塔里木泛哈拉哈塘地區扭力沖擊鉆井技術

程天輝王維韜王樹超

1. 渤海鉆探工程有限公司塔里木鉆井分公司；2. 重慶科技學院石油與天然氣工程學院

塔里木泛哈拉哈塘地區扭力沖擊鉆井技術

程天輝1王維韜2王樹超1

1. 渤海鉆探工程有限公司塔里木鉆井分公司；2. 重慶科技學院石油與天然氣工程學院

針對塔里木泛哈拉哈塘地區油氣藏埋藏深，二開裸眼段長，深部地層研磨性強，軟硬交錯，鉆頭吃入地層效果差，PDC鉆頭失效快，鉆井機械鉆速以及中標費用低等特點和難點，引進扭力沖擊鉆井技術，力求通過高效破巖技術提高機械鉆速、降低成本。2012—2015年進行了36口井試驗與應用，結果表明，試驗與應用井段平均機械鉆速達到5.74 m/h，是轉盤鉆井技術的2倍以上，是復合鉆井技術的1倍以上，平均單井縮短鉆井周期25.87 d，提速效果和經濟效益顯著，為塔里木臺盆區深井、超深井鉆井提速降本提供技術支持。

泛哈拉哈塘地區；扭力沖擊鉆井；深部地層；破巖工具；鉆井提速

泛哈拉哈塘地區主要包括哈拉哈塘、金躍、躍滿、熱普等區塊，是塔里木油田油氣勘探開發的重要區域之一。該地區油氣藏埋藏深度超過7 000 m，二開裸眼段長5 500 m以上，深部地層研磨性強，軟硬交錯，具有鉆頭吃入地層效果差，PDC鉆頭失效快、壽命短，鉆井機械鉆速低以及低油價導致的投資減少，中標周期短費用低等特點和難點。為了加快鉆井速度，降低成本，在泛哈拉哈塘地區引進了扭力沖擊鉆井技術［1-9］，力求通過高效破巖技術有效地消除PDC鉆頭在深井、超深井等難鉆地層的黏滑效應，提高PDC鉆頭破巖的機械鉆速，延長鉆頭的使用壽命，實現深井、超深井安全、優質、快速鉆井。

1 地層性質

Stratigraphic characteristics

泛哈拉哈塘地區整體是在前震旦變質基底上形成的長期發育的巨型古隆起，發育震旦系至泥盆系海相沉積地層、石炭系至二疊系海陸交互相沉積地層和三疊系至第四系陸相沉積地層。三疊系（T）主要以灰、深灰色泥巖為主，間夾灰色細砂巖、粉砂巖及薄層泥質粉砂巖、粉砂質泥巖。二疊系（P）主要以灰、深灰色凝灰巖及深灰色玄武巖為主，與砂泥巖互層。石炭系（C）主要為兩套褐灰色厚層泥晶灰巖夾一套灰色中厚層泥巖。泥盆系（D）以淺灰色細砂巖及灰色細砂巖與褐色泥巖互層。志留系（S）以深灰、褐灰色含瀝青、瀝青質細砂巖及淺灰、灰色細砂巖為主，間夾薄層灰綠及灰紫色泥巖，底部發育一套巨厚層狀泥巖。二疊系至志留系地層是制約鉆井速度的主要井段。

2 扭力沖擊鉆井技術

Torsion-impact drilling technology

扭力沖擊鉆井技術是依靠轉盤扭轉力和扭力沖擊發生器的扭轉沖擊力的復合運動，共同驅動PDC鉆頭破巖，提高PDC鉆頭破巖效率的一種鉆井技術。

2.1 扭力沖擊發生器

Torque generator

扭力沖擊發生器是一種純機械動力工具，抗溫210 ℃以上（圖1）。在鉆進時扭力沖擊發生器的特殊結構將鉆柱內流動的鉆井液能量轉換成扭轉、高頻、均勻穩定且足夠的機械沖擊能量并直接傳遞給PDC 鉆頭，以實現瞬間沖擊破巖，就相當于PDC 鉆頭750～1 500次/min切削地層，這就使鉆頭不需要等待積蓄足夠的能量就可以連續切削地層，從而克服PDC鉆頭的黏滑效應，提高機械鉆速，同時還具有延長鉆頭壽命的特點。

圖1 扭力沖擊發生器Fig. 1 Torque generator

2.2 扭力沖擊發生器專用PDC鉆頭

PDC bit dedicated to torque generator

扭力沖擊發生器產生高頻周向振動，瞬時周向線速度非常大，常規PDC鉆頭并不適應此工具的工作特性，甚至會快速失效。這就對配套的PDC鉆頭提出了新的要求，要求其具有良好的耐磨性和非常高的抗沖擊性。從胎體形狀，布齒方式，布齒數目，齒的選材與形態（直徑、仰角等）都需要進行全新設計，所以在使用扭力沖擊發生器時必須使用與之相配套的專用PDC鉆頭（圖2），才能獲得理想的提速效果和經濟效益。

