深层水平井钻头优选与应用

深层水平井钻头优选与应用

李星杰

中石化江钻石油机械有限公司

湖北省武汉市 430000

摘要：近年来，我国的水平井建设有了很大进展，在深层水平井中，钻头的应用十分广泛。深层侧钻水平井可以修复报废井、低产井和套损井，提高老井的利用率、延长油井寿命，从而达到降本增效的目的。本文首先分析影响机械钻速因素，其次探讨深部地层钻头优选，最后就钻头泥包预防以及其他施工措施优化进行研究，以供参考。

关键词：钻头优选；可钻性；钻井速度

引言

三维水平井指的是实际井口到入窗点的闭合方位与水平段靶体方位不在同一条直线上的井。为实现安全快速钻井，需要提前设计入靶，优化井眼轨迹，提高造斜点完成现场轨迹控制的精确控制。

1影响机械钻速因素分析

（1）当钻头磨损程度越高时机械钻速越低，因此要提高机械钻速所选钻头必须要有较厚的金刚石复合片，较强的耐磨性。（2）根据最优自由面原则，钻头的剖面形状应接近无限长的抛物线，因此所选钻头冠部应尽可能平滑。（3）随着切削齿磨损高度的增加，磨损面积也随之增加。在相同的磨损高度下，使用的复合片直径越大，其磨损面积也越大，因此要保持恒定的钻速就必须使用较小的复合片。（4）因为切削齿的磨损速度与切削齿的受力（轴向力、切削力）有密切关系，而切削齿的受力又与切削齿的切削面积有关，切削面积越大，切削齿所受的轴向力、切削力也呈指数增加。为了降低切削齿的磨损速度，提高钻头的耐磨性，所选PDC钻头应采用高密度布齿。（5）切削齿的受力随着后倾角的增大而增大，对于较硬地层后倾角越小，切削齿越容易吃入地层，钻进速度越快。

2深部地层钻头优选

2.1开展多学科钻前地层可钻性预测

针对深层地层特性差异大的特点，综合应用探、测、录技术，开展了以三压力、岩性剖面、可钻性为主的多学科地质预测技术研究，优选了计算方法，形成了数据平台。应用该平台计算了119口已钻井岩石可钻性级值等数据，绘制了平面分布图。可预测区块待钻井岩石可钻性，为井身结构优化、钻头优选与改进提速技术提供了依据。

2.2井下动力钻具的优选

井下动力钻具可在钻井液流动的冲刷下将钻井液的动能部分转化为钻进过程中需要的机械能，一方面可以达到提高机械钻速的目的，另一方面还可以减少起下钻频率，从而降低等停时间，提高钻井施工效率。井下动力钻具主要包括弯螺杆、旋转导向工具、涡轮钻具和液动旋冲工具等。在对井下动力钻具进行优选时重点要考虑的问题有：待钻井眼的尺寸和造斜率要求、选用的钻井液综合性能、待钻地层的地质条件和最高井底温度、循环排量等。

2.3井眼轨道设计优化

针对页岩气水平井空间三维特点，将五段制三维轨道优化为“双二维+小三维”轨道。为适应不同横向偏移距、不同靶前距、不同储层埋深、不同地层厚度的需要，形成了“直+微增+增+稳”、“勺式负位移”等多种针对性的“双二维+小三维”轨道。具有以下优点：在垂直剖面内浅层地层造斜，预增斜处理，增大降斜后直井段与邻井的间距，从而降低相邻井相碰的风险；井眼轨道直接在易钻的龙马溪组地层调整方位增斜，可避免常规三维水平井扭方位的作业，进一步降低轨迹控制难度并且增大水平井与储层的接触面积。利用软件对摩阻扭矩分析表明，与“常规三维”相比，“双二维+小三维”井眼轨道钻进扭矩降低9%、摩阻降低13%。与“双二维”井眼轨道相比，摩阻扭矩基本相当，但总进尺更少。为优快钻完井及后续压裂施工作业创造力有力条件。

2.4非平面齿PDC钻头试验

为探索基岩地层提速，突破PDC使用极限，引进试验了休斯顿研发中心非平面齿PDC钻头。试验表明，在LT-1井进尺和钻速指标较好，可进一步试验应用；但在LT-2井的花岗岩地层钻进，钻头磨损严重，尚不适应该地层。

