PDC 钻头配合马达及水力振荡器组合在渤海油田KL 区块S 井的应用

陈宇同 汤柏松 朱金亭 江 会

（天津市塘沽区中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，中国 天津 300452）

0 引言

如何实现优快钻进是钻井工程中的重点。钻头与地层不匹配、频繁调整轨迹、滑动钻进时托压严重等问题，在定向钻进时屡见不鲜。 随机石油勘探技术的开发，完钻深度也逐日增加，伴随着井眼深度的增加，机械钻速偏低、轨迹控制困难、滑动钻进托压严重等复杂情况与日俱增。 本次在渤海油田KL 区块S 井是一口大斜度井，12-1/4" 井段使用PDC 钻头加马达配合水力振荡器的钻具组合，裸眼段进尺1 713 m，平均机械钻速43.4 m/h，纯钻时间仅为39 h，体现出良好的技术效益，节省了几十万元的工程费用，证明了该钻具组合的优良应用效果。

1 S 井12- 1/4" 井段作业难点

（1）砂岩段扭矩偏高，在钻进、划眼及倒划眼过程中，须注意扭矩波动变化，防止扭矩过大而造成顶驱蹩停、钻具扭断甚至局部脱扣等严重后果；

（2）泥岩段由于岩性易出现缩径情况，需注意防止出现憋压、抬钻具等情况的发生。 在砂泥岩交界密集的井段， 还要防止由于井壁不规则而出现台阶，最终出现新井眼的情况[1]。

（3）大段泥岩进行滑动钻进，往往会出现托压现象，即钻具无法正常滑动，钻进期间应施加在钻头上的钻压，由于钻具组合与井壁之间的摩阻较大，导致钻压全部或大部分施加在了钻具组合上。表现特征为伴随钻压的加大，机械钻速未有明显的增加，同时没有回压，钻进摩阻显著增大。

（4）托压现象的出现，必然导致钻进作业的连续性和安全性受到影响，频繁的参数调整不仅无法满足机械钻速，对井眼轨迹的控制也会变得困难。

2 钻具组合特点

2.1 PDC 钻头

合理选择与地层匹配的PDC 钻头， 是有效提高机械钻速的首要条件。 PDC 钻头具有工作时间长、固态部件、运行可靠等诸多特点，可胜任一只钻头钻完一个裸眼段的任务，通过减少起下钻更换钻头时间来有效提高机械钻速。 钻进过程中，除钻头本身和地层岩性因素外，影响钻头的因素包括入井钻具组合与钻头的适配性、水头水功率冲洗情况、裸眼段清洁效率、井眼轨迹、起下钻难易程度及钻井液性能等[2]。

本次选用的CKS605KA 钻头是川石克锐达公司制造的一种5 刀翼的PDC 钻头，具有如下特点：

（1）主切削齿尺寸为19 mm，大尺寸金刚石复合片使得钻头的吃入切削能力增强，冠部形状特征使得破岩攻击力较强；（2）5 刀翼钻头的流道宽大，显著降低在黏软地层出现钻头泥包及憋压的风险，同时宽大的流道有利于岩屑的返出；（3）水眼流道面积8.02 cm2，能有效提高钻头水力破岩功率，保持井底岩屑及时返出，充分冷却、清洗钻头。

2.2 马达

马达动力钻具也是影响机械钻速的必要条件之一，其弯角角度、扶正翼的大小及形状是该钻具组合能否顺利钻穿多套地层体系的重要因素。马达需具备长时间作业能力、 适应中低转速与高扭矩的特点，达到与PDC 钻头组合能一次钻完一个井段的目的，随着井深的增加、泵压的升高及马达压耗的影响，钻进期间的排量会逐步降低，马达应仍能在排量降低的情况下保证足够的输出扭矩和驱动力[3]。

本次选用立林公司的9-5/8"马达，马达头数为5∶6，工作启动排量为2 800 L/min， 入井间隙为1 mm，马达弯角为可调式1.15°，扶正翼尺寸308 mm，规格为直翼，有利于滑动钻进[4]。