圖2 扭力沖擊發生器專用PDC鉆頭Fig. 2 PDC bit dedicated to torque generator

2.3 技術特點

Technical characteristics

常規鉆井方式對于高研磨性、高硬度、高塑性、非均質地層的鉆進效率很低，甚至可能導致鉆具失效，在深井情況下往往造成頻繁起下鉆，浪費鉆井成本。

扭力沖擊發生器可以消除鉆頭黏滑現象，減少反沖扭力，減少鉆柱上的扭力振蕩，增加了周期性回轉振動，改良了傳統牙輪鉆頭和PDC鉆頭常規鉆井的方法，使PDC鉆頭鉆進更適應堅硬的巖層，因而扭力沖擊鉆井技術在高研磨性、高硬度、高塑性、非均質地層中有較快的機械鉆速，鉆頭的耐久性和壽命也得到了提高。

3 現場試驗

Field test

3.1 哈15-19井

Well Ha 15-19

（1）應用井段：5 005～6 226 m。

（2）鉆具組合：?241.3mmPDC鉆頭+?197 mm扭力沖擊器+?177.8 mm無磁鉆鋌×9.2 m + ?177.8 mm螺旋鉆鋌×9.46 m + ?239 mm螺旋穩定器×1.56 m+?177.8 mm鉆鋌×132.75 m +?127 mm 加重鉆桿×85.14 m+?127 mm非標斜坡鉆桿。

（3）鉆井參數：鉆壓120～140 kN，排量33 L/s，立壓15～17 MPa，轉盤轉速60 r/min。

（4）鉆井液性能：密度1.27 g/cm3，黏度47 s，初/終切2/6 Pa。

3.2 熱普301-4井

Well Repu 301-4

（1） 應用井段：4 991～6 701 m。

（2）鉆具組合：?241.3 mmPDC鉆頭+ ?197 mm扭力沖擊器+?178 mm鉆鋌×57.2 m +?241.3 mm螺旋穩定器×1.57 m +?177.8 mm無磁鉆鋌×8.57 m+?178 mm鉆鋌×102.28 m + ?127 mm 加重鉆桿×85.13 m+?127 mm 斜坡鉆桿×4 100 m+?139.7 mm斜坡鉆桿。

（3）機械參數：鉆壓120～140 kN，排量30～32 L/ s，立壓15～17 MPa，轉盤轉速60～70 r/min。

（4）鉆井液性能：密度1.26 g/cm3，黏度51～53 s，塑性黏度20 mPa·s，初/終切2/9 Pa。

3.3 工具操作技術

Tool operating technology

（1）入井前準備。①了解試驗井的基本情況：地層特性、復雜情況、鉆頭情況、機械鉆速、鉆井液參數等；②鉆井液含砂量小于0.3%和固相含量小于15%，鉆井液密度不大于1.40 g/cm3；③根據工具的尺寸，準備相應的打撈工具。

（2）入井前測試操作。①上扣時必須在工具上端小徑端，禁止其他位置使用大鉗，工具緊扣扭矩參考數據表；②鉆桿中必須使用濾子，保證工具內部無雜物進入；③泵排量28～34 L/s，記錄工具壓耗情況。

（3）井下造型操作。①確保井眼通暢，下鉆過程防止出現大段劃眼，保證一次下至井底；②距離井底10～20 m開泵，先大排量循環一周，避免鉆頭直接接觸井底或井底沉砂，防止堵塞水眼；③檢查泵壓、排量是否正常，如果正常則繼續下鉆，禁止低排量情況下接觸井底；④造型參數：轉速50～60 r/min、鉆壓20～40 kN，造型長度1 m。

（4）鉆進操作。①造型后恢復正常鉆進參數，鉆壓80～160 kN，轉速50～70 r/min，排量28～32 L/s；②在鉆進過程中，根據地層情況適當調整鉆井參數，確定工具的最優工作參數；③根據地層數據、鉆井參數，判斷工具和鉆頭的工作情況；④定時觀察返出巖屑，是否有大量掉塊、脫落、鐵屑、石英等復雜情況，并注意觀察鉆井參數；⑤精心平穩操作，防止頓、溜鉆，均勻送鉆。

（5）井下復雜及處理。①鉆頭磨損的表現特征是機械鉆速持續變慢，轉盤扭矩變大，應立即起鉆換鉆頭；②憋壓得表現特征是井下壓耗增大，機械鉆速變慢后穩定，應立即起鉆換工具；③鉆具井下刺穿，立即起鉆換刺穿工具；④斷鉆具，立即起鉆打撈落魚；⑤如中途遇阻，需要進行劃眼作業，參數：鉆壓0～10 kN，轉速40～50 r/min，排量22～25 L/min。

