提高渤海中深層機械鉆速技術應用

劉小剛 鄧建明

中海石油（中國）有限公司天津分公司

渤海A構造對于渤海天然氣勘探具有里程碑意義，該構造天然氣儲量超百億立方米級別，為我國冬季“煤改氣政策”大氣污染綜合治理、解決近期北方冬季“氣荒”提供了重要保障，是渤海灣未來產能建設的重點區域［1-2］。在該構造探井揭示出明下段、館陶組、東營組、孔店組和太古界均有油氣顯示，主力目的層位為孔店組及太古界潛山，潛山埋深4 000～4 500 m。渤海孔店組強非均質性砂礫巖地層困擾鉆井提速［3］，其膠結致密，研磨性強；深部潛山片麻巖地層提速困難［4］，可鉆性差，增加了鉆井周期。機械鉆速低導致裸眼段鉆井液浸泡時間增加，流體長時間沖刷井壁引發井壁失穩、掉塊埋鉆具、鉆桿刺漏等次生復雜事故，嚴重制約了油田開發的經濟性，提高機械鉆速是中深層鉆井縮短鉆井周期的瓶頸。分析鉆井施工中暴露出技術難題，開展了該地區提高鉆井機械鉆速技術研究，建立全井段巖石可鉆性級值剖面并對比鉆頭庫優選鉆頭；砂礫巖地層選擇一體化復合沖擊提速工具提高機械鉆速，潛山片麻巖利用扭沖工具配合特殊PDC鉆頭化解了以往砂礫巖、片麻巖地層只能采用牙輪鉆頭鉆進鉆速低的難題，極大增加了單只鉆頭進尺，形成了適合渤海中深部地層提高機械鉆速技術。中深層關鍵提速技術在渤海A油田的應用，解決了中深層鉆井井身結構冗余、建井周期長、鉆井時效低等難點，效果明顯。

1 深部地層提速難點

該區塊在館陶組中下部、孔店組鉆遇厚層砂礫巖；東營組鉆遇火成巖，可鉆性差且易垮塌；太古界潛山為致密片麻巖。孔店組砂礫巖、東營組火成巖采用?215.9 mm鉆頭，潛山片麻巖地層采用?152.4 mm鉆頭。深部地層提速主要存在3個難點。

（1）區域累計鉆遇砂礫巖層厚度達到750 m，礫石成分以石英、長石及火成巖礫為主，礫徑最大7mm，具有強非均質性，巖心強度實驗顯示砂礫巖地層壓實程度高，研磨性強。PDC鉆頭易發生早期崩齒破壞，牙輪鉆頭磨損嚴重，引起鉆頭縮徑，頻繁起鉆換鉆頭，出井鉆頭如圖1所示。A1井鉆遇該套砂礫巖，消耗鉆頭5只，平均機械鉆速僅1.83 m/h，且起下鉆更換鉆頭、扶正器后頻繁蹩鉆，劃眼困難。

（2）太古界巖性以花崗片麻巖為主，地層可鉆性極差，地層硬度高，研磨性強，機械鉆速慢，摩擦產熱帶引起復合片磨損。且深部地層?88.9 mm鉆桿?152.4 mm鉆頭鉆進，難以有效施加鉆壓，PDC鉆頭吃入地層困難，破巖效率受限，牙輪鉆頭鉆進，單趟進尺僅78 m，平均機械鉆速僅1.22 m/h。

圖1 A1井出井PDC、牙輪鉆頭Fig.1 PDC and cone bit out of Well A1

（3）地層的可鉆性差造成鉆井周期增加，使已鉆開的上部裸露地層浸泡時間過長，井壁垮塌、填埋鉆具；同時導致馬達、扶正器、鉆桿等井下工具過度磨損、疲勞破壞，引發次生鉆井事故，使鉆井周期增加。

綜上，牙輪鉆頭雖然在砂礫巖、片麻巖地層鉆進具備一定優勢，但由于其結構特殊性，提速存在上限。渤海A油田提速的主要難點在于延長PDC鉆頭壽命，增加單只鉆頭進尺，從而提高機械鉆速。

2 中深層提速技術

建立巖石可鉆性剖面，并統計油田所使用鉆頭的機械鉆速與巖石可鉆性關系的鉆頭庫，結合鄰井鉆頭使用情況，初步確定鉆頭類型。分析特殊巖性對鉆頭的破壞機理，優選提速工具，建立了渤海中深層提速技術。

