深井大直径井段的钻井问题研究.doc

深井大直径井段的钻井问题研究1、前言 ..................................................................................................12、大直径井眼中的水力学问题 ..........................................................23、大直径井眼中机械能量不足的问题 ..............................................44、大尺寸牙轮钻头方面的问题 ..........................................................45、钻井装备方面的问题 ......................................................................56、解决(深井大直径井段)钻井问题的措施 ........................................67、结论与建议 ......................................................................................7深井大直径井段的钻井问题研究李树盛 谭春飞 蔡镜仑摘要：随着我国深井数量的增加，深井上部大直径井段钻井速度慢的问题日益突出。

在系统分析了大直径井段中普遍存在的钻井问题的基础上，指出当前深井大直径钻井技术的根本问题，是钻具、钻头、钻井装备与大直径井眼的工艺要求不相适应在软地层中主要表现为：沿程水力损失很大，水功率利用率极低，导致井底比水功率很低，井底和钻头清洗不良，影响机械钻速在硬地层和砾石层中主要表现为：钻压不足，导致机械破岩能量明显不足，同时大尺寸钻头齿面结构设计不合理，破岩效率低文中提出了解决深井大直径钻井问题的具体措施，对提高深井钻井速度具有一定的指导意义主题词：深井；大眼井钻井；钻井速度；钻井参数；钻头；钻井工艺；研究1、前言随着我国油气勘探开发向深部和西部地质条件复杂地区发展，深井、超深井的数量越来越多在一些地区要求 φ444.5 钻头钻达井深 1000～3000m，甚至有的达到3500～4000m随着大直径井段 (即井眼直径在 311.1mm 以上的井段)加深，钻井速度慢的问题越来越明显，而且对总的钻井周期和钻井成本的影响很大由于对大直径井眼钻井过程中主要存在的问题缺乏系统深入的研究，在生产实际中尚未能形成一套切实有效的解决办法为此，在现场调研和理论分析的基础上，本文着重对 φ444.5 井段中存在的钻井技术问题进行了探讨，提出了一些具体的技术措施，对解决深井大直径井段的钻井问题具有一定的现实意义。

2、大直径井眼中的水力学问题由于井眼尺寸增大，φ444.5 井眼在水力参数、井底清洗和岩屑携带能力等方面存在着一系列的水力学问题，严重影响了大直径井段的钻井速度2.1 水力参数对比［1，2］目前 φ444.5 井段所使用的钻杆与 φ215.9 和 φ311.1 井段相同，都是 φ114.3 或φ127 钻杆由于 φ444.5 井眼钻进需要的泥浆排量大，随着井深增加，沿程水力损失大幅度增加，井底水力能量随着井深增加而急剧下降假设在井深 2000m 条件下，采用φ127 钻杆，泥浆密度为 1.25g/cm3，塑性粘度为 15mPa.s，采用通常所使用的钻具组合和钻井参数表 1 中列出了不同尺寸井眼中的水力参数计算结果表 1 为不同尺寸井眼中的水力参数（Table 1Hydraulic parameters in different size holes）水力参数 φ 215.9 井眼 φ311.1 井眼 φ444.5 井眼钻铤长度(m) 177.8DC*81m+158.8DC*108m228.6DC*54m+203.2DC*81m+177.8DC*81m228.6DC*54m+203.3DC*81m+177.8DC*108m泥浆排量(L/s) 30 40 48泵压(MPa) 20 20 20循环压耗(MPa) 7.8 11.9 16.9钻头可用压降(MPa) 12.2 8.1 3.1喷射速度(m/s) 136 110.7 68.2井底水功率(kW) 366.3 324.1 147.7比水功率(kW/cm2) 1.0 0.426 0.095水功率利用率(%) 61.0 40.5 15.4在上述计算条件下，φ444.5 牙轮钻头的喷射速度只有 φ215.9 牙轮钻头的 50%，井底比水功率仅有 φ215.9 井眼的 9.5%，960kW 水功率仅有 15.4%的水力能量能够发挥有效作用。

