四合一钻具钻井技术--(局修改版0628)

长庆油田定向井
二开“一趟钻”钻井技术
--长庆石油勘探局
一、基本情况
长庆石油勘探局采用“四合一”钻具,在油井定向井施工实现了二开“一趟钻”完钻，“四合一”钻具是复合钻井技术的继承和发展,是四种工具、四种性能的集成。

具备了塔式钟摆的防斜性能、多稳定器结构稳斜稳方位能力、复合钻井的滑动可调性、PDC钻头的快速钻进等综合优势，使定向井的二开直井段-造斜段-增斜段-稳斜段钻井实现“一趟钻”完钻，成为钻井提速的有效钻具组合。

2006年在姬塬区块试验应用后，刷新了长庆钻井历史上11项指标，钻机月速度提高23.95 %，一趟钻比例达到19.31 %。

2007年在油田各区块推广应用，再次刷新了长庆钻井历史上6项指标，截止6月26日油井开钻745口，完井691口钻井进尺145.7万米，二开“一趟钻”完钻185口，完钻比例达到27.24 %，钻机月速度提高27.45 %，机械钻速提高
19.7 %，钻井周期下降12.39%。

二、“四合一”钻具结构形成的背景及技术思路
(一) “四合一”钻具是提速的需要
1、市场占有率低
长庆钻井的内部市场占有率仅为50%，与长庆油田的大发展不相适应，靠增加设备，需要大量的投资，在设备有限的情况下，只有提高钻井速度，才能提高市场占有率，才能促进长庆油田的快速有效协调发展。

2、钻井成本压力大
长庆油田一直走的是“低成本开发”的路子，新的《钻井系统工程预算定额》未能实施，土地增值、社会环境复杂、环保要求高，原材料涨价，外协费用上升，钻井成本压力加大，只有提高速度，多打井，才能控制降低综合成本。

3、技术储备与油田发展不同步
2001年复合钻井技术和双稳定器钻井技术取得突破后，钻具结构持续优化方面进展缓慢，需要有一种新的技术来实现突破，并且能够满足多种工况，实现二开到完钻的“一趟钻”完成。

(二) “四合一”钻具的技术思路
1、为了跟进油田发展的需要。

随着长庆油田的大发展，钻井工作逐年增加，但长庆钻井系统连续几年的年工作量均不到长庆钻井市场总量的50%。

2000年开始，我们采用复合钻井技术，大幅度提高了机械钻速，减少了起下钻次数。

2005年在虎狼峁、
白于山区块有25口井在二开后实现两趟钻完钻，但定向井中占的比例还很小，井深2000米以上的大部分起下钻平均四趟、1800米的井起下钻三趟。

如何才能提高钻井工程技术服务能力，只有在减少起下钻、提高机械钻速上做文章。

2、难题和技术关键。

在油井定向井施工中的技术难题：一是防斜打直，过去采用钟摆钻具，但钻至造斜位置就必须起钻换螺杆钻具；二是斜井段当井斜、方位达到一定程度时，则必须更换稳斜、稳方位的多稳定器钻具，我们曾经主要使用的是双稳定器、三稳定器钻具。

三是钻头寿命不能满足长时间施工的需求。

3、2005年在天然气井中下部井段使用新型的PDC钻头，钻井速度实现了“实质性飞跃”，在油井部分区块应用PDC钻头也取得了初步成效。

在此基础上形成了“复合钻井技术配合PDC钻头实现定向井二开至完钻“一趟钻”的思路”。

使复合钻井技术进一步升华，从而形成了“四合一”钻具组合。

其技术的关键----PDC钻头、螺杆钻具、接头、稳定器四种工具的合理组合，满足了定向井二开直井段防斜、造斜、增斜、稳斜钻井四种工况一趟钻完成的施工需求。

三、“四合一”钻具结构的特点
1、有效控制直井段井斜，缓解防碰难题
“四合一”钻具结构是目前油井定向井控制直井段井斜效果
最好的钻具结构，在最大程度解放机械钻速的前提下，可以实现直井段防斜打直（1000m洛河段井斜控制在2°），利用单弯螺杆随时提前绕障，从根本上缓解了防碰难度。

直井段井斜数据对比表
2、延长了复合钻进的实施井段
“四合一”钻具充分利用单弯螺杆的滑动可调性及复合钻进缓增斜，将易斜井段变为定向造斜、增斜段，实现微增斜或稳斜的复合钻进方式，因而最大限度的延长了复合钻进井段，实现了二开全井段复合钻进。

3、强化了复合钻进的稳方位效果
“四合一”钻具具有单弯螺杆、双稳定器的刚性以及PDC 钻头低钻压高转速的钻进特性，增强了复合钻进的稳方位效果，减少了滑动施工时间。

