元壩氣田作為中石化川氣東送工程的主力氣田，其勘探開發(fā)對(duì)能源供應(yīng)意義重大。但元壩地區(qū)深井、超深井的特性給鉆井作業(yè)帶來(lái)了重重困難。大尺寸井眼長(zhǎng)、多壓力體系以及復(fù)雜的地層流體分布，加之部分地層研磨性強(qiáng)、可鉆性差，井下故障頻發(fā)，如噴、漏、卡等問(wèn)題，使得機(jī)械鉆速停滯不前，鉆井周期不斷延長(zhǎng)。為攻克這些難題，2022年以來(lái)，工程技術(shù)人員自主研發(fā)了一系列先進(jìn)的新技術(shù)新工具，成功地應(yīng)用在元壩 13 井等5口井的施工中，超深井鉆速得到顯著提升，取得了良好的鉆井效益。
地層特性復(fù)雜
元壩地區(qū)上部地層呈現(xiàn)砂泥巖互層的結(jié)構(gòu)，軟硬交錯(cuò)頻繁，這種復(fù)雜的地層特性使得鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中受力不均，容易造成鉆頭磨損加劇，鉆進(jìn)效率低下。例如，上沙溪廟組底部及以下地層不僅存在軟硬交錯(cuò)問(wèn)題，還易出現(xiàn)出水、垮塌現(xiàn)象。地層出水會(huì)導(dǎo)致井壁穩(wěn)定性變差，增加鉆井風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也會(huì)影響鉆井液性能，進(jìn)而影響破巖效率；地層垮塌則可能掩埋鉆頭，造成卡鉆等嚴(yán)重事故，迫使鉆井作業(yè)中斷進(jìn)行處理，極大地延誤了鉆井時(shí)間。
自流井至須家河組地層巖性致密，硅質(zhì)膠結(jié)十分嚴(yán)重，礫石含量高，并且局部還含有燧石。硅質(zhì)膠結(jié)使得巖石硬度大幅增加，可鉆性極差，普通鉆頭難以有效破碎巖石。高含量的礫石和燧石則進(jìn)一步加劇了鉆頭的磨損，縮短了鉆頭的使用壽命，頻繁的鉆頭更換必然導(dǎo)致起下鉆次數(shù)增加，從而降低了整體的鉆井效率。
井身結(jié)構(gòu)限制
由于元壩地區(qū)地層復(fù)雜，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮多個(gè)壓力體系的平衡以及應(yīng)對(duì)各種可能的井下復(fù)雜情況。這就導(dǎo)致了井身結(jié)構(gòu)層次較多，在鉆井后期形成的小井眼，其鉆具尺寸受到嚴(yán)格限制。較小的鉆具尺寸意味著可施加的鉆壓有限，同時(shí)排量也難以滿足高效破巖的需求。鉆壓不足無(wú)法為鉆頭提供足夠的破巖動(dòng)力，排量受限則影響了鉆井液對(duì)井底巖屑的攜帶和清洗能力，巖屑在井底堆積會(huì)阻礙鉆頭與巖石的有效接觸，進(jìn)一步降低破巖效率，使得鉆進(jìn)速度難以提升。
空氣鉆技術(shù)
空氣錘鉆井技術(shù)是一種創(chuàng)新的破巖方式，它巧妙地結(jié)合了氣體鉆井和沖擊回轉(zhuǎn)鉆井的優(yōu)點(diǎn)（圖1）。在鉆進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)壓縮空氣作為循環(huán)介質(zhì)，驅(qū)動(dòng)空氣錘內(nèi)部的活塞高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生高頻低能量的沖擊載荷，同時(shí)鉆頭以較低的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。這種低鉆壓、低轉(zhuǎn)速、高沖擊的工作模式，使得鉆頭能夠以較小的能量消耗實(shí)現(xiàn)高效破巖。空氣錘的沖擊作用能夠使巖石內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，然后利用鉆頭的旋轉(zhuǎn)切削作用將破碎的巖石清除，大大提高了破巖效率。
圖1 空氣錘實(shí)物圖
