腰英臺地區深井鉆井提速技術

朱軍，高英強，任杭洲，劉炳運

（中國石化中原石油勘探局鉆井二公司，河南 濮陽 457001）

腰英臺地區深井鉆井提速技術

朱軍，高英強，任杭洲，劉炳運

（中國石化中原石油勘探局鉆井二公司，河南 濮陽 457001）

腰英臺地區深井地層具有巖石可鉆性差、井壁穩定性差、井底溫度高等特點，因此鉆速較慢，鉆井周期較長。為加快該地區的勘探開發進度，降低鉆井成本，在該地區進行了深井鉆井提速技術研究。通過針對不同地層的多種PDC和牙輪鉆頭優選、井底動力鉆具和復合鉆井試驗、新型射流式沖擊鉆井工具試驗及深井抗高溫防塌鉆井液研究應用等方面的攻關研究，最終形成了一套適合腰英臺深井的鉆井提速技術。經過現場3口井的應用，取得了顯著的提速效果，平均機械鉆速提高13.7%，平均鉆井周期縮短27.1%。新型鉆井液體系的應用有效降低了鉆井復雜時效，提高了井身質量，為鉆井提速創造了有利條件。建議在該地區繼續進行新工具新工藝的現場試驗，最終形成一套完善的深井鉆井提速技術。

鉆頭優選；高溫鉆井液；動力鉆具；深井提速；腰英臺地區

腰英臺地區屬松遼盆地南部長嶺凹陷，是中國石化東北油氣分公司增儲上產的重點區塊之一。2005年以來，該區先后完成了腰南1井、腰深1井、腰深2井等10余口深井鉆探，平均完鉆井深4 800 m左右。腰英臺地區深井主要鉆遇地層包括第四系、第三系、白堊系等，具有巖石可鉆性差、井壁不穩定和井底溫度高等特點，導致鉆井速度慢、周期長，因此亟需開展深井鉆井提速技術攻關研究，以加快勘探開發進程。在分析腰英臺地區鉆井施工面臨難題的基礎上，參考國內其他地區深井鉆井提速技術［1-7］，從本地區實際出發，通過不斷完善深井鉆井提速技術，形成了一套腰英臺地區深井鉆井提速技術，為本區塊的深層勘探開發提供了重要的技術支持。

1 鉆井技術難點

通過對前期已鉆深井情況的總結分析，腰英臺地區深井主要存在以下鉆井技術難點。

1.1 巖石可鉆性差，機械鉆速低

該地區地層巖性復雜，礫石含量高，地層可鉆性級值高，鉆探難度很大，全井平均機械鉆速僅為1.7～2.0 m/h。在青山口組及以下地層曾多次進行國產PDC鉆頭試驗，但未取得實質性突破。如腰深4井二開進入青山口組后，先后進行了7次PDC鉆頭試驗，平均機械鉆速僅為1.09 m/h，使用情況不理想，進尺、使用時間、機械鉆速基本接近或低于牙輪鉆頭，火山巖地層單只牙輪鉆頭進尺僅26～50 m，純鉆時間15～40 h，行程鉆速極低。在前期鉆探施工過程中，還曾對液動沖擊錘和孕鑲PDC鉆頭+高速渦輪等鉆井技術進行了試驗，但由于地層可鉆性差，提速效果很不理想。

1.2 井壁穩定性差，對鉆井液性能要求高

由于嫩江組、姚家組、青山口組等地層水敏性強，裂縫、微裂縫發育，井壁失穩嚴重，存在著周期性垮塌、井漏現象，復雜情況時有發生。針對該地區易塌地層巖樣，分別進行了射線衍射分析、掃描電鏡分析及泥頁巖理化性能分析。結果表明，腰英臺地區全井段都有較高含量的蒙脫石和伊利石，腰中、腰北區塊全井段都有較高含量的伊利石和少量的伊蒙混層，易發生水化膨脹。因此，要求鉆井液具備強抑制能力，以滿足井壁穩定的需要。

同時由于火山巖裂縫發育，對鉆井液密度極其敏感，鉆井液安全密度窗口窄，極易發生井漏和井塌（腰深5井最大掉塊直徑達到80 mm），在欠平衡鉆進時尤為嚴重［8］。

可見，常規鉆井液已無法滿足腰英臺地區鉆井工程的要求。必須結合區域地質特點，在參考國內其他地區井壁穩定技術的基礎上，優選深井鉆井液體系，研發抗高溫防塌鉆井液，以滿足深井施工的需要［9-13］。

