張小寧 石李保 包成虎 孫東柱 高軍飛 李巖起

（1 中國石油勘探開發(fā)研究院；2 中油國際（阿克糾賓）公司；3 中國石油集團(tuán)大慶鉆探工程公司國際事業(yè)部）

0 引言

哈薩克斯坦阿克糾賓項目北特魯瓦及讓納諾爾兩油田儲層主要為碳酸鹽巖低孔低滲透儲層，巖性以白云巖為主，其單軸抗壓強度為103～186MPa，頁巖夾層單抽抗壓強度為14～41MPa[1-4]。2015年以前主要采用螺桿配合川石克銳達(dá)鉆頭公司、國民油井華高公司、史密斯鉆頭公司的高性能PDC鉆頭[5]，φ149.2mm水平井井眼平均機(jī)械鉆速為1.92m/h，平均進(jìn)尺在302m左右。2016年采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向配合史密斯鉆頭公司Stinger錐形齒PDC鉆頭鉆進(jìn)，φ215.9mm水平井井眼平均機(jī)械鉆速為2.36m/h，平均進(jìn)尺為335m[6]。為了提高機(jī)械鉆速與鉆頭進(jìn)尺、縮短施工周期、降低施工成本，對鉆頭出井照片進(jìn)行分析，并結(jié)合井下鉆具組合振動研究，認(rèn)為黏滑振動加速PDC切削齒破壞是引起鉆井指標(biāo)低的主要原因[7-12]。通過文獻(xiàn)調(diào)研對各技術(shù)進(jìn)行篩選和已鉆井鉆柱振動進(jìn)行分析，將優(yōu)化設(shè)計鉆具組合和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速作為控制井下黏滑振動的主要手段，應(yīng)用5口井，與2016年完鉆的H814井相比水平段鉆進(jìn)周期縮短57.7%。

1 水平井施工現(xiàn)狀

1.1 已鉆水平段存在問題

2013—2015 年，北特魯瓦油田和讓納諾爾油田共完成35口儲層厚度為1～5m的水平井，平均水平段長432m，149.2mm裸眼完井，采用單彎螺桿配合常規(guī)LWD導(dǎo)向技術(shù)，帶遇油膨脹封隔器、滑套的完井管柱進(jìn)行分段酸壓，分段數(shù)為4～5段，平均單井初產(chǎn)僅為56t/d，平均鉆速僅1.91m/h，平均進(jìn)尺為302m，水平段鉆進(jìn)平均周期為17天。

2016年，為了提高開發(fā)效果，將水平段延伸至1000m以上，采用斯倫貝謝公司具有探邊功能的旋轉(zhuǎn)地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)提高鉆遇率，懸掛φ139.7mm尾管、φ177.8mm套管回接至井口，連續(xù)油管噴射分段酸壓，分段數(shù)為15～26段，H814井產(chǎn)量提高10倍。H814井雖然采用了先進(jìn)的Stinger錐形齒PDC鉆頭和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)，22.7天完成1004m水平段鉆進(jìn)，但平均進(jìn)尺僅為335m，平均鉆速為2.36m/h。在鉆進(jìn)過程中由于鉆速太低，2趟鉆起鉆換鉆頭，共3趟鉆完成1004m水平段，施工參數(shù)見表1所示。

表1 H814井水平段施工鉆井參數(shù)Table1 Parameters of horizontal section drilling for Well H814