正是由于水力能量大部分损失在钻柱内，可用来清洗井底和钻头的水力能量很低，井底和钻头清洗状况不良，从而大大地影响了 φ444.5 井段的钻井速度如何解放大直径井段的水力能量，大幅度提高水功率利用率，是目前大直径钻井必须要解决的问题2.2 井底和钻头的清洗［3］在钻井过程中，如果井底清洗不良，容易出现井底泥包和钻头泥包两种现象，影响钻进效率和机械钻速实现井底和钻头的高效清洗是提高机械钻速的最有效手段喷射钻井的关键，就是利用射流对井底和钻头的有效清洗和水力辅助破岩作用，保持井底“干净” ，减少井底泥包垫层，避免重复破碎，提高机械钻速射流对井底的清洗机理可以归结为两种方式的作用：(1) 在射流冲击区，较高的冲击压力梯度可使岩屑产生翻转从而脱离井底；(2) 射流冲向井底后，就形成沿着井底横向流动的漫流高速漫流具有横向剪切和推移作用，可以迅速运移岩屑一个喷嘴对井底的清洗能力和有效作用范围，可用冲击压力梯度和漫流速度这两个指标来衡量已有研究表明，漫流速度跟流量与喷速的乘积的平方根成正比计算得出φ215.9、φ311.1、φ444.5 钻头喷嘴的分别为 36.88、38.42 和 33.03，说明单个喷嘴的漫流速度差别不大。

设三种尺寸钻头喷嘴出口距井底的距离分别为120mm、170mm、220mm，可得出冲击压力梯度计算结果( 表 2)表 2 三种尺寸钻头喷嘴的射流冲击压力梯度（Table 2 Pressure gradients of different bit jet impinging on bottomhole）参数 φ215.9 井眼 φ311.1 井眼 φ444.5 井眼水眼直径(mm) 9.7 12.7 17.3井底上射流边界直径(mm) 26.5 36.2 48.1边界上压力梯度 0.035 0.015 0.005等压力梯度的直径(mm) 26.5 33.6 39.2最大冲击压力(MPa) 11.56 7.66 2.91综合冲击压力梯度和漫流速度两项指标来看，虽然漫流速度相近，但 φ444.5 钻头喷嘴的射流冲击压力梯度和最大冲击压力较低因此，可以认为三种尺寸钻头喷嘴的有效清洗范围基本相当φ215.9 钻头三个喷嘴的清洗范围可以覆盖整个井底；而 φ444.5钻头三个喷嘴的清洗范围只能覆盖井底的一小部分，相邻喷嘴之间存在很大的清洗死角，对牙轮下方的区域无法进行有效清洗，水力清除井底岩屑的能力大大降低，井底泥包和钻头泥包都难以避免，现场使用中也发现在软地层中 φ444.5 钻头普遍存在泥包现象。

2.3 岩屑携带能力随着井眼尺寸增大和环空返速大幅度减小，岩屑举升效率急剧下降，携带岩屑的最大粒径( 即岩屑举升效率为 0.5 时对应的岩屑粒径) 明显减小，计算结果见表 3表 3 不同尺寸井眼中泥浆的岩屑携带能力（Table 3　Capability of cutting-carrying in different size holes） 参数 φ215.9 井眼 φ311.1 井眼 φ444.5 井眼环空返速(m/s) 1.25(0.95) 0.63 0.34携带岩屑最大粒径(mm) 24(18) 12 6.5注：(1) 表中计算所用参数同表 1；(2) 括号中数据为考虑井径扩大系数为 1.1 时计算结果这对于经常钻遇上部井段砾石层和含砾石的泥岩、砂岩地层的大直径钻头来说，携带岩屑粒径的减小意味着井底的岩石或砾石要破碎到更小的粒度才能由泥浆带出，这需要更多的机械破岩能量，耗费更长时间进行重复破碎积聚在井底上的粒度较大的砾石会形成砾石垫层，只有当砾石垫层被破碎至可由泥浆携带出来的细颗粒之后，才能形成新的进尺因此，岩屑携带能力降低也是导致大直径牙轮钻头在砾石层中机械钻速很低的一个重要原因。

