自前蘇聯(lián)在1924年成功將渦輪鉆具應(yīng)用到鉆井中開始，渦輪鉆具得到了不斷發(fā)展，目前可用于直井及定向井鉆井作業(yè)。在歐美各油田，多采用PDC鉆頭配合渦輪鉆具鉆進(jìn)，機(jī)械鉆速大大提高。
渦輪鉆井技術(shù)優(yōu)點(diǎn) 可以提高機(jī)械鉆速，大幅度縮短鉆井周期;提高鉆具穩(wěn)定性能，保護(hù)鉆具及井下工具;配合孕鑲金剛石鉆頭，提高單只鉆頭壽命及進(jìn)尺，減少起下鉆時(shí)間。與牙輪鉆進(jìn)相比較，渦輪鉆井單趟鉆進(jìn)平均可節(jié)約5～8 次起下鉆;減少鉆井液對儲(chǔ)層的浸泡時(shí)間，有利于保護(hù)和發(fā)現(xiàn)油氣層;可提供良好的井眼條件，有利于提高固井和完井質(zhì)量。
實(shí)施渦輪鉆井的條件 渦輪鉆具需要一定的壓力損耗以提供足夠的能量輸出，要求鉆井泵具有足夠的功率，以保障渦輪鉆具需要的水力能量;渦輪鉆具特性需要足夠的穩(wěn)定性，長保徑鉆頭及扶正器的使用要求具備良好的井眼條件，鉆井液具有良好的攜巖能力及護(hù)壁性能，提高井壁穩(wěn)定性，減少井下掉塊，以避免蹩跳等現(xiàn)象的發(fā)生。渦輪鉆具示意圖見圖1。
渦輪鉆具選擇 根據(jù)地層巖性及井眼尺寸，選擇使用Smith Neyrfor 4 3/4″T1MK2直渦輪，總長11.22m，渦輪輪級(jí)為99級(jí)，轉(zhuǎn)速700~1400rpm，適合鉆頭尺寸5 5/8~6 3/4″。
鉆頭選型 針對于須家河組地層石英含量高、研磨性強(qiáng)、可鉆性差，且存在泥頁巖夾層的情況，選擇K507/K503孕鑲金剛石鉆頭(見圖2)，均為12刀翼，適合鉆壓 2~9t。該型鉆頭針對較硬的研磨性地層，采用GHI孕鑲方式和長保徑結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了鉆頭的抗磨能力。目的是以渦輪鉆具的高轉(zhuǎn)速結(jié)合孕鑲金剛石鉆頭的抗研磨及自銳性能，實(shí)現(xiàn)機(jī)械鉆速的提高。
鉆井參數(shù)設(shè)計(jì) 渦輪鉆具參數(shù)設(shè)計(jì)見表2。
自2009年以來，累計(jì)在XC8井和X501井進(jìn)行了渦輪鉆井試驗(yàn)，渦輪鉆井鉆具組合：Φ165.1mm
K507/K503鉆頭+Φ120.6mmT1XLMK2渦輪鉆具+Φ158.8mm球形扶正器+浮閥+Φ120.6mm鉆鋌9根+Φ120.6mm隨鉆震擊器+旁通閥+Φ88.9mm加重鉆桿15根+Φ101.6mm鉆桿。
鉆井指標(biāo)分析 XC8井渦輪鉆進(jìn)井段4828.00~4966.43m，純鉆時(shí)間96.75h，進(jìn)尺138.43m，平均機(jī)械鉆速1.43m/h，此次渦輪鉆井在川西地區(qū)為首次成功應(yīng)用。
X501井第一趟渦輪鉆進(jìn)井段為4815.55~5040.21m，進(jìn)尺224.66m，純鉆時(shí)間110.75h，平均機(jī)械鉆速2.03m/h。第二趟鉆進(jìn)井段為5040.21~5245.49m，進(jìn)尺205.28m，純鉆時(shí)間102.25h，平均機(jī)械鉆速2.01m/h。該井用兩趟鉆實(shí)現(xiàn)須二段總進(jìn)尺 429.94m，純鉆時(shí)間213.00h，平均機(jī)械鉆速達(dá)到2.02m/h，創(chuàng)川西地區(qū)須二段鉆井新紀(jì)錄。
由圖3和圖4可以看出，兩口井采用渦輪鉆井分別提高機(jī)械鉆速55.43%和119.56%，進(jìn)尺增加3~5倍。且渦輪鉆井純鉆率高達(dá)50.92%，在保證相對較高的機(jī)械鉆速前提下，可以有效地節(jié)約鉆井時(shí)間，提高鉆井效率，通過與鄰井對比發(fā)現(xiàn)，可節(jié)約鉆井時(shí)間20d以上，有效縮短了鉆井周期。
