钻井提速及钻头优选研究在某油田的应用

罗 曼，和鹏飞，宋峙潮

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

引言

钻井是油气开发的主要工程过程，面临卡、漏、喷等诸多风险，随着国家油气勘探开发形势的发展，各大油田钻井工程呈现向纵深发展的趋势[1-4]。为了提高效率、降低成本，采用科学化、信息化、数字化钻井是新的方向，以提高钻井效率为例，从传统的经验法钻井向科学选型钻头、科学选择钻井参数迈进[5-8]。针对川中东某油田的钻井提速问题，进行了研究与相关应用。

1 项目简介

井身结构:该区块位于川中东部。以探明须家河油气为主，完钻层位雷口坡或须一，垂直井深2 300 m 左右。某129井用时28.25 d 钻进至井深2 328 m 顺利完钻，平均机械钻速5.94 m/h，见表1。某131 井用时50.54 d 钻进至井深2 803 m 顺利完钻，井斜73.89°，位移733.5 m，平均机械钻速4.20 m/h，见表2。某140 井用时21.62 d 钻进至井深2 440 m 顺利完钻，平均机械钻速7.37 m/h，见表3。

表1 某129 井井身结构实际数据表

表2 某131 井井身结构实际数据表

表3 某140 井井身结构实际数据表

2 提速难点

（1） 地层夹层多。沙溪庙、凉高山和自流井组地层为泥岩、页岩砂岩夹层，均质段短，软硬交错明显、钻头绷齿严重，不利于钻头选型和判断。

（2） 须家河地层可钻性极差。须家河地层以砂岩泥页岩为主，砂岩岩性致密，可钻性差，厚度在450 m～600 m 左右，同时该段油气显示活跃，钻井液密度相对较高，仍是制约本区块提高钻速的一个瓶颈，起钻换钻头频繁。目前还没有优选出成熟的适合该地层的PDC 钻头。

（3） 油气显示频繁。从沙一、凉高山、大安寨、东岳庙到须六、须五、须四、须二都能见油气显示。井控风险大，如钻遇高压层因频繁压井影响时效。

（4） 本区块上部地层坍塌严重，造成机械钻速较低，起下钻遇阻严重等问题。若同时出现大井眼，钻井设备能力不足，将导致井下携砂困难，发生钻头憋跳和起下钻遇阻频繁，严重影响钻井周期。

（5） 轨迹控制上经验不够成熟，四合一钻具稳定性不高，须家河滑动钻进效率很低。

3 提速及钻头优选关键技术

3.1 钻压和转速优选实验

为了确定最优钻井参数，在现场做了如下实验，首先要选择可钻性比较均匀的地层。根据钻井经验，分别记录了某 -24-X4 和某-55-X1 井在沙一段的钻时，见表4。可以看出沙一段的可钻性比较均匀，所以选择某-55-X2 井沙一段地层进行实验。确定实验井段：由表4 的钻时记录得，实验可以选择1 150～1 180 m 和1 180～1 202 m两个井段。确定实验参数：在1 150～1 180 m 井段保持钻压80 KN不变，转速的变化区间为30～90 rpm；在1 180～1 202 m 井段保持转速60 rpm 不变，钻压的变化区间为20～120 KN，依次在两个井段选择7 个点和11 个点进行实验。根据表5 的钻时记录数据分别作图1 和图2。

表4 沙一段钻时记录表

表5 某-55-X2 沙一段钻时记录表

分析图1 得：

图1 转速-钻速曲线(W=80 KN)

（1） 机械钻速与转速的关系为指数关系,且指数小于1。可用如下形式表示：

式中：vpc-钻速，m/h；n-转速，rpm；λ-转速指数，一般小于1。

（2） 随转速的增大，转速指数是逐渐变小的，并且钻速存在最大值。

分析图2 得：

图2 钻压-钻速曲线(n=60 rpm)