2.1 巖石可鉆性剖面建立

巖石的強度和硬度會隨著巖石聲波時差的增大而減小［5］。測井數據與地層巖石力學特性的關系式為［6］

式中，Δtp為巖石聲波時差，s/m；Ed為動態彈性模量，MPa；μd為動態泊松比；ρ為地層巖石密度，g/cm3；A，B為回歸系數。

通過巖心實驗測定巖石可鉆性極值，模擬鉆進巖石2.4 mm深度所需時間［7］，校核測井數據準確性。

式中，Kd為巖石可鉆性；a、b為校正系數；?t為鉆進巖石2.4 mm深度所需時間，s。

統計鄰近油田地層機械鉆速并對應巖石可鉆性，統計出不同地層巖石可鉆性最適宜的鉆頭，建立相關參數庫。對應目標油田選擇鉆頭，初步制定地層鉆頭選型方案。

2.2 一體化復合沖擊器應用于?215.9mm井段

鉆頭受壓吃入地層之初，巖石未破壞，鉆頭運動受阻，鉆具受扭；巖石破壞后，鉆具扭矩釋放，鉆頭加速運動，若地層非均質，礫石對PDC鉆頭復合片產生正向沖擊造成鉆頭崩齒，繼而引起鉆頭復合片的快速破壞，復合片切削部位受撞擊剝落影響切削效率及壽命，使機械鉆速急劇下降［8-10］。中深層提速工具可消除了鉆頭破巖時可能出現的多種有害振動，將鉆井液的流體能量轉換成高頻、均勻穩定的機械沖擊能量并直接傳遞給PDC鉆頭，使鉆頭在井底運動保持連續性。

一體化復合沖擊工具將鉆頭和沖擊器融為一體，將鉆井液水力能量轉化為脈沖沖擊能量，按照周向和軸向4∶1的比例分配，形成復合沖擊。該工具可配合旋轉導向使用，適用于抗壓強度56～210 MPa地層，通過改變破巖機理提高機械鉆速。

復合沖擊器所帶的?215.9 mm鉆頭是6刀翼13 mm齒復合沖擊器專用鉆頭，后排帶錐形切削齒，錐形齒使點載荷集中，減少扭矩波動同時增加鉆頭穩定性，化解有害振動，延長鉆頭壽命增加單只鉆頭進尺。

?215.9 mm井段鉆遇孔店組砂礫巖，地層平均抗壓強度102 MPa，硬夾層抗壓強度202 MPa。通過一體化復合沖擊器帶PDC鉆頭解決了砂礫巖地層復合片早期破壞的難題，出井鉆頭僅輕微磨損，如圖2所示。

圖2 一體化復合沖擊器出井鉆頭Fig.2 Integrated complex impactor bit out of well

2.3 扭沖工具配合特殊PDC鉆頭應用于?152.4mm井段

潛山片麻巖、花崗巖等地層抗壓強度過高，易造成PDC鉆頭破壞。使用一體化復合沖擊工具對鉆頭保護效果有限，且受工具結構影響，在漏失風險較大的潛山地層不適用，因此引入扭沖工具實現提速。

扭沖工具通過鉆井液驅動內部錘體產生一定頻率的圓周往復沖擊作用于PDC鉆頭，以增加其破巖能量，并平衡鉆柱震蕩，延長鉆頭使用壽命［11-13］。

忍者齒PDC鉆頭在不減少鉆頭攻擊性的情況下，增加鉆頭整體抗沖擊性，采用4象限受力模式，把地層沖擊力分化到4個象限，單個象限受到的沖擊力遠小于常規單個復合片受到的沖擊力，該復合片抗沖擊性比常規復合片提高了80%。忍者齒十字棱配合扭力沖擊器形成錐形吃入地層結構，與地層呈咬合狀，相當于復合片鑲嵌在地層中。十字棱在每個刀翼排量呈同心圓型，在幾何學上最佳剪切排列。因此用忍者齒PDC鉆頭配合扭沖工具應用于潛山井段。鉆頭出入井對比見圖3，忍者齒鉆頭提高了高研磨性地層機械鉆速，同時延長了鉆頭及其他鉆具的壽命。