2.5个性化高效PDC钻头优选

如威荣区块通过优选PDC钻头，采用“个性化PDC钻头+高效长寿命螺杆”的复合钻井方式提速，取得显著效果。二开须家河组为砂岩、页岩互层，局部或含少量石英砂岩；雷口坡组以灰岩、白云岩为主；嘉陵江以泥质灰岩、白云质灰岩为主，该段整体可钻性较好。PDC钻头选用5刀翼16mm复合片、大齿间距，提高攻击性，适合强化参数钻进。飞仙关组~茅口组以灰岩、白云岩为主，可钻性较好，但局部含石膏（嘉陵江底部），紫红色泥岩（飞仙关中上部）、铝土质泥岩（龙潭），膏岩和泥岩质纯，塑性强，常规PDC钻头吃入效果差，机械钻速低。通过优化PDC钻头复合片尖齿齿形为宽顶尖齿，提高抗冲击性。茅口、栖霞组岩性以灰岩为主，含黄铁矿、隧石结核，冲击性和研磨性强，PDC易崩片和磨损、导致环磨；梁山组~石牛栏组为灰色泥岩、绿灰色泥岩，质纯，塑性强。选用能量平衡的混合钻头或抗研磨的5刀翼PDC钻头。

2.6钻具扭摆系统应用

目前顶驱设备具有顶驱扭摆系统，在滑动钻进时顶驱进行左右转动，减少钻具摩阻，提高滑动钻进施工效率。在实际使用过程中，根据实钻情况将扭摆限定扭矩调整到复合钻进的75%~85%，可以有效减少托压现象，提高滑动钻进效率。

3钻头泥包预防

充分了解造成钻头泥包的主要因素，根据具体情况，制定出合理的预防及处理措施，可以解决PDC泥包的问题。（1）纸坊组中部、石千峰组及石盒子组上部泥岩地层泥质含量高，易造成泥包的层位，钻进时加强监控，发现征兆及时采取冲刷钻头的处理措施，避免盲目钻进。（2）在钻遇易泥包地层时及时调整泥浆性能，降低泥浆的粘切及劣质固相，提高泥浆的抑制性。（3）科学合理安装钻头水眼的大小及尺寸，新入井钻头到井底后大排量充分循环清扫井底，送钻均匀，观察记录好钻时、扭矩和泵压几个关键参数。

4其他施工措施优化

深层侧钻水平井施工过程中要尤其注意井眼的净化和钻具的受力情况。重点从提高井眼净化效果、保持井壁稳定、提高钻井液润滑性等几个方面进行优化。(1)井眼净化措施。在井斜角发生变化时，钻井液不同的流态会产生不同岩屑携带效果，一般来说当井斜达到50°以后，紊流状态的钻井液可产生更好的携岩作用；当井斜在40°以下时，层流状态的钻井液可产生更好的携岩作用。提高钻井液的粘度，钻井液更容易将岩屑携带出井筒；在设计允许范围内，提高钻井液的密度可以降低钻井液和岩屑之间的密度差，也就是增加了钻井液对岩屑的携带能力，同样有利于将岩屑携带出井筒；在造斜井段和水平井段，根据钻进时间和钻进深度适当进行短起下钻，利用钻具组合上不同尺寸的钻具和节箍来刮擦井壁，破坏已形成的岩屑床，也有利于井筒清洁。(2)保持井壁稳定。钻井过程中井壁稳定的重要性毋庸置疑，稳定的井壁可以减少井下事故的发生从而减少钻井周期，提高钻井综合效率。井壁稳定重点从改善泥饼质量、降低钻井液失水、缩短钻井周期从而减少裸眼井段被浸泡的时间、提高钻井液润滑性、避免钻具长时间静止等方面着手。

结语

通过开展个性化钻头优选改进与试验，形成了大庆深层高效钻头序列，现场应用取得较好效果：2500m技套2只PDC钻头完钻，登娄库PDC钻头部分取代牙轮，水平段复合钻头见到好效果，高速牙轮钻头寿命延长。

参考文献

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