（1） 本试验钻压在20 KN 之前基本是没有进尺的，也就是说该钻头在本地层的门限钻压等于20 KN。

（2） 机械钻速在一定限度内与钻头压力的增大成比例地增长，图中的区间为40～90 KN 的范围。由图可得钻压与钻速可表示为：

式中：W-钻压，kN；M-门限钻压，kN。

（3） 当钻压高于某一数值时，钻压的增加不会使钻速变快，反而有变慢的趋势，然后趋于一个稳定值。

3.2 PDC 钻头19 mm，16 mm，13 mm 复合片现场选型对比

为了确定钻头选型的最优化，在现场做了如下对比实验，根据实钻记录同井场不同两口井数据对比。如某-55-X2 井和某-55-X3 井数据统计表（表6）。由统计数据结合PDC 钻头现场使用情况，并依据PDC钻头的特性，分析总结得出以下结论：

表6 某-55-X2 和某-55-X3 数据统计表

（1） 表层钻进和二开钻进沙西庙东岳庙地层，地层可钻性比较稳定，选择19 mm 复合片的PDC 钻头钻进是比较成熟的方式，19 mm 复合片的PDC 钻头选型应注重刀翼部齿攻击性较强，同时也减弱了抗磨损的能力，所以在使用中应注意保持稳定的转盘转速和送钻的均匀性。在前期钻压使用上保证钻压维持在4～8 t 合理范围之内，转速控制在55～60 +L 左右，防止钻头出现前期磨损过大。尤其在凉高山含有灰黑色页岩和泥质细沙岩不等互层钻时波动较大，为防止泥包现象卡钻，适当上调转速，调整泥浆性能。

（2） 二开钻进至完钻选择16 mm 复合片的PDC 钻头主要注重在钻头的抗磨性，同时保证较快的机械钻速。由于珍珠冲以后的地层可钻性差，主要以中沙岩和细沙岩为主。16 mm 复合片的PDC钻头布齿较密接触地层点多、吃入地层深度较浅，在钻进过程与中硬地层之间冲击力较小，不容易出现断齿和掰齿现象，从而保持以较稳定的钻时钻进，减少了起下钻次数。19 mm 复合片的PDC 钻头使用不理想，钻头钻进至珍珠冲地层易出现泥包且磨损剧烈，单只钻头进尺只有20～30 m 就出现锥形磨损（如某-55-X2 在珍珠冲1 681～1 901 m 处）。主要原因在钻头刀翼排屑槽过深，泥岩容易随钻头慢慢挤入刀翼之间形成泥包，PDC 布齿较希接触地层点少、冠部突出复合片吃入地层较深，钻进中与中硬地层之间的剪切冲击力过大而出现掰齿和断齿现象，在冠部突出复合片出现缺失，从而使钻头刀翼出现磨损加剧现象。

（3） 三开须家河- 完钻选择13 mm 复合片的PDC 钻头。三开钻头尺寸主要以6″和5-7/8″为主，19 mm 复合片和16 mm 复合片布齿过于稀疏不能保证接触地层点多、吃入地层深度较深，不能保证钻头的抗磨性。此段使用13 mm 复合片的PDC 钻头是为保证单只钻头较快的机械钻速，同时保证单只钻头的进尺。注意PDC 和螺杆的合理使用，在须六和须四段主要以细沙岩和页岩为主，地层研磨性强，PDC 转速不宜过高，主要以常规钻具加PDC 或牙轮钻头。

4 现场实际应用

以实验-对比-总结-调整参数的模式对各个地层进行参数优化，同时结合了牙轮钻头的使用。在该地区PDC 钻头使用情况起到较好的应用效果。某129 井创下在该区块三开探井钻井周期最短纪录。其中二开用时9.47 d，机械钻速7.82 m/h，创造了该队在该区块二开一趟钻、二开完钻周期最短、机械钻速最快、纯钻时率最高四项纪录。某131 井是在该区首口大尺寸、大斜度、大位移气探井。某140 井再次刷新该区块三开探井钻井周期最短纪录。其中单只钻头进尺达到1 166 m，成功地完成了“二开沙二至须六单只钻头一趟钻试验”，创造了该区块三开探井单只钻头进尺最高新纪录。

5 结论

（1） PDC 钻头在现场使用效果证明，在不同的地层中，PDC 钻头的钻压和转速存在最佳参数组合。该地区地层差异性大，同层之间夹层较多，现场须经常实验对比及时调整钻井参数，实现快速钻进。

（2） PDC 钻头选型优化需针对地层的可钻性，泥岩的含量，以及设计井眼的大小选择不同大小的复合片，同时注意使用过程利用钻头的优势和弱点合理调整技术参数。