圖3 忍者齒鉆頭出入井對比Fig.3 Comparison of Ninja-tooth bit in and out of the well

3 現場應用

在A油田勘探開發過程中逐漸形成了中深層提速技術。由于對地層不熟悉，第1口探井A1井鉆進孔店組后，PDC鉆頭鉆遇砂礫巖后快速損壞，更換新鉆頭后情況未改變。后采用牙輪鉆頭鉆進整體機械鉆速較低，最后嘗試采用一體化復合沖擊器，機械鉆速由1.4 m/h提高到2.7 m/h，效果明顯，孔店組?215.9 mm鉆頭使用情況統計見表1。

A1井?152.4 mm井段進入潛山后，牙輪鉆頭機械鉆速低且出井鉆頭磨損嚴重，后使用一體化復合沖擊器鉆進，機械鉆速有所提高（見表2）。

隨著A1井、A3井鉆頭使用經驗摸索，在A5井及后續鉆井中形成了中深層提高機械鉆速技術：采用?215.9 mm一體化復合沖擊工具鉆進孔店組砂礫巖地層，在?152.4 mm硬地層井段，采用忍者齒鉆頭配合扭沖工具鉆進。通過對鉆頭使用情況分析，中深層提速技術應用效果非常明顯，A1、A3、A5井鉆遇孔店組砂礫巖（A2、A4井未鉆遇），A5井孔店組全井段使用復合沖擊器，機械鉆速較A1井、A3井提高較多，3口井孔店組機械鉆速情況見圖4。

表1 A1井?215.9 mm鉆頭使用情況Table 1 Service condition of ?215.9 mm bit in Well A1

表2 A1井?152.4 mm鉆頭使用情況Table 2 Bit statistics for ?152.4 mm of A1 well

圖4 ?215.9 mm井段鉆頭使用情況Fig.4 Service condition of the bit in the hole section of ?215.9 mm

引入扭沖工具后，鉆遇潛山地層機械鉆速有較大提高，單井使用鉆頭數量大大降低，5口鉆遇潛山地層的?152.4 mm井段機械鉆速見圖5。

圖5 ?152.4 mm井段鉆頭使用情況Fig.5 Service condition of the bit in the hole section of ?152.4 mm

尤其是A5井，將忍者齒鉆頭與扭沖工具配合，潛山機械鉆速達到5.3 m/h，較牙輪鉆頭平均機械鉆速提高96.3%，僅用1只鉆頭完成潛山段鉆進，單只鉆頭進尺188 m，較牙輪鉆頭增加242%。A3井鉆井期間扭力沖擊器失效，導致鉆頭磨損嚴重（圖6），側面反映出扭力沖擊器的鉆頭保護效果。

圖6 A3井出入井鉆頭對比Fig.6 Comparison of bit in and out of Well A3

A油田中深層探井提速技術的成功應用，極大推動了潛山儲層的勘探進程，為該油氣田快速評價及經濟高效的開發奠定堅實的基礎。隨著A5井作業順利結束，中深層探井提速技術得到成功應用，其中A5井鉆井周期51.58 d，與A3井相比工期縮短28.4 d，直接減少鉆完井費用約4 700萬元。

4 結論和建議

（1）在對已鉆井地層巖石力學參數結合鉆井參數、鉆頭磨損、地層巖性等因素分析基礎上，針對不同地層采用與之相匹配的提速工具提速，取得了顯著效果，不但實現了機械鉆速的提高，也保證了裸眼段浸泡時間的降低，減少了復雜事故的發生。

（2）在砂礫巖地層鉆進時應保持較低的轉速（不超過70 r/min），鉆進初期鉆壓不宜超過50 kN，隨地層硬度及機械鉆速變化適時增加鉆壓，最高鉆壓可以到120 kN。后期中深層鉆井提速工作除對沖擊器機理深入研究外，應增加對鉆頭破巖機理的研究，斧形齒、類盤式鉆頭［14］等新型鉆頭更有利于硬地層破巖，可考慮引入新型鉆頭鉆進。

（3）獅虎獸鉆頭［15］融合PDC 鉆頭和牙輪鉆頭的優點，適合于砂礫巖地層提速，可考慮引進。后期整體開發應考慮叢式井特點，造斜井段提速技術仍需深入研究。