1.3 井底溫度高，對動力鉆具要求高

腰英臺地區地溫梯度為3.5～3.7℃/100 m，深井井底溫度高達150℃左右，對儀器和井底動力鉆具的耐溫能力要求高。由于井底高溫和鉆頭難以承受復雜地質條件下的高轉速，深井大尺寸井眼動力鉆具的應用受到極大的限制，使得復合鉆進技術實施困難，機械鉆速提高難度較大。

2 鉆井工藝技術

2.1 鉆頭優選

在統計分析腰英臺地區地層巖性及鄰井鉆頭使用情況的基礎上，在腰深5井和腰深9井分別試驗應用了BTM115，BTM116E，M1365SS，M1951SGU，HC407ZX，HC506ZX，HC506ZX，HC407ZX，HCM407ZX等多種型號的PDC鉆頭及貝克休斯MXL-DS55DX牙輪鉆頭。

2.1.1 PDC鉆頭

2.1.1.1 二開四方臺組—青山口組地層

此段地層主要為砂泥巖互層，泥巖含量高，在鉆頭的選用上應從鉆頭的自銳性、流道設計、復合片傾角等方面入手，在保持較高機械鉆速的條件下，防止鉆頭泥包，對砂泥巖夾層具有較強的適應能力。

通過在腰深9井應用新型PDC鉆頭，在青山口組1 990 m以上井段機械鉆速高達20.61 m/h，與鄰井平均機械鉆速14.2 m/h相比，提高了45.14%；與鄰井最高機械鉆速15.6 m/h相比，提高了32.1%，創同區塊上部井段最高機械鉆速記錄，青山口組平均機械鉆速僅為3.96 m/h。腰深5井的現場試驗表明，PDC鉆頭的自銳性和適應交錯性地層的能力還有待改進，其進尺和鄰井相當，但平均機械鉆速高達13.23 m/h，比鄰井高出59.2%。

2.1.1.2 二開青山口組及以下地層

青山口組以下地層特性極其復雜，鉆頭鉆遇環境復雜，必須具有較強的抗沖擊性和研磨性。鉆頭應有較大的復合片傾角，以保證鉆頭運動穩定；使用小尺寸復合片，以保證鉆頭中心部位抗沖擊能力強；且應具有備齒保護設計，從而有效提高鉆頭使用壽命，維持較高的機械鉆速，減少起下鉆次數，有效縮短鉆井周期。

在腰深9井試驗了2只國產PDC鉆頭。試驗結果表明，2只鉆頭在青山口組試驗井段的進尺、機械鉆速與牙輪鉆頭相當，主要原因是鉆頭的抗沖擊和抗研磨性不足，無法適應地層特性，造成鉆頭在短時間內早期破壞，鉆時逐漸增加。在腰深5井試驗了4只不同型號的貝克休斯PDC鉆頭，使用井段為1 942.74～3 369.44 m，進尺1 426.70 m，純鉆時間838.91 h，機械鉆速1.92 m/h；與腰深4井牙輪鉆頭的機械鉆速0.9 m/h相比，提高了113%，節約鉆井周期10.6 d。

實際使用情況表明：該區塊青山口組地層適合HC506和HC505系列的16 mm復合片PDC鉆頭，青山口以下的泉頭組地層使用13 mm混合復合片多刀翼鉆頭，可有效切入地層，抵抗地層沖擊。

2.1.2 進口牙輪鉆頭

鑒于腰英臺白堊系下統營城組火山巖以及泉頭組、登婁庫組、沙河子組、火石嶺組碎屑巖可鉆性極差，鉆頭機械鉆速低，單只進尺少，磨損嚴重，跳鉆引起斷齒等情況，先后在腰深5井三開井段試驗了8只貝克休斯牙輪鉆頭。

通過對牙輪鉆頭的使用情況進行分析，發現在營城組火成巖鉆進中，單只貝克休斯牙輪鉆頭的平均進尺比國產鉆頭多37.29～57.43 m，單只鉆頭相當于2～3只國產牙輪鉆頭，機械鉆速提高了0.62～1.12 m/h。同時，還減少了起下鉆次數，大大縮短了鉆井周期。因此，使用抗沖擊能力強的進口牙輪鉆頭，是提高火山巖地層機械鉆速和縮短鉆井周期的有效途徑。

