渤中19-6大氣田深部潛山硬地層鉆井提速技術研究與應用*

薛懿偉 陳立強 徐 鯤 楊保健

（1.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司 天津 300459； 2.中海石油（中國）有限公司天津分公司 天津 300459）

渤中凹陷是渤海灣盆地重要油氣勘探凹陷，特別是近十年來凹陷內多個構造區塊古潛山先后獲得重要天然氣發現，一舉成為渤海海域天然氣勘探重要戰場。2017年渤中19-6-1／2井的鉆探，在太古界潛山獲得天然氣重大發現，更是凸顯了環渤中凹陷千億立方米規模大氣田良好前景，將為京津冀地區貢獻清潔能源提供堅實的物質保障［1-4］。但渤中凹陷古潛山儲層埋深均在4 500 m以上，工程地質條件十分復雜，潛山儲層火成巖研磨性強、可鉆性差、機械鉆速慢、建井周期長，鉆探成本居高不下，嚴重制約了天然氣勘探進程。

針對深部潛山硬地層機械鉆速慢的難題，國內外相關學者開展了大量研究，主要表現在提速鉆井技術與提速工具2個方面。大慶油田針對深部硬地層采用氣體鉆井技術，可提高機械鉆速4.5倍，提速效果明顯，但在實鉆過程中存在地層出水卡鉆、井斜超標、斷鉆具等問題，且適用性比較有限［5］。華北油田針對饒陽凹陷潛山深井提速困難的問題采用了高壓噴射鉆井技術，取得了較高的機械鉆速，但由于高壓噴射鉆井會產生打撈破碎巖屑進入環空，導致鉆井液密度明顯增高，對潛山儲層保護存在一定制約性［6］。新疆塔里木盆地深部硬地層研磨性強、機械鉆速低，針對其自身特點改進了液力衡扭旋沖提速工具，在深井堅硬地層提速方面應用效果較好［7］。國外采用渦輪鉆具與PDC鉆頭、天然金剛石鉆頭、高速牙輪鉆頭進行合理匹配，大大提高了機械鉆速。我國在新疆、中原、四川、大慶等地也針對自身的地層特征開展渦輪鉆具與配套鉆頭的試驗研究，機械鉆速也得到了一定程度的提升［8］。大港油田為提高中深井、硬地層鉆井速度，采用了自激振蕩式沖擊鉆井工具的試驗與應用，提速效果明顯［9］。同時，一些扭力沖擊器、扭轉沖擊器、復合沖擊器等配套工具也得到了各大油田的適應性選擇與應用，對深部潛山硬地層均有一定的提速效果［10-13］。除此之外，各高校學者提出了一些前沿技術，如利用高壓液氮射流破壞、降低巖石強度，降低破巖門限，提高深井機械鉆速［14］。

但以上各技術均存在一定的缺陷或受一定的限制，在渤中凹陷很難取得良好成效。為此，針對渤中19-6大氣田深部潛山硬地層特征與鉆井技術難點，通過優選鉆井工具及配套的鉆頭，提出了適用于渤中19-6大氣田潛山硬地層的鉆井提速技術。本文是對深部潛山硬地層鉆井提速技術研究及應用的總結。

1 鉆井難點分析

1.1 巖石強度高

渤中19-6大氣田深部太古界潛山地層巖石的抗壓強度高達172～207 MPa，屬于極硬地層，巖石可鉆性級值達到7級以上，可鉆性極差，內摩擦角為40°，地層研磨性5～6級，研磨性強［1］。由此可以看出，渤中19-6區塊太古界潛山地層屬于可鉆性極差、研磨性強、極硬地層，常規鉆井工藝技術機械鉆速慢、鉆井周期長，這成為了制約該區塊鉆井提速的重要客觀因素，同時也是鉆井提速的關鍵環節。

1.2 井內溫度高

渤中19-6大氣田地溫梯度為3.3～3.4℃／100 m，總體上是正常的溫度系統，但局部存在異常高溫，高達150℃以上［15］。鉆井液性能受地層溫度的影響較大，異常高溫易使鉆井液產生降解、交聯等作用，對鉆井液的熱穩定性產生較大的影響。一方面由于潛山地層機械鉆速較低，巖屑在井內經過長時間的切削和研磨，形成的巖屑顆粒較小，細微的巖屑顆粒更容易影響鉆井液的性能。另一方面，井內鉆井液溫度的升高容易影響井下工具的密封件等，影響破巖效率［16］。

1.3 壓持效應

已探明的太古界潛山地層壓力資料表明，渤中19-6大氣田地層壓力系數為1.15～1.26，屬于弱超壓凝析氣田［15］。為防止井下發生溢流等復雜事故，一般會采用高于地層壓力系數的鉆井液進行作業，雖然能夠確保井控安全，但井底液柱壓力會高于地層壓力，使得井底巖石一直處于壓持狀態。井底巖石的壓持效應會使機械鉆速降低，一方面是由于井底巖石持續受壓，容易造成重復切削，產生細小的顆粒，進一步影響鉆井液性能；另一方面，壓持效應會進一步增大原本就很高的巖石強度，進一步增大破巖的難度。

2 潛山硬地層鉆井提速技術

2.1 提速理論與思路

針對潛山硬地層，PDC鉆頭最主要的破巖能量是鉆頭扭矩，而鉆頭扭矩源自于鉆柱以扭轉應變能的形式傳遞給鉆頭。當鉆頭鉆進相同巖性地層時，鉆壓的波動易造成鉆柱扭矩波動，因此，如何降低鉆壓波動頻率與幅度，從而使得鉆頭一直接觸井底，是提高機械鉆速的核心。目前造成硬地層機械鉆速低的最主要原因就是鉆柱無法給鉆頭提供充足穩定的扭矩。基于這一理論，本文制定了深部潛山硬地層提速技術優選思路。