尤其在井斜较小的情况下方位相对更加稳定，因此对于小斜井实现“一趟钻”特别有利。

分层井井斜、方位变化数据
4、发挥PDC钻头优势，减少起下钻，实现快速钻进
(1)稳定性和可控性的有机结合，使“四合一”钻具连续满足二开后直井段、造斜段、增斜段、稳斜段的要求，大大减少了起下钻，尤其是深井段的起下钻，纯钻时效得以提高。

(2)充分发挥了PDC钻头高效破岩优势，提高了全井段机械钻速。

(3)通过剖面优化，利用洛河软地层定向，定向效率明显高于下部地层定向。

也控制了最大井斜，使得下部轨迹调整难度大幅降低。

(4)钻井速度的提高，缩短钻井液对井壁浸泡时间，既有利于保护储层，又有利于井壁稳定，提高了电测一次成功率。

5、简单实用，易操作，新技术人员易上手。

6、促进了安全生产
(1)减少了起下钻，从而减少了起下钻作业中的风险。

(2)井眼轨迹光滑，狗腿度小，扭矩摩阻小，有利于起下钻、电测和固井质量。

(3)直井段井斜小，可以主动绕障，防碰效果好。

(4)杜绝了钻头事故。

四、推广应用配套措施
由于各区块地层特点, “四合一”钻具在其他区块的应用存在差异, 井队管理人员认识不统一，加之PDC钻头比较昂贵、全井段使用螺杆钻具，钻井队可控成本增加，钻井队一时难以承受。

为了解决成本与提速速度的矛盾，勘探局召开专题会议，经过专家进行经济评价，从整体利益来看效益显著，关键是更新观念和合理确定钻井定额的问题。

勘探局领导十分重视，多次强调：钻井提速“基础是安全生产，本质是加快发展，目标是合作双赢，关键是思想解放，核心是技术创新”，明确了“重点突破，全面推开，优化方案，集成规范”的提速原则，在2005年、2006年把提速工作列入了工作报告，制定了提速目标，以局级文件明确要求推广使用“四合一”钻具。

并提出了以下配套措施：
(一)管理方面:
1、抓一把手。

坚持一把手抓一把手，抓技术创新、抓管理、抓认识。

2、抓推广面。

就是要持续改进，突破技术难点，规范方案，全面推广。

3、抓整体应用。

对整个应用提速情况认真分析，抓先进，
促落后，首先抓前三分之一钻井队进行的试验并加以完善，创一些先进指标，及时发现和总结经验，同时指导后进队推广应用好成熟技术，提高效益技术的应用面，实现整体提速。

4、抓政策激励。

应用成本经济杠杆机制拉动钻井队使用的积极性：
一是对钻井队的定额中，试验期间的PDC钻头、螺杆费用暂不计入井队成本，试验成功后，井队承担钻头成本的50%，新螺杆成本的25%。

二是对率先试验新型PDC钻头、新工艺技术可能存在风险，便将试验钻头、工具等相关费用单独列入科研经费，打消了钻井队担心试验新工具、新工艺技术成本超支的顾虑。

三是结合我局的劳动竞赛活动，对试验新工具、新技术成功的钻井队劳动竞赛奖予以奖励。

四是调整经营政策拉动快速钻井。

将效益的95%与速度挂钩，周期工资占45%,进尺工资占50%,多打进尺钻井队效益就好，鼓励钻井队提速的积极性，呈现出了钻井队争先应用“四合一”钻具的大好局面。

(二)技术方面
1、优化井身剖面。

转变观念，敢于突破，“四合一”钻具主要强调的是钻具的稳定性，因而必然要牺牲一部分可调性。

“四
合一”钻具的造斜率要低于常规的复合钻具。

调整方位的能力也较弱，因此在剖面设计方面一是根据所下钻具的增斜能力，选择合理的造斜点和初始井斜；二是注意提高定向施工的效率，尤其定向前的绕障施工更需谨慎；三是根据位移大小，选择合理的接头长度和上稳定器外径，选择好初始井斜角，控制最大井斜，造斜点选择在洛河组顶部。

2、优化钻井参数。

强化钻井参数，采用大排量、高转速，使用180mm缸套，这是一个传统的技术方案，但是我们普遍认识到它对PDC钻头的作用及对提高机械钻速也产生了积极的效应，因此在参数上进行了优选：
(1)排量：使用180mm缸套，排量限低不限高，各井队根据自己的设备状况单泵发挥最大效率，注意泵压不能超过对应缸套的额定泵压。

