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吉林油田前期針對鉆井提速在鉆頭選型、井身結(jié)構(gòu)、 鉆井液性能、鉆進(jìn)參數(shù)、鉆頭切削齒布齒方式和強(qiáng)度等方面開展了大量研究。 在鉆頭方面通過鉆頭材料、設(shè)計和制造等技術(shù)的不斷創(chuàng)新，研發(fā)高效破巖及長壽命鉆頭，提高了機(jī)械鉆速和進(jìn)尺，減少了起下鉆次數(shù)，縮短鉆井周期，大幅提高作業(yè)效率，降低作業(yè)成本。
 
但隨著機(jī)械鉆速的提高，常規(guī)鉆頭提速技術(shù)陷入瓶頸，亟需一種新型的鉆頭進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速，大量研究結(jié)果表明排量、鉆壓、轉(zhuǎn)速對鉆井速度有較大的影響。通過與鉆頭制造廠商溝通與合作，設(shè)計制造了一種新型超大水眼鉆頭，直徑達(dá) 60mm，當(dāng)量水眼面積達(dá) 2,826mm 2 ，通過在乾安地區(qū)某井試驗(yàn)表明，該鉆頭在大排量、大鉆壓、高轉(zhuǎn)速的鉆進(jìn)參數(shù)下提速效果明顯。
 
超大水眼鉆頭特點(diǎn)
 
超大水眼鉆頭的設(shè)計理念顛覆了傳統(tǒng)鉆頭噴嘴，它采用放射性中心孔代替鉆頭噴嘴。噴嘴式鉆頭井底流場以射流為主，在鉆頭表面容易形成旋渦區(qū)和回流區(qū)，而放射性中心孔井底流場以漫流為主，減少了旋渦區(qū)和回流區(qū)，減少了在紊動過程中浪費(fèi)的能量，使巖屑順利的定向運(yùn)動，避免重復(fù)切削，提高了井底清洗效果和攜巖效果，并防止產(chǎn)生鉆頭泥包。鉆頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為淺錐冠型 5 刀翼，攻擊性強(qiáng)；強(qiáng)化保徑， 倒 劃 眼 設(shè) 計；φ16mm 切 削齒，低等密度布齒；攻擊性角度設(shè)計；放射性中心孔式流道，底孔直徑 60mm，頂部孔直徑 80mm，水眼總面積 2,826mm 2 。鉆 頭 流 道 區(qū) 域 最 大 流 速 約 為9m/s，存在較大范圍低速區(qū)，與普通結(jié)構(gòu)鉆頭最大流速 50m/s 相比流速偏低。井底流場無明顯漩渦區(qū)及回流區(qū)，可以避免重復(fù)切削。
 
超大水眼鉆頭應(yīng)用試驗(yàn)
 
依據(jù)大排量、大鉆壓、高轉(zhuǎn)速提速思路設(shè)計制造的超大水眼 PDC鉆頭計劃在乾安某水平井進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)?，F(xiàn)場試驗(yàn)以驗(yàn)證大排量、大鉆壓、高轉(zhuǎn)速提速思路為目的。通過逐步提高排量、鉆壓、鉆速，精確記錄每米鉆時，對同一地層下不同鉆進(jìn)參數(shù)的機(jī)械鉆速的對比，驗(yàn)證大排量、大鉆壓、高轉(zhuǎn)速提速的科學(xué)性和可行性。
 
第 一 次 變 鉆 進(jìn) 參 數(shù)。 在 井 段354~559m，地層為明水組，巖性為灰色泥巖。井深 354m，開始鉆進(jìn)，施工參數(shù)：鉆壓 2t，排量 35L/s， 轉(zhuǎn) 速 60rpm， 泵 壓 8MPa。 井深 444m， 改 變 鉆 進(jìn) 參 數(shù)： 排 量35 L/s 變 為 36L/s， 轉(zhuǎn) 速 60rpm變 為 65rpm， 泵 壓 由 8MPa 升 為9MPa，鉆壓 2t 不變。改變鉆進(jìn)參數(shù)前鉆進(jìn)井段 354~443m，平均每米鉆時為 1.96min/m，平均機(jī)械鉆速為 30.61m/h；改變鉆進(jìn)參數(shù)后鉆進(jìn)井段 444~559m，平均每米鉆時 為 1.59min/m， 平 均 機(jī) 械 鉆 速為 37.74m/h，平均機(jī)械鉆速提速23.29%。第 二 次 改 變 鉆 進(jìn) 參 數(shù)。
 