適用地層：在元壩 13井鉆井施工中，空氣鉆在二開蓬萊鎮(zhèn)組、遂寧組、上沙溪廟組地層展現(xiàn)出了良好的適用性。該地層相對(duì)上部地層，雖然存在一定的復(fù)雜性，但空氣鉆能夠有效應(yīng)對(duì)。例如，二開第一趟鉆使用空氣錘，機(jī)械鉆速達(dá)到 14.75m/h，第二趟鉆采用牙輪空氣鉆，機(jī)械鉆速也有 14m/h，而同期二開同為沙溪廟組的復(fù)合鉆井機(jī)械鉆速僅為 5.08m/h，空氣鉆機(jī)械鉆速是復(fù)合鉆井的 2.75 倍。這表明空氣鉆在該地層能夠顯著提高鉆井速度，減少鉆井時(shí)間。
孕鑲鉆頭
孕鑲鉆頭采用了獨(dú)特的設(shè)計(jì)理念，其交錯(cuò)式唇面和自形成同心圓齒設(shè)計(jì)，以及金剛石在胎體中的有序排列技術(shù)是其核心亮點(diǎn)。在鉆進(jìn)過(guò)程中，隨著胎體與巖石的摩擦磨損，包裹在胎體內(nèi)的金剛石顆粒會(huì)逐漸露出并參與破巖工作。由于金剛石具有極高的硬度和耐磨性，使得孕鑲鉆頭在面對(duì)高研磨性地層時(shí)能夠持續(xù)有效地破碎巖石，并且能夠保持相對(duì)穩(wěn)定的工作性能，具有較高的耐久度，大大延長(zhǎng)了鉆頭的使用壽命。
圖2 孕鑲鉆頭出入井對(duì)比圖（左：入井前；右：出井后）
適用地層探索：在元壩 13井三開自流井組、須家河組地層，由于其強(qiáng)研磨性的特點(diǎn)，嘗試使用了勝利鉆井院 DIG259M 孕鑲鉆頭配合螺桿。然而，實(shí)際應(yīng)用效果并不理想。在自流井組珍珠沖段，使用孕鑲鉆頭的平均機(jī)械鉆速僅為 0.64m/h，遠(yuǎn)低于該段使用混合鉆頭復(fù)合鉆進(jìn)的 1.54m/h。在須家河組四段，孕鑲鉆頭進(jìn)尺僅有 1.58m，鉆進(jìn)期間頻繁憋泵，鉆時(shí)緩慢，機(jī)械鉆速 0.45m/h，也低于常規(guī)牙輪鉆在該組的平均機(jī)械鉆速 0.89m/h。綜合分析可知，孕鑲鉆頭不適用于元壩工區(qū)的自流井組、須家河組地層。
扭沖工具
扭沖工具是一種集多種破巖方式于一體的井下利器。在旋轉(zhuǎn)鉆井作業(yè)時(shí)，利用鉆井液作為動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)扭沖工具內(nèi)部的沖擊錘進(jìn)行反復(fù)的扭轉(zhuǎn)沖擊運(yùn)動(dòng)（圖3）。這種扭轉(zhuǎn)沖擊能夠?qū)⒉糠至黧w能量轉(zhuǎn)化為特定頻率、周向扭轉(zhuǎn)、沖擊型的井底機(jī)械破巖能量，并直接傳遞給鉆頭。通過(guò)這種方式，扭沖工具不僅增加了鉆頭的沖擊破巖能力，彌補(bǔ)了單純旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)在破巖效率上的不足，而且提高了扭矩傳遞效率，有效避免了鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)粘滑現(xiàn)象，保證了鉆頭能夠平穩(wěn)地切削巖石，從而延長(zhǎng)了鉆頭的使用壽命，提高了鉆井效率。
應(yīng)用效果與適用地層：在元壩 13 井須四段 - 須三段的應(yīng)用中，不同的鉆頭與扭沖工具組合呈現(xiàn)出不同的效果。當(dāng)使用勝利 PK6257SJ 型 PDC + 扭沖工具時(shí)，進(jìn)尺僅 9.28m，機(jī)械鉆速 0.34m/h，遠(yuǎn)低于常規(guī)牙輪鉆，表明該組合不適用于該地層。而改用江鉆 KMD1663DRT 型 PDC 鉆頭 + 扭沖工具后，單趟鉆機(jī)械鉆速達(dá)到 1.29m/h，略高于同層位牙輪鉆的 0.99m/h，且單只鉆頭進(jìn)尺增加了 5.75 倍。這充分說(shuō)明在須三、須四段地層，根據(jù)地層特性選擇合適的鉆頭與扭沖工具進(jìn)行配合，能夠顯著提高單只鉆頭進(jìn)尺，提升鉆井效率。