2.3 水力振荡器

滑动钻进是利用马达弯角进行造斜、扭方位的一种钻进方式，其主要特点是钻柱的转速低、驱动扭矩波动小、深部地层的机械钻速偏低，同时会带来井眼轨迹不规则、由于托压造成钻进困难及环空憋堵等情况，而使用水力振荡器能有效解决托压这一难题[5]。其主要特点：

（1）通过水力脉冲可产生横向和轴向振动；（2）工具本体与无磁钻铤相似，长度相对较短，方便组合钻具；（3）在常规定向井、大斜度、大位移井钻进期间，由于钻具产生的振动，能有效降低压差卡钻发生的概率；（4）通过振动对井底产生冲击力，提高滑动钻进效率，有利于提升机械钻速。

3 钻具组合在S 井12- 1/4" 井段的应用情况

3.1 钻具组合及钻井参数

钻具组合：

12-1/4"PDC-BIT+9-5/8"PDM (1.15°/308mm)+8"F/V+11-7/8"STB+8"MWD+8"LWD+8"NMDC+8"(F/J+JAR)+X/O+5"HWDP×14+X/O+水力振荡器+X/O+5"DP。

钻井参数：

钻压是影响机械钻速的直接要素。钻压过大会虽然会在短时间内增大机械钻速，但对钻头、钻具的磨损也会提高，从而降低钻具的使用寿命。钻压过低，钻头无法有效破岩， 且由于低钻压带来的吊打情况，一般情况会造成井底井斜降低的情况[6]。钻进期间，根据地层岩性预测分析，适时对钻压进行调整，同时要求钻台人员平稳规范操作，努力实现“勤调少滑”，达到一只钻头完成整个裸眼段的任务。

排量，滑动钻进期间，为保证造斜率，采取中等排量减少对井底的过度冲刷；在旋转钻进期间，开启高排量，通过高压水力射流辅助破岩，同时保证环空返速，提高对井底岩屑的清洁与返出能力。

转速采取中等参数，钻进期间，由于PDC 钻头由于地层岩性因素及物理运动机理，可能产生方位右漂的情况，转速开启参数为50～80 转，马达驱动头受到排量影响，对钻头提供额外的转速，可使井底钻头转速超过120 转，实现大排量、高转速钻进，钻进期间方位变化平稳，无明显的漂移现象，扭矩波动小，无频繁蹩扭矩情况[7]。

钻头出井的API 磨损评价为0-1-A-X-I-NOTD。钻头仅外排齿有部分磨损，保径齿正常，水眼无堵塞现象。

3.2 实钻效果

造斜井段，与定向设计对比，能够满足每30 米3°井斜的造斜率，平稳增斜至68°井斜，未出现造斜率低或局部狗腿度过大的情况， 且整体造斜过程参数稳定，无明显的托压情况，体现出钻具组合良好的应用效果。

稳斜井段，实钻过程中，受地层倾角影响，每柱井斜呈自然降斜趋势，钻进采用中-低钻压、高排量、大转速的参数，在保证井身轨迹稳定的情况下，提高机械钻速。

通过钻前预测及参数适时调整，本井裸眼段完钻长度为1 713 m，采用连续增斜模式调整井斜至68°，平均机械钻速43.4 m/h，纯钻时间仅为39 h[8]。 钻进及短起下钻期间，均未出现任何井下复杂情况，整体轨迹变化平稳，无大狗腿现象，千米进尺事故率为0，纯钻时间与钻井设计相对比节省工期近0.5 天。

4 结论

目前，国际油价受多方面影响，仍处于断崖式下跌后的回暖期内， 对石油系统是一个前所未有的漫长寒冬，因此，努力提高机械钻速、避免井下复杂情况发生、加大新型技术的开发是必须值得肯定与推广的。 根据渤海油田KL 区块12-1/4" 井段的地层结构与岩性变化特征， 使用攻击性强的PDC， 配合马达及水力振荡器，实现了参数优化与轨迹平稳控制，真正做到了勤调少滑， 为本井的高效钻进及良好井眼轨迹提供了技术和工具的保障，对该区块今后的大斜度井、大位移井、水平井及分支井作业，均有着举足轻重的指导意义。