1.2 崩齒原因分析

Stinger錐形齒鉆頭是史密斯鉆頭公司于2014年推出的一款PDC鉆頭，具超厚的人造金剛石層，抗沖擊強度更高；散熱能力強，耐磨強度高；具備更強、更有效的切削齒，隨著機(jī)械鉆速的增加，鉆頭扭矩減少26%，具有更好的定向響應(yīng)和更平滑的工具面控制能力；可以提高鉆頭穩(wěn)定性，減少井下鉆具的沖擊和振動。由于白云巖的單軸抗壓強度為103～186MPa，Z516型、Z616型鉆頭適合在該地層中應(yīng)用，但H814井中用了3只Z516型鉆頭，鉆頭指標(biāo)與鉆井參數(shù)如表1所示，鉆進(jìn)時均使用10t鉆壓和100r/min轉(zhuǎn)速，機(jī)械鉆速在1.47～2.82m/h之間，3只鉆頭冠部和肩部破壞嚴(yán)重，出井照片如圖1所示。從圖1可以看出，主切削齒和錐形限位齒發(fā)生嚴(yán)重的不規(guī)則破壞，以崩齒為主，主切削齒的PDC片大面積缺失，破損特征很明顯。這是由于鉆頭在井底高速運動，與井底巖石碰撞，PDC鉆頭受到高速沖擊，當(dāng)沖擊力超過PDC鉆頭切削齒強度時，就出現(xiàn)崩齒。國內(nèi)外大量文獻(xiàn)研究表明，在硬地層中定向或者水平鉆進(jìn)時，容易發(fā)生軸向振動、橫向振動及扭轉(zhuǎn)振動，其中黏滑振動是扭轉(zhuǎn)振動的一種[7]。據(jù)大量實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在全球范圍內(nèi)黏滑振動占總鉆進(jìn)時間的40%～50%，滑脫階段鉆頭轉(zhuǎn)速是轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的3～7倍，黏滯和滑脫周期為2～10s，滑脫階段的高速旋轉(zhuǎn)對鉆頭壽命和井下工具的壽命影響非常大，如對黏滑振動不加以控制，可引起軸向振動和橫向振動[7-12]。

引起井下黏滑振動的因素非常多，目前認(rèn)為主要有兩個：第一，在直井中主要由PDC鉆頭破巖過程產(chǎn)生；第二，在水平井、大斜度井、大位移井中，鉆柱與地層的相互作用是引起黏滑振動的主要因素。在H814井水平段施工中，鉆柱與地層之間相互作用，產(chǎn)生的黏滑振動破壞了PDC鉆頭切削齒，導(dǎo)致鉆頭壽命縮短，進(jìn)而影響了鉆井效率。

圖1 H814井水平段3只PDC鉆頭局部照片F(xiàn)ig.1 Partial photos of three PDC bits used in the horizontal section of Well H814

2 技術(shù)對策

隨著黏滑振動的認(rèn)識不斷加深，僅靠單一方法無法完全解決黏滑振動，綜合解決黏滑振動系統(tǒng)方案主要包括：不斷優(yōu)化改進(jìn)PDC鉆頭，優(yōu)化設(shè)計鉆具組合和鉆井參數(shù)，采用井口補償系統(tǒng)（如STRS）、井下減震工具等[13-18]。PDC鉆頭需要鉆頭廠不斷地優(yōu)化試驗、改進(jìn)再試驗，經(jīng)過多輪以后才能達(dá)到理想的效果，目前主要采用帶錐形齒的PDC鉆頭來限定瞬間齒入深度，控制井下黏滑振動[2-3]，H814井使用的Stinger錐形齒就具有這種功能，因此本文不對鉆頭進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。租用或者購買井口補償裝置和井下減震工具雖然有助于控制井下黏滑振動，但這兩種設(shè)備費用較高，且需要較長的招標(biāo)和運輸時間。對于優(yōu)化鉆具組合和改變鉆井參數(shù)，現(xiàn)場較容易實現(xiàn)，且Bowler等人討論了通過優(yōu)化鉆具控制井下黏滑振動[14-16]，Bayliss等人討論了通過優(yōu)化鉆井參數(shù)來控制井下黏滑振動[19-20]，鉆頭的進(jìn)尺提高了30%～40%[19]。本文將通過鉆柱振動分析對鉆具組合和鉆井參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)控制井下黏滑振動，從而延長鉆頭壽命，提高鉆井效率。

2.1 鉆具組合優(yōu)化

基于H814井的井身結(jié)構(gòu)、井眼軌跡、鉆具組合、鉆井液性能[6]，討論3種常用鉆具組合對井下振動的影響，其主要區(qū)別在于扶正器安裝位置及個數(shù)不同：無扶正器鉆具組合（文獻(xiàn)[6]中的原鉆具組合）；單扶正器鉆具組合，在無扶正器鉆具組合的基礎(chǔ)上，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具后面距離鉆頭4.09m位置安裝φ212.7mm扶正器；雙扶正器鉆具組合，在單扶正器鉆具組合的基礎(chǔ)上，LWD后面距離第二個扶正器21.41m處安裝φ209.55mm扶正器。

本文采用Landmark軟件中的Wellplan模塊進(jìn)行鉆具組合井下振動分析，在表征鉆具組合井下振動的各參數(shù)中，軸向力、扭矩越大，越有利于給鉆頭提供更大的能量，利于鉆頭破巖；剪切力、位移、動量越大，鉆頭越易受到各種振動，破壞其切削齒，從而縮短鉆頭壽命。計算時的鉆井參數(shù)：轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為100r/min，鉆壓為10t，排量為30L/s軸向力、剪切力、扭矩、位移及動量計算結(jié)果如表2所示。

