大尺寸井眼机械钻速因素分析与提速策略

黄凯

摘要：近年油田区块大尺寸井眼日益增多，存在钻速较慢的问题。特别是随着油田深井、超深井钻井数量不断增加，大尺寸井眼钻进深度也在不断加深，为适应这种钻井生产的需要，本文分析了大尺寸井眼机械钻速低的主要原因，提出改变钻进参数、钻具结构和钻井液体系等措施，从而提高大尺寸井眼的机械钻速，降低钻井成本和缩短了施工周期，为实现优质快速钻井提供了技术依据。

关键词：大尺寸井眼钻头;破岩体积;井身结构;大功率泵组;钻速

随着油气田勘探开发的不断深入，深井、超深井钻井数量不断增加，同时，深井、超深井大尺寸井眼的深度也在不断增加。陆上油田井深 5000～ 6000m 的井，ф311.1mm 井眼一般要钻深 4000～5500m，才能满足井身结构的要求。为了安全钻进，ф444.5mm 和 ф311.1mm井段固井设计时一般要求套管尽量下深一些。 随着大尺寸井段的加深，机械钻速慢的问题越来越突出，而且已严重影响到全井的钻井周期和钻井成本，从而影响整个油田勘探开发的速度。 当前，如何提高深井大尺寸井眼的机械钻速已成为必须解决的首要问题。

一、大尺寸井眼机械钻速低的主要原因

1.机械破岩能量严重不足

大尺寸井眼钻头的破岩体积大，如 ф444.5mm 钻头的破岩体积是ф215.9mm 钻头破岩体积的4.24倍，ф311.1mm 钻头的破岩体积是ф215.9mm钻头破岩体积的2.08倍。从目前国内钻井实际情况来看，施加在钻头上的钻压比较小，ф444.5mm 与 ф311.1mm 钻头上的钻压一般均在 200kN 左右，转速一般为60～ 80r/min。 显然钻头在井底的机械破岩能量（单位面积上的钻压×转速）严重不足。其钻头齿很难吃入岩石，破岩方式主要以研磨为主，而不是体积破碎，导致钻头破岩效率很低，从而影响了机械钻速的提高。 而国外深井钻井中施加在ф444.5mm钻头上的钻压一般为 400～500kN，ф311.1mm 钻头上的钻压一般为 250～300kN，同时钻头转速高，一般在 250～400r/min。 显然，钻头的机械破岩能量很大，从而机械钻速较高。

2.大尺寸钻头类型少、结构单一

目前，国内大尺寸钻头市场需求量小，钻头生产厂家缺少对新产品的研制和开发，导致钻头类型少、结构单一，钻头的选择余地非常小，使钻头与地层总的适应程度非常低。国内大尺寸牙轮钻头只适宜钻软地层，随着大尺寸井段的加深，地层逐渐变硬、可钻性变差，现有的钻头已不能满足钻深部大尺寸井眼的要求。而 PDC 钻头虽然具有高钻速长寿命的特点，但因其特殊的技术要求，限制了大直径 PDC 钻头的广泛应用。 若从国外进口大尺寸钻头，费用太多，导致钻井成本太高，不可取。

3.钻头水力能量小、井底不洁净

钻进大尺寸井眼时产生的岩屑量要远多于常规井眼，要及时清除这些岩屑，必须配备大功率的钻井泵组，同时使用大尺寸的钻杆，以减少沿程压耗，提高钻头压降。 而目前大部分井队只配备两台钻井泵及ф127mm 内加厚钻杆，在 50～ 60L/s 的钻井液排量下，大部分的水力能量消耗在钻杆内部，钻头可利用的水功率急剧下降，很难及时清除井底的岩屑，出现井底垫层，造成了岩屑重复破碎，甚至钻头泥包，导致钻头的机械钻速下降。

