深部難鉆地層提速工具現狀及發展趨勢

李相勇，王春華，楊決算，李玉海，萬發明，紀 博，李 博

(大慶鉆探鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶163413)

深部難鉆地層巖石具有硬度大、可鉆性級值高等特性，造成機械鉆速低，起下鉆頻繁，為了縮短鉆井周期，達到降本增效的目的，本文在分析該地層鉆井提速技術難點的基礎上，考慮到礫巖和火山巖的巖石特性，在鉆井提速工具研制等方面進行了研究，開展大量現場應用，提速效果顯著，縮短了鉆井周期。

1 深部難鉆地層提速技術難點分析

1.1 深部難鉆地層巖石堅硬，鉆頭磨損嚴重

深部難鉆地層巖石可鉆性級值大、研磨性強、硬度高，其中泉頭組為棕紅、暗紫色泥巖與紫灰、灰綠砂泥巖；登婁庫組為灰色、灰綠色砂泥巖互層，夾雜色泥巖；營城組為安山巖、角礫巖、凝灰巖、流紋巖、礫巖；沙河子組為灰白色砂巖、泥巖夾凝灰巖。硬度2000～5000MPa，可鉆性級值8～10.38級，營城組可鉆性級值大于10級，沙河子組可鉆性8～9級，鉆頭磨損較為嚴重，存在砂泥巖互層、礫石層、區域橫向差異大等特性。

1.2 鉆頭適應性差，無法滿足深部難鉆地層提速要求

由于深部難鉆地層巖性特性，要求鉆頭必須具有良好的耐磨性及抗沖擊能力，所以鉆頭的選擇和使用受到很大限制，常規PDC鉆頭還不適合該層位鉆進，通常使用牙輪鉆頭鉆進，國內外牙輪鉆頭也多出現鉆頭斷齒、掉齒、縮徑、磨尖等現象。

2 深部難鉆地層鉆井提速技術研究

2.1 常規提速技術分析

深部堅硬地層單只鉆頭進尺少，嚴重影響了勘探開發進度，使用螺桿配合PDC鉆頭復合鉆進提速，目前還只在泉頭組以上地層應用，登婁庫組以下地層沒有開展，而且由于深井溫度較高，使得螺桿壽命降低，使用效果不理想。采用氣體鉆井技術鉆進可較大提高機械鉆速，但由于地層出水預測技術還不準確，出水后易引起鉆頭泥包、卡鉆的事故，并且氣液轉換后井壁不穩定，此外氣體鉆井設備復雜，成本相對較高。

深部地層多采用牙輪鉆頭鉆進，但牙輪鉆頭壽命較低多為60～80h，且存在軸承失效、斷齒、掉齒、掉牙輪等風險，深部堅硬地層600m的井段一般需要8～12只牙輪鉆頭，平均單只進尺50m，機械鉆速1.2m/h左右，個別井段單只進尺不足15m，機械鉆速0.6～0.8m/h。單只鉆頭進尺少，需要多次起下鉆作業，嚴重影響了深部地層勘探開發進度。

2.2 沖擊輔助破巖技術

2.2.1 周向沖擊輔助破巖工具

周向沖擊輔助破巖工具通過鉆井液驅動動力機構，帶動沖擊機構對錘頭做功，在傳統鉆井方式的基礎上，在鉆頭周向上產生均勻穩定的高頻沖擊力，在軸向上產生高頻水力加壓脈沖，使鉆頭和井底始終保持連續的高頻切削，減少扭矩波動，提高鉆頭切削效率。鉆頭隨鉆柱旋轉鉆進過程中，在鉆壓、旋轉和脈動沖擊下聯合作用破碎巖石，使鉆頭在傳統刮削破巖的基礎上，增加了機械沖擊和水力脈沖的輔助作用，有效解決了PDC鉆頭在深井硬地層、軟硬交錯地層鉆進時，鉆柱縱向彈跳以及周向粘滑問題。此外利用井底水力脈動，可有效減少壓持效應引起的巖石重復切削，一定程度上改善井底附近的巖石受力狀況，提高鉆頭的破巖效率。

2.2.2 軸向沖擊輔助破巖工具

軸向沖擊輔助破巖工具的動力機構內部的轉子在鉆井液驅動下高速旋轉，并帶動沖擊機構旋轉，產生高頻的機械沖擊傳遞給沖擊工具下本體，沖擊工具下本體連接鉆頭，使高頻機械沖擊傳遞給鉆頭輔助鉆頭破巖，由于沖擊載荷在極短的時間內變化幅度很大，在這種急劇變化的載荷作用下，沖擊能量將以應力波的形式和一定的波速傳播到鉆頭齒表面，最終作用在井底巖石上，破碎巖石，最終實現沖擊鉆井提速的目的。

3 提速工具現場應用效果

到目前為止周向沖擊輔助破巖工具已在大慶、新疆、吉林、內蒙等區塊共應用83口井，總進尺53143m，平均機械鉆速2.84m/h，與常規鉆進方式相比平均提速126%，單井鉆井周期平均縮短鉆10～20d，提速效果明顯。

軸向沖擊輔助破巖工具也已開展了現場試驗，單趟鉆進尺349m，平均機械鉆速4.53m/h，累計工作時間102h，與上一趟鉆牙輪鉆頭鉆進相比機械鉆速提高了127%，進尺提高190%。與臨井同層位平均機械鉆速提高144%，平均單只鉆頭進尺提高223%，提速效果顯著。

4 新型提速工具研究

隨著油田深部油氣藏的勘探和開發的深入，新的勘探領域內地層巖石硬度高、可鉆性差的特點日益突出，在石英含量高、軟硬交錯等難鉆地層，常規提速工具效果并不明顯。

目前研制的周向和軸向沖擊輔助破巖這2種工具在營城組以下的含礫、石英含量高等難鉆地層提速效果不明顯。為了發揮2種鉆井技術破巖方式的優勢，未來提速工具的發展方向將結合軸向和周向沖擊振動的特點，提出復合沖擊鉆井技術。目前正在開展復合沖擊鉆井技術研究，此項技術是將流體的能量轉換成工具的周向和軸向高頻往復的沖擊機械能，周向沖擊振動可使鉆桿的旋轉破巖能量傳遞到鉆頭上，降低粘滑效應；軸向沖擊振動則給鉆頭提供軸向破巖的能量，從而提高鉆頭吃入地層深度，提高破巖效率，達到提速的目的。

5 結論

（1）深部難鉆地層存在巖石堅硬、鉆頭適應性差等技術難點，嚴重影響鉆井機械鉆速。

（2）采用周向和軸向沖擊輔助破巖工具，能夠產生高頻沖擊輔助鉆頭破巖，可在深部難鉆地層中取得較好的提速效果，能夠大幅提高機械鉆速，提高單只鉆頭進尺，減少起下鉆次數，降低鉆井成本。

（3）通過復合沖擊鉆井新技術的研發，可為深部難鉆地層提速提供新的技術支持。