劉海龍，沈立娜，劉協(xié)魯，趙義

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

0 前言

元壩氣田是中國石化繼發(fā)現(xiàn)國內(nèi)最大海相整裝氣田普光氣田之后，在四川盆地發(fā)現(xiàn)的又一個千億立方米儲量的大型海相氣田。元壩氣田探區(qū)的海相井大多數(shù)是超深井，已探明含氣面積155.33 km2，氣藏埋深6240～6950 m，平均埋深6673 m，相比其他氣田平均深度要深1000～2000 m，是目前國內(nèi)發(fā)現(xiàn)的最深的海相氣田，開采難度極高。

1 元壩地區(qū)概況及鉆進難點

1.1 元壩區(qū)塊地質(zhì)特征

元壩氣田位于四川盆地東北部，井深一般在6000 m以上，井身結(jié)構(gòu)復雜，地層多變。其中自流井組珍珠沖段尤為突出，珍珠沖段地層巖性主要以砂礫巖、中砂巖、雜砂巖雜色礫巖、灰色細粒巖屑砂巖、灰色泥巖互層為主，礫石中石英含量高，地層研磨性強。

1.2 常規(guī)牙輪鉆頭鉆遇珍珠沖地層情況

井隊根據(jù)以往經(jīng)驗大多選用江漢三牙輪鉆頭鉆進，在鉆進過程中受礫石含量的影響，鉆進速度較慢，由于礫石中多以石英為主，對鉆頭的使用壽命影響顯著，牙輪鉆頭一般使用壽命在20～30 m，平均機械鉆速0.57～0.70 m/h，不僅鉆進速度慢，而且使用壽命短，使得鉆井隊頻繁起下鉆，鉆進效率低。該地區(qū)主要鉆進難點為地層堅硬，石英含量高，地層研磨性強，鉆頭出井情況如圖1。

圖1 牙輪鉆頭出井情況

2 NR826M孕鑲金剛石全面鉆頭設計

2.1 鉆頭胎體設計

孕鑲金剛石鉆頭的鉆進效率和使用壽命主要取決于鉆頭的金剛石參數(shù)和胎體配方參數(shù)設計是否合理。鉆頭的金剛石參數(shù)包括金剛石質(zhì)量、金剛石粒度、金剛石濃度，這些參數(shù)對鉆頭的效率和壽命有很大的影響。

孕鑲鉆頭胎體的金剛石的濃度過高，鉆頭胎體橫截面的金剛石與巖石的接觸面積增大，單位金剛石所承受的壓力較小，壓入巖石的深度減小，當作用于金剛石上的壓強小于巖石的抗壓強度時，便不能壓入巖石，主要鉆進現(xiàn)象表現(xiàn)為不進尺、鉆頭打滑。與之相反，金剛石濃度過低，鉆頭胎體橫截面出露的金剛石太少，一方面不能滿足孔底巖石的環(huán)狀面積全覆蓋，另一方面單位金剛石上的壓強過大，容易發(fā)生過早脫落、崩刃等現(xiàn)象。

金剛石濃度可參照公式(1)進行設計計算。

(1)

式中：P—作用于鉆頭胎體工作面上的單位面積鉆進壓力；d—金剛石直徑，mm；d/β—金剛石的脫落高度，mm；β—常數(shù)數(shù)據(jù)，β值越小，則金剛石的脫落高度就越大；k—強度系數(shù)，鉆頭鉆進時有一定的沖擊載荷，k取0.50～0.67；σ—單顆金剛石的抗壓強度；n—鉆頭轉(zhuǎn)速，r/min；p—鉆頭胎體工作唇面上的單顆金剛石所承受的平均載荷；v—鉆頭鉆進速度，m/h。

針對元壩地區(qū)地層情況，結(jié)合金剛石鉆頭特點，鉆頭在胎體上采用北京探工所研制的稀土添加預合金超細晶體鐵基胎體粉末，同時添加一種自銳材料，這種材料基本不會影響胎體的強度[2]，但在鉆進時可預先形成微坑，提高鉆頭底唇面的粗糙程度，降低與巖石的接觸面積，從而幫助金剛石出刃，達到提高鉆進效率的目的。經(jīng)過特殊工藝處理后，使得金剛石在胎體粉末中能夠均勻分布。

2.2 鉆頭結(jié)構(gòu)設計

2.2.1 鉆頭冠部結(jié)構(gòu)

鉆頭冠部結(jié)構(gòu)在外形上，根據(jù)地層特性，綜合鉆頭使用壽命和鉆進效率，尤其針對中心部分薄弱環(huán)節(jié)，進行優(yōu)化設計。為提高鉆進效率，針對該地區(qū)地層特點，設計切削齒在井底形成多個自由面，加快碎巖速度。為確保鉆頭穩(wěn)定性，設計出較長保徑規(guī)。在鉆進過程中，鉆頭鼻部最先接觸井底，這就意味著在鉆進過程中，如地層產(chǎn)生變化，其受到意外損害最大。因此鉆頭冠部形狀選擇較大半徑的雙圓弧形，內(nèi)錐角α取120～125°在鉆進到夾層時，使得鉆頭具有良好的穩(wěn)定性能[3-7]。

在鉆進效率較低的硬巖層，為了實現(xiàn)對金剛石的充分冷卻，把金剛石切削面積分割為若干較小的切削自由面，因此鉆頭唇面設計為如圖3所示的刀翼式鉆頭結(jié)構(gòu)。

圖2 鉆頭冠部結(jié)構(gòu)設計圖

在鉆進過程中，鉆頭中心處的線速度趨近于零速度，中心處金剛石與胎體極容易損害，容易失去工作能力，在鉆進過程中表現(xiàn)為“掏心”。針對中心處薄弱環(huán)節(jié)，結(jié)合所處的高研磨工作環(huán)境，利用金剛石復合片高耐磨特性，偏心交錯布置，防止“掏心”現(xiàn)象產(chǎn)生。

