元壩氣田主力氣藏埋深超過6500m，是中國埋藏最深的海相氣田。陸相地層厚度大，平均厚度約4800m，巖性致密、硬度高、非均質(zhì)性強(qiáng)，機(jī)械鉆速低，特別是下沙溪廟組以深地層，硬度高，可鉆性極差，鉆頭合理選型困難。針對陸相致密非均質(zhì)性硬地層，開展個(gè)性化鉆頭設(shè)計(jì)，應(yīng)用針對性的布齒設(shè)計(jì)、等切削輪廓設(shè)計(jì)、水力結(jié)構(gòu)優(yōu)化等先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，研制出EM1655SE型PDC鉆頭。在元陸703井應(yīng)用，它較好地克服了陸相地層硬度高、軟硬交錯(cuò)的影響，進(jìn)尺和機(jī)械鉆速均獲得大幅提高。
元壩陸相地層對鉆頭要求高
元壩氣田位于四川省廣元、南充和巴中市境內(nèi)，長興組主力氣藏埋深超過6500m，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(gè)大型海相氣田，探明天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量超過1500×108m3。但是，元壩地區(qū)陸相深部地層硬度高、研磨性強(qiáng)、可鉆性差，成為制約元壩鉆井提速的瓶頸井段。
元壩陸相上沙溪廟組以淺地層應(yīng)用氣體鉆井技術(shù)實(shí)現(xiàn)提速突破，而下沙溪廟組及以深地層巖性砂、泥巖互層，軟硬變化大，鉆頭使用不穩(wěn)定;砂巖多為硅質(zhì)膠結(jié)，巖性致密、硬度大、研磨性強(qiáng)、可鉆性級(jí)值平均約在6級(jí)以上，最高8級(jí)，巖層可鉆性極差;地層對鉆頭磨損嚴(yán)重，而且由于地層不穩(wěn)定，井壁易發(fā)生掉快、垮塌現(xiàn)象，導(dǎo)致氣體鉆井無法實(shí)施;應(yīng)用常規(guī)鉆井機(jī)械鉆速低，平均機(jī)械鉆速低于1m/h，單只鉆頭進(jìn)尺僅66m，見表1。下沙溪廟以深地層厚度占全井的 34.5%，但鉆井時(shí)間占全井鉆井周期的80%。由此可見，元壩提速關(guān)鍵在于提高下沙溪廟以深地層機(jī)械鉆速。但是由于地層研磨性強(qiáng)、可鉆性差，蹩跳鉆嚴(yán)重，PDC鉆頭一直未得到推廣應(yīng)用。為此，引進(jìn)加拿大阿特拉公司的扭力沖擊器配合PDC鉆頭在陸相地層進(jìn)行試驗(yàn)。
EM1655SE鉆頭技術(shù)優(yōu)勢
針對川東北元壩地區(qū)陸相下沙溪廟、千佛崖、自流井組地層特點(diǎn)，武漢億斯達(dá)工具有限公司專門設(shè)計(jì)了EM1655SE型PDC鉆頭(見圖2)，它采用五刀翼設(shè)計(jì)、16mm切削齒，在切削結(jié)構(gòu)和水力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及切削齒材料的選用上做出了較大的改進(jìn)。
針對性的布齒設(shè)計(jì) 針對下沙溪廟、千佛崖和自流井地層可鉆性差、軟硬夾層交錯(cuò)變化頻繁的特點(diǎn)，采用力平衡布齒設(shè)計(jì)，使鉆頭整體受力動(dòng)態(tài)平衡，把PDC切削齒在井底承受的側(cè)向不平衡力控制在一個(gè)極小的范圍內(nèi)，極大地提高了鉆頭在井底的工作穩(wěn)定性。同時(shí)采用漸開線螺旋布齒，使同一刀翼上的切削齒依次接觸地層，使切削齒以更加平穩(wěn)的方式切削地層(圖3)。在常規(guī)設(shè)計(jì)中為保證切削齒具有一定壽命，其切削角一般為20°、25°、30°，鉆頭吃入地層的能力差，攻擊性不強(qiáng)，影響機(jī)械鉆速。在優(yōu)選更耐磨、耐沖擊的PDC切削齒的基礎(chǔ)上，采用漸變切削角度設(shè)計(jì)，將切削角改為10°、15°、20°、25°、30°依次從鉆頭中心向外側(cè)保徑部分逐漸增加，既加強(qiáng)了肩部以內(nèi)切削齒吃入地層的能力，又能使肩部以外的切削齒具有較強(qiáng)的抗沖擊性，從而使鉆頭能獲得較高的機(jī)械鉆速和壽命。
等切削輪廓設(shè)計(jì) 一般而言，PDC鉆頭不同部位的切削齒磨損情況不同，往往內(nèi)錐部分還是完好的，但外側(cè)肩部已經(jīng)出現(xiàn)較大的磨損，即使是在同一部位，也會(huì)出現(xiàn)不同的磨損量，見圖6。為了能夠使相同部位的切削齒具有相同的磨損量，盡可能的延長切削齒的使用壽命，在保持原有鉆頭輪廓對地層攻擊性的基礎(chǔ)上，采用等切削設(shè)計(jì)。運(yùn)用切削結(jié)構(gòu)力學(xué)分析軟件優(yōu)化鉆頭輪廓設(shè)計(jì)，使鉆頭的內(nèi)錐、鼻部至肩部、保徑，各區(qū)域切削齒后傾角的變化與其所受鉆壓分配相適應(yīng)，與鉆頭扭矩匹配，對于易磨損的鉆頭鼻部、肩部位置采用了等切削功設(shè)計(jì)，提高了鉆頭的穩(wěn)定性，使鉆頭在鼻部、肩部位置的切削齒具有更長的使用壽命。圖4是經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后的切削齒的切削功和切削力曲線，從曲線上可以看出，在鉆頭的外側(cè)肩部的切削齒的切削功、切削力基本處于同一水平，做到了等切削功設(shè)計(jì)，避免了切削齒的過早磨損。