2.2 動力鉆具及復合鉆井技術

2.2.1 進口PDC鉆頭+螺桿復合鉆進

在腰深5井3 142～3 369 m（泉頭組二段）井段進行了進口PDC鉆頭+螺桿復合鉆進試驗。該段地層上部為灰色細砂巖、泥質粉砂巖與紫紅色泥巖等厚互層，中部為灰色白云質粉砂巖與紫紅色泥巖等厚互層，下部為灰色細砂巖與紫紅色泥巖等厚互層。由于地層砂泥巖互層情況普遍，在該井段鉆進時，鉆頭扭矩面臨幅度較大的周期性變化，所以螺桿的質量和使用壽命非常關鍵，應保守使用，轉盤轉速控制在30 r/min以下，防止螺桿和鉆具出現問題。控制好鉆井液性能，防止井壁掉塊引起的復雜情況和事故。應處理好井下攜砂與鉆井液排量及鉆井液性能之間的關系，一般情況下，鉆井液排量不宜過大，保持在40 L/s左右，保證鉆頭和螺桿安全。

試驗中使用了1只HC505ZX貝克休斯PDC鉆頭和立林φ244.5 mm 7/8頭5級深井型螺桿，該螺桿具有大功率、低轉速、抗高溫的特性。通過雙驅復合鉆進試驗，鉆頭進尺為227 m，機械鉆速達到1.58 m/h。與上井段轉盤鉆進相比，機械鉆速提高了13%。

2.2.2 進口孕鑲PDC鉆頭+渦輪復合鉆進

在腰深7井3 235.55～3 277.67 m井段進行了進口孕鑲PDC鉆頭+渦輪鉆具試驗，使用了貝克休斯HH676G89Y鉆頭。起初按照渦輪廠家提供的鉆進參數進行鉆進，但效果不佳，鉆速較慢；隨后逐步增加鉆壓至100 kN，排量29 L/s，鉆時變化不明顯；最后鉆時達到150 min/m，決定起鉆。最終該趟鉆進尺42.12 m，純鉆46.17 h，機械鉆速0.91 m/h。鉆頭取出后，長度減少了1.6 cm，胎體磨損嚴重，平均磨損2 cm左右，但保徑基本完好。

在渦輪鉆具復合鉆進試驗失敗之后，下入三牙輪鉆頭繼續鉆進。鉆頭平均純鉆時間為35 h，平均機械鉆速1.20 m/h，比使用渦輪鉆進提高了31.9%。試驗結果表明，孕鑲PDC鉆頭+渦輪復合鉆進對營城組火成巖地層的適應性較差，還需進一步試驗。

2.3 射流式沖擊器

在腰深7井3 557.20～3 589.92 m井段進行了射流式沖擊器旋沖鉆井試驗，鉆遇地層為營城組底部凝灰巖和沙河子組灰黑色泥巖、粉砂巖和礫巖。試驗中使用了2套液動射流式沖擊器（YSC-178A和YSC-178B），入井時間共計120 h，純鉆時間57.71 h，進尺66.87 m，平均機械鉆速1.16 m/h。

試驗結果表明，與同一地層同一鉆頭不使用沖擊器的鉆進效果相比，旋沖鉆井的機械鉆速略有提高，但提速效果不明顯，且沖擊器工作不穩定。其中，第1套沖擊器出井試沖不能啟動，而第2套沖擊器出井試沖可正常啟動，但內部密封損壞。

2.4 耐高溫防塌鉆井液

該地區一般要求直井鉆井液密度為1.05 g/cm3左右，采用欠平衡鉆進；水平井鉆井液密度為1.25 g/cm3左右，采用正常壓力鉆進。深井井段對鉆井液具有如下要求：

1）該地區井底溫度高達150℃，鉆井液在高溫高壓下易發生變化，特別是直井，由于要求鉆井液密度低，導致鉆井液固相含量少，極易在高溫下稀釋，流變性變差。因此，鉆井液應具有較強的抗溫能力，在高溫下保持良好的穩定性。

2）腰英臺地區上部地層泥巖中蒙皂石含量高，鉆井過程中易水化分散，引起縮徑。下部地層普遍含砂泥巖互層，坍塌掉塊現象比較突出，因此，深井鉆井液應具有較強的抑制性，以滿足井壁穩定的需要。

