提高钻井速度配套技术的研究与应用

徐响

摘要：针对影响江苏油田钻井速度的主要原因，对提高钻井速度的配套技术进行了研究，初步形成了直螺杆钟摆、反钟摆、柔性加压器鐘摆、单弯双稳组合等有利于提高机械钻速的新型钻具组合系列。通过高效PDC钻头的优选与应用，新型工具的研制与推广应用，引进柔性加压器，在减轻大斜度井、水平井的托压问题起到了较好的作用。

关键词 ：钻井速度   钻具组合  PDC钻头   新型工具

Abstract： In view of the main reasons affecting the drilling speed of Jiangsu Oilfield， the supporting technologies to improve the drilling speed are studied， and a new BHA series conducive to improving the mechanical drilling speed are preliminarily formed， such as straight screw pendulum， reverse pendulum， flexible pressurizer pendulum， single bending bistable assembly and so on. Through the optimization and application of high-efficiency PDC bits， the development and popularization of new tools， and the introduction of flexible pressurizer， it has played a good role in alleviating the problem of supporting pressure in large deviated Wells and horizontal Wells.

Key Words： Drilling speed; BHA; PDC bit; New tools

江苏油田地处水网地带，地下构造复杂，断层繁多，属复杂小断块油田。随着勘探开发的深入，井身质量要求越来越高，使得施工难度越来越大，机械钻速慢已成为影响勘探开发速度的技术瓶颈之一。

钻井速度慢的原因主要有：（1）钻具组合及钻井参数未进行优化;（2）PDC钻头未进行精细选型，在有些区块和有些井上使用效果并不是很理想;（3）PDC钻头在大斜度井段特别是水平井滑动送钻困难，影响机械钻速及施工速度。

1新型钻具组合的研究与应用

1.1新型直井防斜打快钻具组合

1.1.1直螺杆钟摆组合

直螺杆钟摆防斜组合的实质仍然是钟摆钻具防斜，不同之处在于钻头转速提高了数倍，利用螺杆的高转速，提高钻具的纠斜能力。适用范围：在地层倾角较小区块、软到中硬地层推荐使用。

1.1.2反钟摆钻具组合

钟摆钻具因其纠斜理论和结构特点所限，在纠斜过程中必须减压吊打，因此机械钻速很慢，只能以牺牲经济利益的方式来换取井身质量。为了解决钻压与防斜的矛盾，应用了反钟摆钻具防斜打快技术。适用范围：在地层倾角较大、地层硬度高的区块推荐使用反钟摆钻具，如玄武岩、辉绿岩等需降斜的井段[1]。

反钟摆钻具组合防斜的基本原理是通过合理设计钻具组合的刚度，即第一稳定器以下采用柔性钻具，使钻具组合第一稳定器与上井壁接触，可使下稳定器处内弯矩的绝对值减小，从而得到较大的降斜力，从而把钻压变为有利于降斜的因素，突破了常规钟摆钻具中“钻压帮助增斜”的传统观念，因而把钻直与钻快统一起来。有以下特点：（1）第一稳定器抵上井壁;（2）第一跨挠度向上;（3）钻压产生降斜力，钻压越大，降斜力越大;（4）钻头倾角向下（At<0）有助于降斜。

其中沙19块定向井多为五段制定向井，施工难点：在垂深1610～1800m发育有火成岩，且该井段往往设计为降斜井段。在火成岩井段使用常规钟摆钻具钻进，钻压不能强化，机械钻速低;其次，根据以往已钻井经验，该地区降斜难度大，下部挂直井段降斜率小。为提高沙19五段制井的施工速度，在沙19-68、沙19-72井的下部挂直井段试验了反钟摆钻具组合，取得了较好的效果。沙19-68井由于反钟摆钻具钻进时，强化了钻压至160～200kN，机械钻速也相对较高，达到9.59m/h，与同一区块相同段最高机械钻速的沙19-50相比，机械钻速提高了8.1%。

1.1.3柔性加压器钟摆钻具防斜打快技术

柔性加压器是一种能量转换装置，是利用循环泵泵压为动力把液压能转化为钻压的一种新的钻井工具。柔性加压器钟摆组合是柔性加压接头直接接在钻头上，通过改变钻压的加压方式，有效减小稳定器以下钻铤的弯曲程度，使钻头偏角减小，提高了钻进速度，较好地解决了直井段小钻压吊打的问题。在陈1井、堡6井施工中，由于地层问题，常规钟摆钻具组合井斜难以控制，另井深、地层可钻性差、钻时慢，若采用钟摆钻具轻压吊打方式，钻时极慢且效果不明显，钻压稍微加大一点则井斜增大，既影响了井身质量，又导致频繁起下钻。为保证井身质量，又能提高施工速度，开展了柔性加压器钟摆组合在直井（直井段）进行防斜打快的试验，取得较好的效果[2]。

1.2新型单弯双稳钻具组合

为解决连续导向钻具组合复合钻进的稳斜问题，应用了单弯双稳组合。适用范围：剖面设计最大井斜小于25°的定向井，通过滑动钻进与复合钻进相结合，待增到最大井斜角后，强化钻压进行稳斜钻进，避免使用单弯单稳组合进行稳斜钻进时，为使复合钻进时实现稳斜，使用小钻压钻井，或井斜达到最大值后，为继续复合钻进，需降斜滑动钻进[3]。

为减轻单弯双稳钻具组合的上稳定器对滑动钻井的托压的影响，对单弯双稳钻具组合的上稳定器进行了改进，研制了专用的复合钻井专用稳定器。以往选用常规稳定器，外径有效长度较长，外径达Ф212～Ф214mm，有效长度达0.78m。专用稳定器有效长度改为0.25m，外径改为Ф208～Ф210mm，减少与井壁接触面积，减少摩阻，减轻托压。经过多口井试验，效果较好。