單扶正器鉆具組合、雙扶正器鉆具組合的軸向力分別為無扶正器鉆具組合1.01、1.04倍，單扶正器鉆具組合、雙扶正器鉆具組合的扭矩分別為無扶正器鉆具組合的1.03、1.10倍，單扶正器鉆具組合和雙扶正器鉆具組合的扭矩與軸向力較無扶正器鉆具組合有小幅度增大，有助于提高鉆頭的破巖能力。

單扶正器鉆具組合軸向剪切力和橫向剪切力大幅降低至無扶正器鉆具組合的0.56、0.53，雙扶正器鉆具組合的軸向剪切力和橫向剪切力進(jìn)一步降低至無扶正器鉆具組合的0.52左右。單扶正器鉆具組合的軸向剪切力、切向剪切力、橫向位移與雙扶正器鉆具組合一致，分別為無扶正器鉆具組合的0.90、0.74、0.52，說明雙扶正器鉆具組合中第二個扶正器對位移沒有影響，主要由近鉆頭扶正器限制鉆頭的位移。單扶正器鉆具組合的軸向動量與雙扶正器鉆具組合一致，為無扶正器鉆具組合的0.50；單扶正器鉆具組合、雙扶正器鉆具組合的橫向動量分別為無扶正器鉆具組合的0.34、0.27。單扶正器鉆具組合和雙扶正器鉆具組合的剪切力、位移、動量與無扶正器鉆具組合相比均大幅降低，這主要是因為扶正器限制了鉆頭附近鉆具振動，從而減弱了鉆具組合振動對鉆頭振動的影響，有利于保護(hù)鉆頭切削齒，延長鉆頭壽命。雙扶正器鉆具組合的剪切力、橫向動量小于單扶正器鉆具組合的剪切力、橫向動量，可進(jìn)一步保護(hù)鉆頭。

從上面的分析可知：與無扶正器鉆具組合相比，單扶正器鉆具組合和雙扶正器鉆具組合可增加軸向力和扭矩，提高破巖效率；可降低剪切力、位移和動量，保護(hù)鉆頭并延長其壽命，因此推薦使用單扶正器鉆具組合和雙扶正器鉆具組合。

2.2 轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速優(yōu)化

鉆頭轉(zhuǎn)速和鉆壓是影響鉆頭機(jī)械鉆速的兩個主要因素，由于鉆壓太低，無法通過其他措施補償；而鉆頭轉(zhuǎn)速主要受井下動力鉆具和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速影響，可以通過先優(yōu)化轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，然后根據(jù)需要選擇合適的動力鉆具，以確保鉆頭高效工作。因此下面主要定性分析轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速對井下黏滑振動的影響。以雙扶正器鉆具組合為基礎(chǔ)，鉆壓為10t，考慮到井眼清潔因素，這里主要分析轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為60、80、100r/min時對井下黏滑振動的影響，計算結(jié)果如表3所示。

表3 轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速對井下黏滑振動的影響Table 3 The effect of rotary speeds on borehole vibration

由于雙扶正器鉆具組合使用了近鉆頭扶正器，限定了鉆頭附近的位移，故轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速對位移沒有影響。但是轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速對軸向力、剪切力、扭矩和動量影響很大，當(dāng)轉(zhuǎn)速從60r/min增加至100r/min后，軸向力增加至原來的1.43倍，軸向剪切力增加至原來的2.55倍，橫向剪切力增加至原來的1.64倍，扭矩增加至原來的1.53倍，軸向動量增加至原來的1.82倍，橫向動量減少至原來的0.67倍。

整體來看，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速越高，井下黏滑振動越劇烈，但考慮到井下攜巖要求，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速又不能太低，因此將轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速由原來的100r/min降至60r/min左右，以控制管柱的井下黏滑振動，減少鉆柱對鉆頭的影響；同時為了保持鉆頭有足夠的能量破巖，可采用井下螺桿動力鉆具，使鉆頭在鉆進(jìn)過程中轉(zhuǎn)速達(dá)到150r/min以上。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