2.2.2 鉆頭切削結(jié)構(gòu)

在鉆進過程中，為使刀翼有效切削地層，在刀翼上采用交錯交替設計孕鑲切削齒。遵循等切削設計原則，由于沿徑向鉆頭每個孕鑲切削齒的切削量不同，在鉆頭設計中采用不等密度的布齒方式，同時孕鑲切削齒依據(jù)刀翼形狀設計為不等的梯形，以保持切削量的均衡。同時每個切削齒為一個獨立工作單元，固定在特定的位置上，切削齒與切削齒之間既相互獨立，也相互影響，每個切削齒的機械鉆速和使用壽命也影響整個鉆頭整體的機械速度和使用壽命，如圖3。

圖3 切削齒設計圖

布置切削齒應滿足以下要求： ①切削齒布置應全覆蓋鉆頭端面，保證鉆進過程中，全面切削井底；②針對實際工作情況，結(jié)合鉆頭冠部結(jié)構(gòu)，在鉆頭鼻部易磨損處布置密集，在不易磨損處布置稀疏，稀疏得當。

2.2.3 鉆頭水力結(jié)構(gòu)

鉆頭水力結(jié)構(gòu)設計應滿足以下兩方面要求：一是在泥漿泵額定功率下，使鉆頭獲得足夠大的水力能量；二是在保證鉆井過程中的井底壓力差情況下，減少壓持效應、保護好油氣儲層。

以元壩地區(qū)實際鉆井為例：二開鉆進，鉆頭直徑314.1 mm，泥漿密度平均2.0 g/cm3，平均排量40～42 L/s，泵壓22～25 MPa。鉆頭的壓力降可由公式(2)計算：

Pb=Pr-Psum

(2)

式中：Pb—鉆頭壓力降；Pr—選擇的鉆進時的泵壓；Psum—循環(huán)系統(tǒng)總的壓力損耗。

對于相應規(guī)格的鉆具組合，循環(huán)系統(tǒng)(包括鉆柱內(nèi)壓耗、環(huán)空內(nèi)壓耗、地面管匯壓耗)總的壓力損耗可以根據(jù)公式計算出來。

確定鉆頭壓力降后，鉆頭水路面積可由公式(3)確定：

(3)

式中：A—水路面積，mm2；Pb—鉆頭壓降，MPa；Q—排量，L/s；c—流量系數(shù)，對于非噴嘴型鉆頭，流量系數(shù)取0.8；Pm—泥漿密度，g/cm3。

也可根據(jù)公式(4)確定設計的水路面積以及排量計算沖洗液通過鉆頭的流速是否合理。

(4)

式中：S—鉆頭水道在引流圓處總橫截面積，cm2；Q—流量，L /s；v—沖洗液通過鉆頭表面的流速，m/s。

結(jié)合實際鉆井施工情況，在一定泥漿泵壓下，若增加鉆頭排量，相應需要增加鉆頭水路流道面積，根據(jù)計算結(jié)果可以修正鉆頭的水路結(jié)構(gòu)，使其在滿足泵壓、泵量的條件下，設計滿足鉆進要求的水路。

3 鉆頭現(xiàn)場使用情況

3.1 鉆具組合及鉆進工藝參數(shù)

使用NR826M鉆頭鉆具組合為例：?314.1 mm孕鑲金剛石鉆頭+3LZ244×7.0直螺桿+?228.6 mm鉆鋌2根+?311 mm扶正器+?228.6 mm鉆鋌5根+接頭(731×630)+?203.2 mm鉆鋌7根+雙公接頭(631×631)+QJ203隨鉆震擊器+接頭(631×520)+回壓凡爾+ ?139.7 mm加重鉆桿4根+旁通閥+?139.7 mm加重鉆桿21根+?139.7mm鉆桿。

鉆進工藝參數(shù)為：鉆壓140～180 kN，轉(zhuǎn)速90 r/min+螺桿，排量40～42 L/s，泵壓22～25 MPa，泥漿密度2.0 g/cm3，泥漿黏度49～51 s。

3.2 現(xiàn)場使用情況

元壩地區(qū)共使用NR826M鉆頭4只，使用情況如表1。

表1 使用情況效果對比表

通過以上數(shù)據(jù)可以看出，常規(guī)的三牙輪鉆頭進尺為20～30 m，機械鉆速為0.57～0.74 m/h。不僅鉆頭壽命短，機械鉆速較低，且牙輪鉆頭易掉齒，嚴重影響井下安全，一旦發(fā)生事故，需要耗費大量的時間和財力，嚴重影響施工進度。相比牙輪鉆頭，NR826M鉆頭的機械鉆速也有明顯提升，且平均進尺都在150 m左右，使用壽命是牙輪鉆頭的7倍之多，大大減少了起下鉆次數(shù)，從而提高了鉆井效率。因此相比于常規(guī)牙輪鉆頭，在該井段使用NR826M鉆頭是提高經(jīng)濟效益的有效途徑之一。

4 結(jié)論

NR826M金剛石鉆頭胎體性能良好，結(jié)構(gòu)設計合理，能夠滿足在珍珠沖段砂礫巖、中砂巖、雜砂巖雜色礫巖、灰色細粒巖屑砂巖、灰色泥巖互層地層高速鉆進需求。NR826M金剛石鉆頭壽命長，機械鉆速高，有效縮短了施工周期，能夠給施工方提高經(jīng)濟效益，同時解決了該地層鉆進困難問題，為以后在該地層鉆進過程提供了更多的選擇，值得大力推廣。

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