圖3 扭沖工具實(shí)物圖
史密斯鉆頭
史密斯鉆頭在設(shè)計(jì)上獨(dú)具匠心，其鑲嵌的加強(qiáng)齒在每個(gè)刀翼的縱向和橫向均有合理的鑲嵌和分布，并且經(jīng)過(guò)了高溫高壓強(qiáng)化處理，使得這些加強(qiáng)齒具有更高的耐久度和更強(qiáng)的攻擊性（圖4）。此外，該鉆頭采用六刀翼雙排齒結(jié)構(gòu)，具有中突的刨面流線和平直的刀翼形狀。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅增強(qiáng)了鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中的操控性，使其能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜地層的鉆進(jìn)需求，而且能夠有效應(yīng)對(duì)高研磨性地層，提高鉆頭的破巖效率，延長(zhǎng)鉆頭的使用壽命。
圖4 史密斯鉆頭出入井對(duì)比圖
適用地層：在元壩 13 井須二段地層，由于該地層研磨性極強(qiáng)，普通鉆頭磨損快，起下鉆頻繁。史密斯鉆頭在此地層的應(yīng)用表現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢(shì)。雖然其機(jī)械鉆速 1.19m/h 略低于牙輪常規(guī)鉆及 PDC 復(fù)合鉆，但由于其特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在研磨性地層中的純鉆時(shí)間有明顯優(yōu)勢(shì)，實(shí)鉆期間能夠有效減少起下鉆時(shí)間，提高了整體的鉆進(jìn)效率，表明其適用于須二段這樣研磨性較強(qiáng)的地層。
新技術(shù)新工具提效顯著
2022年以來(lái)，在元壩 13 井等5口井的施工過(guò)程中，新技術(shù)新工具的應(yīng)用對(duì)超深井鉆速的提升產(chǎn)生了多維度的顯著成效。
從整體數(shù)據(jù)來(lái)看，空氣鉆在上沙溪廟以上地層的應(yīng)用，極大地改變了該地層的鉆井速度格局，與傳統(tǒng)復(fù)合鉆井相比，機(jī)械鉆速倍數(shù)的提升直接縮短了鉆井周期。三開千佛崖組使用 PDC + 螺桿提速組合，機(jī)械鉆速為常規(guī)牙輪鉆的 3.92 倍，這一顯著的提速效果在該地層的鉆井作業(yè)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，減少了大量的鉆進(jìn)時(shí)間。須家河組四段使用 PDC + 螺桿提速組合機(jī)械鉆速為常規(guī)牙輪鉆的 1.56 倍，同樣對(duì)該地層的鉆速提升有著積極的貢獻(xiàn)。
扭沖工具在須三、須四段地層的合理應(yīng)用，不僅提高了單只鉆頭的進(jìn)尺，還優(yōu)化了鉆井效率。單只鉆頭進(jìn)尺的增加意味著減少了起下鉆的次數(shù)，而起下鉆作業(yè)在整個(gè)鉆井周期中占據(jù)著相當(dāng)比例的時(shí)間，減少起下鉆次數(shù)無(wú)疑會(huì)大幅縮短鉆井周期。史密斯鉆頭在須二段地層，雖然在機(jī)械鉆速上沒(méi)有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但通過(guò)提高純鉆時(shí)間和單只鉆頭進(jìn)尺，有效減少了因鉆頭頻繁更換而導(dǎo)致的時(shí)間浪費(fèi)，從另一個(gè)角度提升了鉆進(jìn)效率。
以上這些新技術(shù)新工具的綜合應(yīng)用，從不同方面克服了元壩地區(qū)超深井地層復(fù)雜、井身結(jié)構(gòu)受限等諸多不利因素，為超深井鉆速的提升提供了有力保障，顯著提高了元壩地區(qū)的鉆井效益。
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