2017年，通過降低轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、使用雙扶正器和井下動力鉆具完善原有鉆井技術(shù)，并在5口井進(jìn)行了應(yīng)用，具體數(shù)據(jù)如表4所示。為了驗證井下黏滑振動控制情況，在井下測量短節(jié)上安裝了井下黏滑振動測量傳感器，將井下振動加速度、扭矩、鉆壓、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)隨脈沖信號實時傳輸?shù)降孛?，用專業(yè)軟件處理成黏滑指數(shù)[8，19]，根據(jù)黏滑指數(shù)判斷井下黏滑振動劇烈程度，根據(jù)實時數(shù)據(jù)調(diào)整鉆井參數(shù)[13]。黏滑指數(shù)低于40%，表明井下黏滑振動不劇烈，繼續(xù)鉆進(jìn)；黏滑指數(shù)為40%～80%時，根據(jù)情況調(diào)整鉆壓和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速；當(dāng)黏滑指數(shù)高于80%時，必須停鉆，調(diào)整鉆壓和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速。4口井轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為60r/min，實測黏滑指數(shù)為60%～80%，雖然井下黏滑指數(shù)依然較高，但井下黏滑振動得到有效控制，仍可順利鉆進(jìn)；從出井鉆頭照片可知，PDC切削齒主要以磨損為主，僅有少量切削齒出現(xiàn)崩齒（圖2中H844井、H817井）。當(dāng)H7205井轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速增加至70～80r/min后，實測黏滑指數(shù)高于80%，出井鉆頭芯部切削齒崩齒明顯增多（圖2），說明井下黏滑振動加劇。H842井和H817井實現(xiàn)一趟鉆，水平段鉆進(jìn)時間僅5.8～6.2天，平均機(jī)械鉆速為9.06～10.34m/h。H844井、H2610井、H7205井由于螺桿、MWD無信號原因，被迫起鉆換工具和儀器，水平段鉆進(jìn)時間增加至11.0～13.0天，但仍然采用一只PDC鉆頭完成了水平段的施工，平均機(jī)械鉆速為6.46～12.12m/h。5口井水平段長度平均達(dá)到993m，水平段鉆進(jìn)周期為9.6天，平均機(jī)械鉆速為8.64m/h，與H814井鉆井指標(biāo)相比，水平段鉆進(jìn)周期縮短57.7%，平均機(jī)械鉆速提高266.1%。

實鉆數(shù)據(jù)也證明了鉆具組合與轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速優(yōu)化結(jié)果的正確性。在后期施工中，為了避免PDC鉆頭加速破壞或者井下儀器損壞，將轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速控制在60r/min為宜，優(yōu)選井下提速工具、強化現(xiàn)場管理，通過提高鉆速、減少起下鉆次數(shù)提高鉆井效率。

表4 5口井水平段施工主要參數(shù)Table 4 Parameters of horizontal section drilling for 5 wells

圖2 部分出井鉆頭照片F(xiàn)ig.2 Photos of some drill bits

4 結(jié)論與認(rèn)識

本文采用Landmark軟件中的Wellplan對鉆具組合井下振動進(jìn)行定性分析，根據(jù)定性分析結(jié)果優(yōu)化鉆具組合和鉆井參數(shù)，并應(yīng)用5口井的水平段施工，鉆井指標(biāo)及實測井下黏滑指數(shù)說明井下黏滑振動得到有效控制。因此采用Wellplan模塊對鉆具組合井下振動定性分析能滿足工程應(yīng)用中鉆具組合和鉆井參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的要求。

使用近鉆頭扶正器可減弱鉆具組合振動對鉆頭振動的影響，從而保護(hù)鉆頭并延長其壽命，提高機(jī)械鉆速和進(jìn)尺，進(jìn)而大幅提高鉆井效率。因此，在定向井和水平井鉆井施工過程中，建議鉆具組合使用近鉆頭扶正器，為了獲得更好效果，可根據(jù)實際井況增加扶正器數(shù)量。

在難鉆地層，僅通過采用先進(jìn)的工具和鉆頭可能無法完全解決鉆井難點，需要配合鉆井參數(shù)優(yōu)化等措施，才能大幅提高鉆井效率。后續(xù)可通過更專業(yè)的理論分析PDC鉆頭布齒、螺桿參數(shù)、扶正器尺寸及參數(shù)、整個管柱加重鉆桿的安放位置來進(jìn)一步控制井下振動，選用長壽命螺桿動力鉆具、細(xì)化現(xiàn)場操作規(guī)程，以確保一趟鉆完成水平段施工。