4.井壁不稳定的影响

导致井壁不稳定的因素包括化学和力学两个方面。就深井钻井来讲，主要表现在：由于钻井液密度小于地层坍塌压力当量密度，造成井壁失稳;由于易塌地层在钻井液中浸泡时间长，引起地层水化膨胀、坍塌及缩径等，造成卡钻事故;因井身结构设计不合理，多套压力层系在同一裸眼井段出现，钻井液的密度较难选择和控制，增加了坍塌或井漏的可能性;钻遇盐膏层、漏失层、裂缝、溶洞、渗透性好的地层引起的地层坍塌或缩径等。这些都增加了施工难度，降低了钻井速度延长了钻井周期，明显增大了钻井成本。

5.憋跳钻严重，不仅影响钻速，同时易造成井下事故

深井钻井经验表明，随着大尺寸井段的加深，牙輪钻头的憋跳现象尤为突出，钻头在井底的有效钻进时间不到50%，严重影响了机械钻速的提高。其主要原因是牙轮钻头存在超顶、移轴、复锥，牙轮在井底滚动时常伴有的粘滑运动，从而造成了钻柱的扭转振动，即钻头旋转速度变化很大，转速极不均衡。

二、提高钻速的对策

1.优化井身结构

在钻井工程设计时，应利用邻井的地震资料、测井资料、钻井资料，对地层的孔隙压力、破裂压力、坍塌压力进行预测，以推荐合理安全的钻井液密度窗口和各层套管下入深度，以避免在钻进过程中出现地层坍塌、井漏、卡钻等一系列井下事故。在一些复杂地层和深探井套管设计时应留有余地，以便于必要时能多下一层套管。

2.采用大尺寸钻杆、钻铤，大功率泵组

采用 ф139.7mm 或者ф163.3mm 钻杆将有利于降低大尺寸井眼内的循环压耗，同时，采用大功率钻井泵组提高泵压和钻井液排量，大幅度提高钻头井底水功率和喷射速度，从而有效地净化井底、及时清除岩屑，提高大尺寸井眼的机械钻速。

3.采用井下动力钻具提高机械破岩能量

采用井下动力钻具可以大大提高钻头的转速，提高钻头的机械破岩能量，从而提高机械钻速。运用井下动力钻具还可以改善钻柱的受力情况，避免或者减少了钻柱的疲劳损坏，同时，还减少了钻柱与套管之间的磨损和破坏。目前油田采用井下动力钻具钻进深井大尺寸井眼，机械钻速比采用旋转钻进要提高30%～60%。

4.使用减震器或悬浮器，防止钻具憋跳

减震器或者悬浮器，能够吸收或减缓钻柱的振动和冲击载荷，维持正常的扭矩和钻压，有利于消除钻具的跳动，提高机械钻速，同时还可以提高钻具的使用寿命，避免井下断钻具、掉牙轮等事故的发生。

5.使用 PDC 钻头

PDC 钻头具有高钻速和长寿命的优点，但 PDC 钻头的使用有其技术要求，需要进行适应性选择的对应性设计。通过邻井钻头的使用记录及测井资料，用专门的软件处理，以确定各种地层的岩石力学参数，由此计算出破碎地层岩石所需的能量，然后设计并制造出相应的 PDC 钻头，供现场使用。

6.完善大尺寸钻头的结构和系列

根据大尺寸钻头的破岩机理及地层岩性特点，对大尺寸钻头齿面结构、水眼结构进行合理设计，研制和开发新型大尺寸钻头，完善大尺寸钻头的结构和系列，以满足深探井大尺寸井段钻进的需要。

三、结束语

随着油气田深井、超深井钻井数量不断增加，然而深井上部大尺寸井眼的机械钻速低的问题十分突出，而且已严重影响到全井的钻井周期和钻井成本，影响油田向深部勘探开发的速度。分析了影响深井大尺寸井眼机械钻速的原因，并提出了相应的对策。

参考文献

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[2]复合钻井技术在元坝地区陆相地层中的应用[J]. 董明键，肖新磊，边培明.  石油钻探技术. 2010（04）

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（作者单位：中石化胜利石油工程公司黄河钻井总公司SP281队）