鉆頭應(yīng)用效果 通過對兩只鉆頭分析，K507 及K503 型孕鑲金剛石鉆頭與須二段高石英含量砂巖地層配合性均較好，鉆頭磨損均勻，在正常的范圍內(nèi)。孕鑲金剛石鉆頭的自銳能力在使用中得到了良好的驗(yàn)證，其GHI 齒的磨損及胎體表面金剛石的良好暴露，在高速條件下可以通過對地層的磨削獲得較高的機(jī)械鉆速。鉆頭在砂巖、碳質(zhì)頁巖、石英砂巖、砂礫巖地層均能夠獲得良好的機(jī)械鉆速，但在高抗壓實(shí)強(qiáng)度、高硬度頁巖地層，機(jī)械鉆速有所降低。
其中，K507鉆頭在XC8井及X501井兩次入井總純鉆時(shí)間達(dá)到207.5h，總進(jìn)尺達(dá)到383.09m，是川西地區(qū)須二段地層進(jìn)尺和純鉆時(shí)間最長的鉆頭。K507鉆頭出井情況見圖5。
使用要點(diǎn) 渦輪鉆具入井前在井口以小排量(正常鉆進(jìn)排量的60%，Q=8～10L/s)進(jìn)行空運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，檢查渦輪鉆具是否容易啟動(dòng)和螺紋處有無滲漏，并記錄立管壓力和排量。地面流量測試最大壓力不能超過7MPa。
開泵須使用鉆桿濾清器，以防渦輪鉆具和鉆頭水眼堵塞(接單根前應(yīng)及時(shí)取出濾清器)。
下鉆遇阻不超過50kN，上下活動(dòng)鉆具無效時(shí)，應(yīng)開單泵循環(huán)，慢慢劃眼通過，不得強(qiáng)下;盡量避免用鉆頭劃眼，如果劃眼，一定要試著用小排量，不超過正常鉆進(jìn)2/3 的排量。
鉆頭距井底5.0～9.0m 時(shí)先開單泵循環(huán)，井口有鉆井液返出時(shí)緩慢下放鉆具，清洗井底，以小鉆壓(10～20kN)進(jìn)行井底造型0.3～0.5m，逐漸將排量開到設(shè)計(jì)值，將鉆壓增加至設(shè)計(jì)值，司鉆可根據(jù)鉆時(shí)及扭矩變化在一定范圍內(nèi)調(diào)整鉆壓，使機(jī)械鉆速達(dá)到最高。
正常鉆進(jìn)時(shí)鉆壓控制在30～70kN 左右，送鉆要均勻，嚴(yán)防溜鉆，及時(shí)變換參數(shù)，注意鉆壓、泵壓、鉆時(shí)及扭矩的變化情況，準(zhǔn)確判斷鉆頭工作情況。因渦輪鉆進(jìn)所需要鉆壓較小，司鉆應(yīng)結(jié)合鉆進(jìn)速度，及時(shí)校正司鉆控制臺(tái)相關(guān)儀表。鉆進(jìn)中需停泵時(shí)，應(yīng)先上提鉆具不少于6m，以防巖屑下沉而卡住鉆頭或渦輪鉆具。
如發(fā)生井漏，應(yīng)認(rèn)真分析漏層特性，并立即組織人員和材料及向甲方有關(guān)部門申報(bào)，決定下步施工方案。如果堵漏，須要參照Smith 堵漏材料表進(jìn)行堵漏材料選擇。否則起出渦輪鉆具，再進(jìn)行堵漏。
當(dāng)需換鉆頭、鉆達(dá)設(shè)計(jì)井深或者其他原因的起鉆，如果在裸眼段起鉆遇阻，應(yīng)該馬上下放，然后再慢慢上提。如果遇阻上提拉力仍增加，應(yīng)再次慢慢下放鉆具，并接上方鉆桿或者頂驅(qū)開泵慢慢倒劃眼。
川西深層須二段地層應(yīng)用渦輪鉆井技術(shù)，可以提高機(jī)械鉆速1倍以上，進(jìn)尺增加3~5倍，且井下工作時(shí)間長，有效縮短了鉆井時(shí)間。
高速渦輪鉆具配合孕鑲金剛石鉆頭在川西深層的成功應(yīng)用，驗(yàn)證了渦輪鉆具在高研磨性砂巖井段的適應(yīng)能力，是提高深層鉆速的有效途徑，建議在該地區(qū)廣泛推廣應(yīng)用。
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