3）氣田天然氣高含CO2（體積分數一般在20%以上），要求鉆井液具有強抗污染能力，以解決CO2及其他化學離子污染問題。

4）由于高溫高壓的作用，深井鉆井液對深部油層的損害更加嚴重，因此，要求打開氣層的鉆井液完井液應具有較強的油氣層保護能力。

根據以上對腰英臺地區鉆井液性能要求的分析，結合國內其他地區深井不穩定地層鉆進時鉆井液的使用經驗［14-17］，研制了有機硅防塌抗溫鉆井液，并在腰深5井進行了現場試驗。鉆井液配方為0.2%NaOH+0.2% Na2CO3+3%膨潤土+0.5%LV-CMC+1%FT-1+1%SMP-2+ 1%KFT+0.5%GWJ+0.5%YGT+1%K-OSAM+1%SF260+ 0.2%PAC-HV，性能參數指標如下：漏斗黏度60 s，密度1.05 g/cm3，塑性黏度14 mPa·s，動切力7 Pa，API失水量3.2 mL，HTHP失水量11 mL。

在鉆進過程中，主要補充膨潤土漿膠液，其配方為（3%～4%）土粉+（1.5%～2.0%）KFT+（1.5%～2.0%）SMP-2+（1.5%～2.0%）YGT+（0.15%～0.20%）PAC-HV。另外，每天補充200 kg的GWJ或SF260，以保證鉆井液性能穩定。

從腰深5井的實際應用效果看，鉆進時該鉆井液體系性能穩定，起下鉆順利，無阻卡顯示。三開段井徑平均擴大率為6.1%，比腰深4井降低39.1%，達到了預期目標。有機硅防塌抗溫鉆井液體系具有性能穩定、處理維護簡便、環保、成本相對較低等優點，較好地滿足了鉆井施工的需要，有效避免了井下復雜情況的發生，保證了鉆井及完井等各項工作的順利進行。

3 結論

1）通過鉆頭優選、動力鉆具優選、新型射流式沖擊器試驗，形成了一套適合腰英臺地區的深井鉆井提速技術。同時研制并試驗了新型耐高溫防塌鉆井液，為鉆井提速提供了有力保障。

2）通過3口井的現場試驗，機械鉆速提高13.7%，鉆井周期縮短27.1%，達到了鉆井事故復雜時效為0、井身質量合格率100%、井徑擴大率降低59%的目標。

3）建議繼續在腰英臺地區開展深井鉆井提速技術研究，最終形成一套鉆頭和動力鉆具使用模版和鉆井液使用圖版，為進一步鉆井提速提供技術指導。

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（編輯 趙衛紅）

Technology to improve drilling speed of deep well in Yaoyingtai Area

Zhu Jun,Gao Yingqiang,Ren Hangzhou,Liu Bingyun
(No.2 Drilling Company,Zhongyuan Petroleum Exploration Bureau,SINOPEC,Puyang 457001,China)

Deep wells are characterized by poor rock drillability,instable borehole wall and high bottom temperature in Yaoyingtai Area,resulting in a slow drilling speed and long drilling period.In order to accerlerate the pace of exploration and development and to reduce the drilling cost in this area,the study on improving drilling speed of deep well was conducted.Through the optimization of PDC and roller bits that are suitable for different strata,test of downhole dynamic drilling tool and combined drilling,test of newtype water jetting drilling tool and research on resistance to high temperature and anti-sloughing drilling fluid,a set of improved techniques of drilling speed for deep well in Yaoyingtai Area are formed at last.Obvious improved result has been achived through the field applilcation in three wells.The average ROP is increased by 13.7%,and the average period of drilling is decreased by 27.1%.With the application of new drilling fluid system,complex outage time is reduced and the quality of wellbore is enhanced efficiently,which contribute to fast drilling operation.It is suggested that the field test of new drilling tools and new techniques should be continued in the area,and finally a set of improved techniques of drilling speed will be formed.

drilling bit optimization;high-temperature drilling fluid;dynamic drilling tool;improvement of drlling speed of deep well;Yaoyingtai Area

TE245

A

10.6056/dkyqt201204031

2012-03-20；改回日期：2012-05-13。

朱軍，男，1971年生，工程師，2007年畢業于中國石油大學（華東），主要從事鉆井工程技術管理工作。電話：（0393）4827340，E-mail：zpebzj02@sina.com。

朱軍，高英強，任杭洲，等.腰英臺地區深井鉆井提速技術［J］.斷塊油氣田，2012，19（4）：533-536.

Zhu Jun，Gao Yingqiang，Ren Hangzhou，et al.Technology to improve drilling speed of deep well in Yaoyingtai Area［J］.Fault-Block Oil& Gas Field，2012，19（4）：533-536.