水力結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 元壩陸相深部地層砂泥巖互層，導(dǎo)致PDC鉆頭經(jīng)常發(fā)生泥包現(xiàn)象。分析其原因，除了地層巖性、泥漿性能等外部原因外，鉆頭本身水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理也是一個(gè)重要的的因素。為了得到最佳的噴嘴布置參數(shù)和流道形狀設(shè)計(jì)，采用了計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)來對井底流場進(jìn)行有限元仿真模擬優(yōu)化計(jì)算。通過CFD模擬優(yōu)化，一方面使井底流場具有流暢的流線形態(tài)，使鉆井液可以及時(shí)將巖屑帶離井底，防止鉆頭泥包和巖屑滯留井底產(chǎn)生的重復(fù)破碎(圖5);另一方面，采用CFD技術(shù)對流經(jīng)切削齒的鉆井液的湍動(dòng)能進(jìn)行優(yōu)化控制，保證每一顆切削齒都能得到充分的清洗和冷卻，有效的延長切削齒壽命。
現(xiàn)場應(yīng)用 效果顯著
應(yīng)用井段選擇 元陸703井是部署在四川盆地川東北九龍山背斜東南翼近軸部的一口開發(fā)評(píng)價(jià)井，目的層是須家河組三段，設(shè)計(jì)井深4907m，垂深4395m。該井下沙溪廟、千佛崖組地層巖性以泥巖為主，夾灰色泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖，可鉆性級(jí)值5～7，屬中硬地層，選擇EM1655SE型PDC鉆頭在該地層應(yīng)用，井眼尺寸為 Φ215.9mm，設(shè)計(jì)使用井段為3070～3600m。
鉆具組合設(shè)計(jì) 針對地層特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用塔式鉆具組合，確保防斜打直，并配備隨鉆震擊器，預(yù)防卡鉆。鉆具組合：Φ215.9mm鉆頭+鉆具止回閥+Φ177.8mm無磁鉆鋌×1根+Φ177.8mm鉆鋌×6根+隨鉆震擊器+Φ177.8mm鉆鋌×3根++旁通閥1只+Φ127mm加重鉆桿36根+Ф139.7mm斜坡鉆桿，鉆井參數(shù)設(shè)計(jì)。
現(xiàn)場應(yīng)用 該鉆頭的使用分為兩個(gè)階段，第一階段鉆進(jìn)井段為3063.91～3142.72m，鉆遇地層為下沙溪廟。下鉆至井底后循環(huán)30min清洗井底，然后以 5～10kN鉆壓進(jìn)行井底鉆頭造型，接著以正常遞增鉆壓方式開始鉆進(jìn)，為保證井身質(zhì)量，將鉆壓控制在20～40kN，該段進(jìn)尺78.81m，純鉆時(shí)間 115h，平均機(jī)械鉆速0.69m/h。
第二階段鉆進(jìn)井段為3142.72～3589.43m，鉆遇地層為下沙溪廟、千佛崖、自流井，進(jìn)入自流井組約159m。此階段經(jīng)過測斜后將鉆壓逐漸增加至60～100kN正常鉆進(jìn)，該段進(jìn)尺446.71m，純鉆時(shí)間223h，平均機(jī)械鉆速2.00m/h。
該鉆頭在鉆進(jìn)至造斜點(diǎn)后因需要更換鉆具組合而起鉆，起出后發(fā)現(xiàn)新度為75%，切削齒磨損均勻。該鉆頭總進(jìn)尺525.52m，平均機(jī)械鉆速1.55m/h，具體使用數(shù)據(jù)。
應(yīng)用效果分析 由于下沙溪廟～自流井組地層硬度較高，前期主要以使用牙輪鉆頭為主，隨著扭力沖擊器的引進(jìn)，開始使用扭力沖擊器配合進(jìn)口專用PDC鉆頭鉆進(jìn)。鄰井元壩6井和元陸10井與元陸703井最近，距離分別為3.6km和8.4km，對三口井的鉆頭使用情況進(jìn)行分析。
從表4中可以看出，元壩6井鉆進(jìn)同樣井段，累計(jì)使用7只鉆頭，平均單只鉆頭進(jìn)尺僅63m，平均機(jī)械鉆速0.85m/h，元陸10井使用過 KM1622DGR PDC鉆頭，進(jìn)尺達(dá)到158.66m;而應(yīng)用EM1655SE鉆頭，單次入井進(jìn)尺525.52m，與使用牙輪鉆頭相比，進(jìn)尺增加7倍以上，鉆速提高近1 倍，減少起下鉆次數(shù)6趟以上，大大提高了純鉆時(shí)效。
EM1655SE型PDC鉆頭較好的解決了元壩陸相地層常規(guī)鉆井機(jī)械鉆速低、進(jìn)尺短的難題，在顯著增加回次進(jìn)尺的同時(shí)，提高了機(jī)械鉆速。
鑒于元壩應(yīng)用扭力沖擊器配合PDC鉆頭取得了一定的提速效果，建議開展EM1655SE型PDC鉆頭配合國產(chǎn)扭力沖擊器的入井提速試驗(yàn)。
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