大井眼优快钻井技术应用研究
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摘要：本文通过详细分析影响大井眼钻井速度低及起下钻困难的主要因素，在原有大井眼作业技术基础上，从优化水力参数、应用大尺寸复合钻具组合、水力脉冲提速工具、优化泥浆性能等方面，提出了一些新的应对措施，并在中海石油总公司重点项目科学探索井成功应用，对今后渤海湾盆地深井大尺寸井眼作业有较为重要的指导意义。
关键词：科学探索井；φ444.5mm大井眼；作业效率；水力参数；钻具组合；水力脉冲工具；钻井液性能
科学探索井是中海油总公司重点项目，该井是目前渤海湾油田历史上最深的一口预探井，设计垂深5355m，预测地层压力系数1.65，最高井底温度180℃，设计目的层为含H2S和CO2的气层，因此该井也是一口典型的高温高压含硫气井。通过精细准备及精心施工，科学探索井于2010年顺利完钻，创造了渤海油田钻井作业多项纪录，其中该井φ444.5mm井眼由井深500m，顺利、高效钻穿明化镇组软泥岩近2200m至中完井深2700m，成为渤海油田大井眼钻达深度新记录，其在钻井过程中所采用的一些优快钻井技术措施具有一定探讨和研究的价值。
1 大井眼作业难点分析
1.1 机械破岩能量严重不足
大尺寸井眼钻头的破岩体积大，φ444.5mm钻头的破岩体积是215.9mm钻头破岩体积的4.24倍，φ311.1mm钻头的破岩体积是φ215.9mm钻头破岩体积的2.08倍[1]。从目前钻井实际情况来看，当应用PDC钻头时，施加在φ444.5mm与φ311.1mm钻头上的钻压一般均在50～70kN左右，转速一般为60～80r/min，相比而言显然φ444.5mm钻头在井底的机械破岩能量（单位面积上的钻压×转速）相对不足，如表2所示。其钻头很难吃入岩石，破岩方式主要以研磨为主，而不是体积破碎，导致钻头破岩效率很低，从而影响了机械钻速的提高。
表2 不同尺寸井眼的破岩体积和机械能量对比
钻头尺寸/mm 井底面积/cm2 破岩体积/cm3*m-1 破岩体积比值 钻压/kN 转速/r*min-1 单位井底面积钻压*转速 比值，%
Φ215.9 365.91 36591 1 60 80 1.31 100
Φ311.1 759.75 75975 2.08 60 80 0.63 48.1
Φ444.5 1551.01 155101 4.24 70 80 0.36 27.5
1.2 钻井时钻具蹩跳严重
大尺寸井眼扭矩变化大、地层非均质、井底清洗不干净、切削齿吃入不好、高转速时扶正器碰刮井壁，会引起跳钻，造成PDC钻头钻进不平稳，降低钻头机械破岩能量，并且容易造成崩齿损伤钻头，降低作业效率。
1.3 大井眼钻井液维护难度大
大尺寸井眼井筒容积大，需要处理的钻井液量大，在井筒内岩屑含量大时，泥岩的分散会使钻井液流变性变差，岩屑易粘附在井壁上易引起缩径[3]。
1.4 井壁不稳定
导致井壁不稳定的因素包括化学和力学两个方面，其中，化学方面：科学探索井φ444.5mm井眼段处于明化镇组，由于泥岩层中富含约76%的伊利石、蒙脱石，该井段泥岩地层浸泡时间长后，易水化膨胀、缩径、坍塌等，造成卡钻事故；力学方面：大尺寸井眼裸露面积大，更容易失稳，发生大面坍塌。
2 大井眼作业难点应对措施
2.1 合理优选钻组合
科学探索井形成了一套完整大井眼钻具组合体系，配以合理的钻井参数，能够很好地解决机械破岩能量与PDC钻头磨损间的矛盾。
1）浅部地层应用复合大钟摆钻具组合
φ444.5mm PDC钻头+φ244.5mm 螺杆钻具+φ241.3mm 钻铤×2+φ228.6mm变扣+φ444.5mm扶正器+φ203.2mm浮阀+φ203.2mm钻铤×6+φ203.2mm 震击器+变扣+φ139.7mm加重钻杆×14。
2）中部地层应用复合小钟摆钻具组合
φ444.5mm PDC钻头+241.3mm水力脉冲短节+φ244.5mm 螺杆钻具+φ203.2mm 钻铤+φ228.6mm变扣+φ444.5mm扶正器+φ203.2mm浮阀+φ203.2mm钻铤+φ444.5mm扶正器+φ203.2mm非磁钻铤+φ203.2mm随钻测斜+φ203.2mm非磁钻铤+φ203.2mm钻铤×6+φ203.2mm 震击器+变扣+φ139.7mm加重钻杆×14。
3）下部地层应用垂直导向钻具组合
φ444.5mm PDC钻头+241.3mm水力脉冲短节+垂直导向工具+φ444.5mm扶正器+φ203.2mm浮阀+φ203.2mm随钻测斜+φ203.2mm非磁钻铤+φ203.2mm钻铤×6+φ203.2mm 震击器+变扣+φ139.7mm加重钻杆×14。
2.2 引入先进工具
1）通过应用POWER-V垂直导向工具，钻压可由40KN提高到100KN，提高机械破岩能量，提高机械效率。
2）应用水力脉冲提速工具，提高井底清洗能力，避免重复切削，提高机械效率。
水力脉冲器主要安装于钻头顶部，将流体的扰动作用和自振空化效应耦合，使进入钻头的常规连续流动调制成振动脉冲流动，钻头喷嘴出口成脉冲空化射流。应用水力脉冲时主要产生三种效应，第一是水力脉冲效应，主要作用是改善井底流场，提高净化和清岩效率，减少压持和重复破碎；第二是空化冲蚀，主要作用是辅助破岩，提高破岩效率；第三是瞬时负压，主要作用是井底瞬时负压脉冲造成局部瞬时不平衡，改变井底岩面应力状态。
3 现场应用效果
3.1 机械钻速大幅提升
科学探索井φ444.5mm井眼（495m～2700m），机械钻速由设计的15.3m/hr，提升到25.2m/hr，提升64.7%；同样相比渤海湾盆地其他油田同类井钻井速度提高近200%，其中在应用水力脉冲提速工具时，在相同井段机械速度由20m/hr提升到24m/hr。
3.2 井眼通畅，无复杂情况
科学探索井φ444.5mm泥浆性能控制良好，作业期间，井眼通畅，起下钻顺利，无遇阻卡及倒划眼等复杂情况。
4 结论及建议
1） 机械和水力破岩能量不足是造成大尺寸井眼机械钻速低的主要原因。
2） 大尺寸垂直导向工具能够适用于大井眼作业，其控制井斜效果良好，并且能够解放钻压60KN，提高机械破岩能量，提高机械效率。
3） 水力脉冲提速工具，在相同井段机械速度可以提升17%～30%，能够有效提高机械钻速。
参 考 文 献
[1]李树盛，谭春飞等，深井大直径井段的钻井问题研究，石油学报，1999，20/6；
[2]Zijsling D H.Single Cutter Testing ：A Key for PDC Bit Development. SPE 16529，1987；
[3]李真祥，陈家河等，胜利油田大尺寸井眼优快钻井技术初讨，石油钻探技术，2003，31/1.
第一作者简介：刘宝生，男，1979年生，研究生，2004年毕业于石油大学（北京）石油工程专业，从事钻完井监督工作。
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