(2)钻压：在常规复合钻进时钻压10-12吨，泵压提升2MPa，同时由于掌握了该钻具定向规律，滑动钻进钻压6-8吨，泵压提升1-1.5MPa。

(3)转速：应用7/8头大功率螺杆,降低转速,增加扭矩,提高定向施工效率。

复合钻井充分发挥LDB型系列钻机转盘转速灵活的特点，适当提高转盘转速，把转盘转速由50～60 rpm转/分提高到70～80转/分，进一步提高PDC钻头的机械钻速。

3、优化钻井液体系。

针对四合一钻具，抓全井“两个净化”，保障井眼安全，加强处理剂复配研究，强化快速钻进中性能的处理维护措施，全井段采用无固相钻井液，其现场工艺特点以“絮凝、抑制、润滑、携屑、护壁”为重点，有效的保证了“四合一”钻井技术的顺利实施，最大限度的解放了机械钻速。

为解决因速度快、完井液护壁时间短，造成的中深井电测遇阻问题，实施了预转化和起钻前使用稠浆清扫等方式。

油井电测一次成功率为90.13%，较上年提高了0.98个百分点。

4、优选钻头类型。

根据各区块地层可钻性，为进一步强化PDC钻头使用效果，按照确定的PDC钻头结构改进思路，从优化PDC流场设计，改善高转速条件下的排屑效果，减少PDC肩部的岩屑堆积等方面进行了多次试验，从刀翼数量、复合片大小上进行了多次改进试验，2006年油井优化了PDC钻头，有效缓解了定向扭方位时反扭角不稳定问题。

使用T系列钻头254只，平均进尺2759.83米/只，机械钻速29.34米/小时。

姬塬区块全年使用PDC 76只，钻井进尺364060米，占二开进尺工作量的64%，平均进尺4790.27米/只。

油井不同区块的PDC使用情况
5、优化钻具结构。

一是试验大扭矩螺杆。

降低转速，增加扭矩，使用寿命平均达到150小时，使螺杆钻具与PDC钻头匹配；二是针对螺杆稳定器不耐磨的问题，通过优选硬质合金柱，并进行加长加密布齿，耐磨性明显提高，使用时间由原来的2口井提高到3口井。

针对螺杆稳定器不耐磨，影响增斜效果的问题，进行了加密布齿、加宽棱带、选用超硬合金块等改进，试验的螺杆稳定器耐磨性已基本满足施工要求。

三是提高钻具调整轨迹的能力，采用增大单弯螺杆弯度，“四合一”钻具的上扶正器改进为欠尺寸扶正器，以提高钻具增斜率。

四是简化钻具结构。

使用PDC钻头，钻压相对较小，可以考虑适当减少钻铤数量，不但可以节约钻铤费用，而且在下部井段调整井眼轨迹时工具面更容易到位。

2006年在姬塬区块试验应用后，刷新了长庆钻井历史上11项指标，钻机月速度提高23.95 %，一趟钻比例达到19.31 %。

2007年油井各区块二开“一趟钻”完钻比例平均达到27.24 %。

姬塬区块一趟钻与多趟钻速度对比
五、应用效果分析
2006年全年“四合一”钻具使用642口，占总井数的50.51%，机械钻速提高了11.72%，钻机月速度提高了11.78%，钻井周期缩短了4.58%.四合一钻具的推广应用，为实现“一趟钻”奠定了基础，全年一趟钻共计113口井，与非一趟钻比较，机械钻速提高33.01%，月速度提高45.84%，钻井周期、建井周期分别下降41.94%和36.19%。

提高一趟钻比例成为定向井提速的新目标，四合一是实现一趟钻的首选钻具。

2007年油井定向井全面推广使用“四合一钻具”机械钻速比2006年提高了30.43%，钻机月速度提高了28.47%，钻井周期缩短了23%。

一趟钻完钻185口井，与多趟钻比较，机械钻速提高19.7%，月速度提高27.45%，钻井周期下降12.39%。

2006年“四合一”完成井与其它井对比
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2007年“四合一”完成井与常规井对比
六、下一步工作设想
1、四合一”钻具不是一套固定的钻具模式，它是四种钻具特性的组合，因此根据地层特点，进一步优化“四合一”钻具特性,减少滑动施工井段，提高定向施工效率，提高钻井速度。

2、长庆钻井横跨陕、甘、宁、蒙，地层变化大，依据区块地层特性，可从钻头、螺杆、稳定器、接头上不断改进，进行优化组合，形成不同区块“四合一”钻具组合，满足井眼轨迹控制要求。

3、要从剖面设计和实钻摸索指导两方面结合，不断提高设计剖面的符合率。

事实证明，实钻轨迹与设计轨道越接近，预测能力越强，钻井速度越快。

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