1.3新型稳斜组合

在易降斜地层中，若采用常规微增组合来稳斜，若把钻压加大，则增斜，起不到稳斜的作用，若钻压降低，虽然能够稳斜，但影响了机械钻速。通过力学分析，针对江苏油田由于井深等原因致易降斜的井段，在轨迹控制要求井斜必须稳住，既不能增得够多，也不能降低时，设计了一种新型的稳斜组合：φ216 mmBIT +φ214 mmSTB+φ159 mmDC×1+φ214 mmSTB+4A11×4A10+φ159 mmNDC×1+φ159 mmDC×1+φ214 mmSTB+φ159mmSDC×9+4A11×410+φ127mmHWDP×21。适用范围：在阜宁组等易降斜地层稳斜钻进。经在周X61等井的试验，取得了较好的稳斜效果。

周X61井为一口高难度定向井，地层复杂，地层易降斜，常规稳斜钻具易降斜。在该井施工中，试验了新型的稳斜钻具组合，既取得较好的稳斜效果，又取得较好的机械钻速。在2577.10～2795m井段，使用常规稳斜斜组合钻进，增斜率为-1.93°/100m。在2795～3119m井段，使用新型稳斜组合钻进，增斜率为-0.13°/100m，基本为稳斜。该井实际井深3119.00m，钻机月速度2093.29m/台月，平均机械钻速6.76m/h。

2高效PDC钻头的优选

采用主成分分析法对江苏油田现用钻头进行优选，并利用测井资料，结合室内岩石可钻性试验，建立岩石可钻性剖面，为钻头合理选型提供科学的依据。从江苏油田的地层岩性来看，江苏第三系地层为中软地层，主要以砂泥岩为主，地层有大段泥岩，比较适合PDC钻头钻进，但分散性强、容易泥包钻头。经过研究认为：江苏地层除比较适合5-6刀翼的PDC钻头钻进外，也适合四刀翼钻头钻进，而且更有利于机械钻速的提高[4]。

在瓦庄、沙埝等区块推广使用4刀翼PDC钻头，松软地层中使用4刀翼PDC钻头有以下优点：比压高，机械钻速相对比5刀翼PDC钻头高;刀翼少不易泥包;起钻抽吸压力小，减少了井下复杂。4刀翼钻头使用地区包括沙埝、富民、瓦庄、码头庄、许庄等多个地区，使用地层从盐城组到阜宁组的整个第三系地层。使用最深井深3080m，有10只钻头一次入井进尺超过1000m。富136井二开下入“4刀翼PDC钻头+单弯螺杆”钻进，一趟钻从298.00m钻进至2363.13m，进尺达到2065.13m，平均机械钻速达到16.63m/h。曹13-1井使用的型号为216FL1654M的4刀翼PDC钻头，从井深543.87m钻进至井深2337.40m，进尺1793.53m，机械钻速达到16.50m/h。

3柔性加压器在减轻水平井托压中的应用

柔性加压器接在常规钟摆组合上，有利于防斜打直，而且在定向井、水平井使用柔性加压器，可以克服钻具摩阻作用而致使加不上钻压或加压不准的弊病，能使在斜井段或水平段钻进的钻头获得稳定、足够的钻压，即能有效减轻大斜度井、水平井的托压问题，从而加快定向井、水平井的施工速度。目前，已在陈2平2、庆丰21-1等井中进行了试验，取得较好的效果[5]。

陈2平2井为一口水平井，实钻井深2423m，水平位移652.19m，最大井斜角92.10°，水平段长370m。该井在钻至1954.32m，井斜为72°时出现托压，送钻时憋泵次数增加，机械钻速也有所降低。1954.32～2055m井段，使用PDC鉆头钻井，机械钻速由1830.02～1954.32m井段的13.08m/h减为5.73m/h。此时起钻下入牙轮钻头钻进，托压现象有所好转，但钻头使用时间有限。为使用PDC钻头钻进，且能有效减轻托压，下入柔性加压器进行减轻托压的试验。托压现象明显减轻，送钻时憋泵次数大为减少，机械钻速明显提高，该井段机械钻速达到了11.64m/h。柔性加压器能一定程度的解决大井斜后的托压问题，对仪器解码影响较小[6]。

4认识与建议

（1）加大直螺杆钟摆、反钟摆、单弯双稳等新型钻具组合及四刀翼PDC钻头的推广应用力度，是提高钻井速度的关键。

（2）柔性加压接头在减轻大斜度井段滑动送钻困难方面，取得了一定的成效，但PDC钻头在大斜度井段及水平井中滑动送钻困难，影响机械钻速及施工速度的问题还未完全解决，还有待进一步研究。

参考文献

胡郁乐，胡晨，张恒春，等.钻头泥包原因分析及松科二井防泥包钻井液的应用[J].煤田地质与勘探，2020，48（5）：254-261，268.

[2]刘学通.顺煤层瓦斯抽采钻孔施工偏斜控制技术研究及应用[D].淮南：安徽理工大学，2020.

[3]陈炼.旋转齿单牙轮PDC钻头破岩机理及设计方法研究[D].成都：西南交通大学，2019.

[4]苏义脑，路保平，刘岩生，等.中国陆上深井超深井钻完井技术现状及攻关建议[J].石油钻采工艺，2020，42（5）：527-542.

[5]李泉新.煤矿井下复合定向钻进及配套泥浆脉冲无线随钻测量技术研究[D].北京：煤炭科学研究总院，2018.

[6]王敏生，光新军.智能钻井技术现状与发展方向[J].石油学报，2020，41（4）：505-512.