3、大直径井眼中机械能量不足的问题由于目前国内缺少 φ254mm 以上的大尺寸钻铤，大尺寸钻头上施加的钻压普遍不足现场资料表明，目前 φ444.5 牙轮钻头所加钻压与 φ311.1 钻头基本相当表 4 为我国西部地区不同直径钻头常用的钻压、转速和机械破岩能量的对比表 4 不同直径钻头的机械破岩能量对比Table 4 Comparison of mechanical rock-breakage parameters of different size rock-bits钻头直径(mm)井底面积(cm2)每米破岩量比值(%)钻压(kN) 比钻压(kN/cm)转速(r/min)比钻压*转速 比值(%)φ215.9 366.44 100 120～1605.56～7.4170 389.2～518.7 100φ311.1 759.99 207 180～2405.79～7.7270 405.3～540.2 104φ444.5 1551.8 423 180～2404.05～5.4070 283.5～378 73由表 4 可见，φ444.5 钻头的机械破岩能量(比钻压×转速) 仅相当于 φ311.1 和φ215.9 钻头的 70%左右。

在上部软地层井段所需机械破岩能量小，水力因素影响较大，机械破岩能量对钻速的影响不显著但随着井深的增加，地层逐渐变硬，大尺寸钻头机械破岩能量不足的影响就越来越显著遇到难钻地层，机械能量不足会明显影响钻头的机械钻速另外，在易斜井段一般采用钟摆钻具轻压吊打，此时机械破岩能量也明显不足4、大尺寸牙轮钻头方面的问题4.1 钻头系列不全由于大尺寸钻头市场用量不大，国内钻头厂家在这档钻头上竞争不强，研制开发出来的品种很少，型号系列不全，一些先进的新技术也未在大尺寸牙轮钻头上应用，因此钻头指标不高，现场钻头选型没有余地随着 φ444.5 钻头所钻井段深度的增加，地层岩性变化较大，如经常遇到致密难钻的泥岩、砾岩夹岩、研磨性较高的砂岩等，现有型号 φ444.5 牙轮钻头很难满足深井钻井的需要而进口钻头价格十分昂贵，且往往不能及时供货加之 PDC 钻头在上部井段往往受到地层岩性的限制不能广泛使用，这就大大制约了大直径井眼钻井速度的提高4.2 钻头齿面结构问题大尺寸牙轮钻头的设计参数往往是根据与 φ215.9 钻头几何相似得来，对岩石破碎的要求考虑不够通过下面的分析可以发现，对齿面结构进行简单的几何放大将给岩石破碎带来新的问题，增大牙齿尺寸将对钻头的破岩效率产生直接影响。

4.2.1 齿径对井底破岩的影响［4］目前 φ215.9、φ444.5 镶齿钻头的牙齿直径分别为 φ15～φ16mm 和 φ25mm ，齿顶间距分别为 25～30mm 和 40～50mm随着齿顶间距增大，井底相邻破碎坑之间的间距加大，各圈牙齿在井底破碎环带上的齿坑密度相应减小对于软地层，由于在齿坑密度减小的同时牙齿吃入深度大，齿坑大，因而影响不是十分显著；而对于较硬地层、硬塑性难钻地层，由于牙齿吃入深度浅，难以发生大的体积破碎，破碎坑较小，齿坑密度的减小将直接引起机械钻速的明显降低；对于砾石层来说，由于齿顶间距的增大，牙齿在井底的冲击密度和砾石受到冲击破碎的几率相应减小，必然增加钻时，机械钻速下降4.2.2 齿径对齿顶与井底接触应力的影响［5。