在 井段 560~689m， 地 層 為 四 方 臺 子組，巖性為棕色泥巖、灰色泥巖。井 深 579m， 改 變 鉆 進(jìn) 參 數(shù)： 排量 36L/s 變?yōu)?38L/s，其他參數(shù)不變， 轉(zhuǎn) 速 65 rpm， 泵 壓 9MPa，鉆 壓 3t~4t。 改 變 鉆 進(jìn) 參 數(shù) 前 鉆進(jìn) 井 段 560~579m， 平 均 每 米 鉆時 為 1.99min/m， 平 均 機(jī) 械 鉆 速為 30.15m/h；改變鉆進(jìn)參數(shù)后鉆進(jìn) 井 段 580~689m， 平 均 每 米 鉆時 為 1.67min/m， 平 均 機(jī) 械 鉆 速為 35.93m/h，平均機(jī)械鉆速提速19.17%。
 
第 三 次 改 變 鉆 進(jìn) 參 數(shù)。 在 井段 830~1,130m，地層為嫩四段，巖 性 為 灰 色 粉 砂 質(zhì) 泥 巖、 灰 色 泥質(zhì)粉砂巖。井深 873m，改變鉆進(jìn)參 數(shù)： 排 量 38L/s 變 為 40L/s，轉(zhuǎn) 速 65 rpm 變 為 70 rpm， 鉆 壓由 4t 變 為 7~8t， 泵 壓 由 11MPa升為 14MPa。改變鉆進(jìn)參數(shù)前鉆進(jìn) 井 段 830~873m， 平 均 每 米 鉆時 為 2.46min/m， 平 均 機(jī) 械 鉆 速為 24.39m/h；改變鉆進(jìn)參數(shù)后鉆進(jìn) 井 段 874~912m，平 均 每 米 鉆時 為 1.46min/m，平 均 機(jī) 械 鉆 速為 41.10m/h，平均機(jī)械鉆速提速68.51%。井深 912m，改變鉆進(jìn)參數(shù)：排量 40L/s 降為 38L/s，其他參數(shù)不變，轉(zhuǎn)速 70 rpm，鉆壓 7~8t，泵壓 14 MPa。
 
改變鉆進(jìn)參數(shù)后鉆進(jìn)井段 913~941.5m，平均每米鉆時為 1.58min/m，平均機(jī)械鉆速為37.97m/h，降排量后平均機(jī)械鉆速降 速 7.62%。 井 深 941.5m， 改 變鉆 進(jìn) 參 數(shù)： 排 量 38L/s 降 為 36L/s，其他參數(shù)不變，轉(zhuǎn)速 70 rpm，鉆 壓 7~8t， 泵 壓 由 14 MPa 降 為12MPa。 改 變 鉆 進(jìn) 參 數(shù) 后 鉆 進(jìn) 井段 941.5~960m， 平 均 每 米 鉆 時為 3.34min/m， 平 均 機(jī) 械 鉆 速 為17.96m/h，降排量后平均機(jī)械鉆速降 速 52.70%。 井 深 960m， 改 變圖 2 超大水眼鉆頭入井圖鉆 進(jìn) 參 數(shù)： 排 量 36L/s 升 為 37L/s，其他參數(shù)不變，轉(zhuǎn)速 70 rpm，鉆 壓 7~8t， 泵 壓 由 12 MPa 升為 13MPa。改變鉆進(jìn)參數(shù)后鉆進(jìn)井 段 960~1,130m， 平 均 每 米 鉆時 為 2.47min/m， 平 均 機(jī) 械 鉆 速為 24.29m/h，平均機(jī)械鉆速提速35.24%。
 
可見，超大水眼 PDC 鉆頭在排量、鉆壓、轉(zhuǎn)速提升后，提速效果較為明顯，證實(shí)了大排量、大鉆壓、高轉(zhuǎn)速提速的科學(xué)性和可行性。試驗(yàn)表明， 該鉆頭在隨著井深的增加、地層巖性的變化、地層逐步變硬，需要逐步增加排量、鉆壓、轉(zhuǎn)速才能體現(xiàn)其在機(jī)械鉆速上的優(yōu)勢。在嫩四段的試驗(yàn)結(jié)果表明該鉆頭在一定排量（≥ 37 L/s）、鉆壓≥ 7t，提速效果更為明顯。由于受螺桿最大排量（40L/s）和自身材料、結(jié)構(gòu)限制，大于 40 L/s 排量和大于 8t下的提速效果尚不清楚。