4 試驗結果分析

Experimental result analysis

4.1 哈15-19井

Well Ha 15-19

哈15-9井二開進入白堊系后使用1套扭力沖擊器，試驗井段5 005～6 226 m，進尺1 221 m，平均機械鉆速8.66 m/h，創哈15區塊最快機械鉆速紀錄，比鄰井常規轉盤鉆井技術平均提速348.7%，比鄰井復合鉆井技術平均提速174 %。二開用時60.04 d鉆至中完井深6 556 m，對比鄰井節約30.21～78.38 d，創造哈15區塊二開最快鉆井周期記錄（見表1）。

表1 哈15-19井與鄰井機械鉆速周期對比Table 1 Comparison of ROP and drilling period between Well Ha 15-19 and its neighboring wells

4.2 熱普301-4井

Well Repu 301-4

熱普301-4井二開進入二疊系后下入2套扭力沖擊器，試驗井段4 991～6 701 m，單套工具進尺1267 m，純鉆時間178 h，機械鉆速達到7.11 m/h，創熱普區塊最快機械鉆速紀錄。2套扭沖工具平均機械鉆速達到6.51 m/h，與鄰井常規轉盤鉆井技術對比平均提速261%，與鄰井復合鉆井技術對比平均提速102.8%。二開用時49 d鉆至中完井深7 049 m，對比鄰井節約40.79～70.25 d （見表2）。

4.3 應用效果

Application result

扭力沖擊鉆井技術攻克了二疊系玄武巖，實現一趟鉆穿越三疊系、二疊系、石炭系、泥盆系和志留系等5套層系進入奧陶系中完，減少了起下鉆時間，節約了鉆頭成本。

表2 熱普301-4井與鄰井機械鉆速周期對比Table 2 Comparison of ROP and drilling period between Well Repu 301-4 and its neighboring wells

2012—2015年通過36口井試驗與應用，結果表明，泛哈拉哈塘地區應用扭力沖擊鉆井技術鉆進井段平均機械鉆速達到5.74 m/h，行程鉆速3.22 m/h，與常規轉盤鉆井技術對比平均提速2倍以上，與復合鉆井技術對比平均提速1倍以上，平均口井節約周期25.87 d，提速效果和經濟效益顯著。

5 結論

Conclusions

（1）扭力沖擊鉆井技術飛扭沖工具克服了PDC鉆頭的黏滑效應，使鉆頭和井底始終保持連續性，從而能夠明顯提高機械鉆速。

（2）建議在臺盆區深井、超深井高研磨、軟硬交錯、鉆頭吃入效果差的地層大力推廣使用扭力沖擊鉆井技術。

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（修改稿收到日期 2016-11-26）

〔編輯 薛改珍〕

Torsion-impact drilling technology in general Hanilcatam area, the Tarim Basin

CHENG Tianhui1, WANG Weitao2, WANG Shuchao1

1. Tarim Drilling Company, CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited, Korla 841000, Xinjiang, China; 2. School of Petroleum Engineering, Chongqing University of Science & Technology, Chongqing 400030, China

In general Hanilcatam area of the Tarim Basin, oil and gas reservoirs are deep, the open hole section of second spud is long, and the deep layers are of strong abrasivity with the crossing of competent and incompetent beds. Therefore, the drilling in this area is faced with multiple difficulties, e.g. poor penetration of bits, rapid failure of PDC bits, low ROP and low bid price. To solve these problems, the torsion-impact drilling technology was introduced to increase the ROP and decrease the cost by using high-efficiency rock breaking technology. This technology was tested and applied in 36 wells from 2012 to 2015. It is indicated that it is remarkable in ROP improvement results and economic benefit. The average ROP of hole sections where this technology was tested and applied is 5.74 m/h, which is over 2 folds that of rotary drilling technology and over one fold that of combined drilling technology. And the drilling period of each well is reduced by 25.87 days on average. It provides the technical support for ROP increase and cost decrease of deep and ultra deep well drilling in the platform-basin area of the Tarim Basin.

general Hanilcatam area; torsion-impact drilling; deep layer; rock breaking tool; ROP improvement

程天輝，王維韜，王樹超.塔里木泛哈拉哈塘地區扭力沖擊鉆井技術［J］.石油鉆采工藝，2017，39（1）：53-56.

TE242

B

1000 – 7393（ 2017 ） 01 – 0053 – 04

10.13639/j.odpt.2017.01.010

:CHENG Tianhui, WANG Weitao, WANG Shuchao. Application of torsion-impact drilling technology in general Hanilcatam area, the Tarim Basin［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(1): 53-56.

程天輝 (1978-），2008年畢業于中國石油大學（華東）石油工程專業，現從事技術管理和新技術推廣應用工作，工程師。通訊地址：（841000）新疆庫爾勒市塔里木石油勘探開發指揮部第四勘探公司。電話：0996-2173405。E-mail：chength@cnpc.com.cn