灰质泥岩地层钻井提速技术研究

韦丙珂

摘要：济阳坳陷部分区块的沙三段地层以灰质泥岩为主，塑性系数高，可钻性级值较高，硬度中等，钻进时体积破碎困难，机械钻速慢，同时砂-泥岩互层多钻具蹩跳严重，大幅降低钻头的寿命，根据钻头破岩机理设计研制了微心PDC钻头，为解决钻头憋跳的问题研制了恒扭矩工具，配套形成灰质泥岩地层钻井提速技术开展了现场应用，与邻井相同井段相比，节省两趟钻，单只钻头进尺是邻井PDC钻头的2.2倍，平均机械钻速7.83m/h，比邻井提高39%，具有良好的推广应用前景。

关键词：机械钻速;微心钻头;恒扭矩工具;灰质泥岩

济阳坳陷下部地层，特别是部分区块的沙三段地层以灰质泥岩为主，岩性较硬，机械钻速慢，特别是在很多深井、探井中，机械钻速只有不到1m/h，选用牙轮钻头起下钻频繁，选用PDC钻头容易泥包，地层适应差，且缺少配套的提速提效工具。因此迫切需要研发一种适应下部泥岩地层的钻井提速技术，满足钻井提速的需要。

1  提速难点分析

室内实验结果表明，济阳坳陷沙三段灰质泥岩塑性系数高（5-7），平均可钻性级值5.26，研磨性2-4级，硬度100-500MPa，造成钻进时体积破碎困难，机械钻速慢（1m/h左右）。

实钻情况表明沙三段砂泥岩互层多，如图1所示，钻具扭矩波动大，软硬交替钻具蹩跳严重。这些剧烈的冲击载荷将会大幅降低钻头的寿命，降低机械钻速。另一方面，扭矩的过量累积容易损坏一些精细的工具，例如旋转导向工具、MWD等。

2  提速原理

在旋转钻井中，钻头与地层相互作用的能量E主要有两部分，旋转产生的动能Ex和震动产生的冲击能Ez：

式中：Ez—冲击能，J;Ex—动能，J;Fz—冲击力，N;N—扭矩，Nmm;d—切削深度，mm;V—破碎的地层体积，mm³。

根据式（3），钻头与井底接触各部位的动能相差较大，在钻头最外部的部位，切削能和切削速度越大，而钻头轴线上速度为0，破岩能量也为0。此时轴线上的岩石破碎只能依靠钻头的冲击能，因此破岩效率低，从而降低了钻头的整体机械钻速。

3 微心PDC钻头的研发

为提高机械钻速，防止钻头轴线附近因动能不足引起的机械钻速下降，研发了针对轴线部位破岩的微心PDC钻头^[1-2]，其核心思想是尽量避免直接切削钻头轴线上的的岩石，而是通过特殊的断心设计使心部的岩石整体断裂，从而形成一定直径的岩心，既提高了机械钻速，又提高了岩屑的研究价值。

（1）型心结构设计。重点优化设计了布齿结构，在钻头的轴线部位空置，钻头与地层接触时，钻头的轴线部位会通过旋转磨削形成一个圆柱状的小岩心，简称为微心。

（2）断心结构设计。通过优化，钻头轴线上靠近基体部位与钻头轴线设计为具有一定倾斜角度的斜面，主要作用是随着钻头在地层中不断深入，微心不断增长，当微心顶端碰到斜面时，斜面会对微心形成一个反作用力，方向与岩心轴线呈一定角度，当作用力超过岩心的断裂极限时，岩心断裂。

（3）返心结构设计。岩心断裂后会进入钻头排屑槽，考虑微心的尺寸，同时为了尽量提高微心的收获率，并使其顺利返回地面，因此与断心结构想通的排屑槽进一步加宽加深，同时通过水力学模拟分析对钻头水力结构进一步优化，以提高流量和流速。

4 恒扭矩工具研发

为解决软硬交替互层钻具蹩跳问题，根据钻头扭矩控制技术，利用预设扭矩阀值来动态平衡井下扭矩。恒扭矩工具通过钻压来有限控制钻头的切削深度，使用旋转转矩作为输入控制参数，通过简单有效的方式抵消地层软硬交错产生的转矩突然变大和粘滑^[3]。工作原理是将引起钻头蹩钻的转矩转化为BHA的轴向收缩，降低钻压，减少切削齿吃入深度，维持继续旋转。

5 现场试验情况

G171井是一口勘探评价井，完钻层位中生界孔店组。该井中下部地层沙一段至沙四段含有多套致密泥岩、砂岩，邻井实钻数据表明，該段机械钻速较慢，钻头磨损严重。根据该井的具体岩性特点针对性的优选了微心PDC钻头+恒扭矩工具+螺杆钻具的提速方案并在该井取得了突出的使用效果.

钻具组合于3开2756m沙三段下井，钻至3300m沙四段起出，进尺544m，起出后钻头和工具新度都在95%以上，还可以继续下井。相比邻井GX17井相同井段，节省两趟钻，单只钻头进尺是邻井PDC钻头的2.2倍，平均机械钻速7.83m/h，比邻井提高39%。

6 结论

（1）沙三段灰质泥岩塑性强，可钻性级值高，体积破碎困难，同时砂泥岩互层钻具蹩跳严重，影响钻头寿命，是该地层机械钻速慢的主要原因。

（2）为提高泥岩的机械钻速，设计研制了微心PDC钻头，提高了钻头心部破碎效率，也增大了岩屑的直径。

（3）为有效解决钻头憋跳问题，研制了恒扭矩工具，可有效保护钻头，提高钻头使用寿命。

（4）现场试验结果表明，采用微心PDC钻头配合恒扭矩工具和螺杆动力钻具显著提高了机械钻速和钻头进尺，具有良好的推广应用前景。

参考文献

[1]刘竞，高含，陈光碧，等. 微取心PDC钻头试验及评价[J]. 钻采工艺，2014，37（3）：34-35

[2]霍新. 关于微心钻头提高机械钻速的研究[J]. 辽宁化工，2015，44（10）：1213-1214

[3]陈勇，陈若铭，张兴国，等. PDC钻头反扭矩分析及控制技术[J]. 石油矿场机械，2010，39（5）：59-61

作者简介：韦丙珂（1970.3-）男，汉族，山东省禹城县人，中石化胜利油田分公司石油工程监督中心河口监督站，高级工程师，主要从事钻井工程监督管理工作。