实现了两趟钻完成（见表5）。该型号钻头能同时兼顾φ155.6 mm个性化设计的SD6531和SD6522两种型号钻头的优点，同时减少了φ155.6 mm井眼更换钻头起下钻次数，从而提高了行程钻速。