1）充分考慮本區塊巖石力學參數，結合類似地層巖性選用的鉆頭使用效果，綜合分析，選擇適用于本區塊的鉆頭，確保鉆頭能夠對地層加以持續的鉆壓。

2）充分考慮本區塊巖石力學參數，結合類似地層巖性選用的沖擊類工具使用效果，綜合分析，選擇適用于本區塊的沖擊類工具，確保鉆柱能夠給鉆頭提供持續穩定的扭矩。

3）優化調整鉆井參數，實現鉆壓波動的最小化，鉆柱傳遞扭矩的持續穩定化。

4）形成適用于本區塊的深部潛山硬地層提速技術。

2.2 鉆頭優選

2.2.1 常規PDC鉆頭

PDC鉆頭的井下運動是極其無序的，包括橫向、縱向和扭向振動及這3種振動的組合。井下振動會損壞單個PDC切削齒，導致鉆頭壽命降低，引起扭矩波動干擾定向控制和隨鉆測井（LWD）信號，以及產生不規則井眼降低井身質量。

常規PDC鉆頭無法在井底形成穩定持續的鉆壓，以BZ19-6-1井為例，由于對地層認識不足，采用BEST鉆頭TS1951SS型號鉆頭、川克CK505XL鉆頭、江鉆HJT537G、江鉆HJT517G鉆頭，機械鉆速過低，平均機械鉆速只有2.9 m／h，先后更換鉆頭7支，造成鉆井工期過長，常規PDC鉆頭無法應對渤中19-6區塊潛山硬地層機械鉆速慢的問題。

2.2.2 忍者齒PDC鉆頭

忍者齒PDC鉆頭選用抗沖擊性更強的忍者齒，增加鉆頭整體抗沖擊性，忍者齒采用4象限受力模式，把受到的地層沖擊力分化到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。經室內實驗，該復合片抗沖擊性比常規復合片提高了80%。

阿特拉“渦輪狀”獨特材料配比的切削齒，抗磨損能力極強，通過混合金剛石顆粒大小解決了抗沖擊性和抗研磨性的矛盾。

2.3 沖擊工具優選

2.3.1 常規螺桿鉆具

常規螺桿鉆具及等壁厚馬達配合牙輪鉆頭，由于牙輪鉆頭壽命較短，且存在軸承失效、斷齒、掉齒、掉牙輪等風險，BZ19-6-1井提速失敗的經驗表明常規螺桿鉆具無法提高潛山儲層機械鉆速。為實現在潛山儲層快速鉆進的目的，為能給鉆頭提供充足的扭矩，從表1中的技術工具進行優選，主要有扭力沖擊鉆井技術、復合沖擊鉆井技術［10-13］。

表1 提速工具組合Table 1 Speed-up tool combination

經過對比分析，分析了復合沖擊器和扭力沖擊器鉆井提速技術的基本原理及特點，認為扭力沖擊器配合忍者齒PDC鉆頭技術可有效提高鉆井速度。最終優選扭力沖擊器配合忍者齒PDC鉆頭，實現了潛山儲層快速鉆進的目的。

2.3.2 復合沖擊器

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［17］。實踐表明，復合沖擊器在渤中19-6大氣田砂礫巖地層應用效果較好，可解決砂礫巖地層復合片早期破壞的問題，鉆頭磨損情況較輕。

考慮潛山硬地層主要巖石為片麻巖、花崗巖，地層抗壓強度極高，高達172～207 MPa，屬于極硬地層，巖石可鉆性級值達到7級以上，基本已達到復合沖擊器的使用極限，極易造成PDC鉆頭的破壞。面對如此高硬度的地層，復合沖擊器無法形成對PDC鉆頭的有效保護，同時考慮渤中19-6大氣田裂縫性潛山地層漏失風險較大，在潛山漏失風險較大的地層不適合采用復合沖擊器。

2.3.3 扭力沖擊器

扭力沖擊器在鉆頭上增加1個均勻穩定的高頻沖擊力，使鉆頭和井底能始終保持連續的高頻切削，大幅度提高剪切效率，形成了1套適合該地層的提速工藝技術，該扭力沖擊發生器內部為純機械構造，無橡膠元件，無電子元件，其基本結構如圖1所示，主要部件包括過濾系統、上部軸承、上部動力站、非平衡重量、下部軸承、下部動力站及中間軸承。該工具使用期間容易啟動，無死點；有效工作壽命不低于150 h；工具可靠，萬一失效后無額外影響，鉆進可依然進行。

圖1 扭力沖擊器結構剖面圖Fig.1 Torque-impactor structure profile

首先，鉆井液進入過濾系統，內部的多組構件由裝有特殊材料加重棒偏心塊的芯軸帶動（一體式）扭向反復作用，在給鉆頭驅動軸一個徑向推力的同時，使鉆頭產生扭向上的高頻沖擊。扭力沖擊器在鉆頭上增加一個均勻穩定的高頻沖擊力，使鉆頭和井底能始終保持連續的高頻切削，大幅度提高剪切效率。其次，渤海油田潛山多為硬度很高的裂縫性變質巖，扭力沖擊器增加的高頻沖擊能量更容易使得這些致密的巖層內部微裂隙發展為宏觀裂縫，從而有效的降低巖石的整體強度，更容易產生體積破碎效果，在達到提高ROP的同時，也能起到穩定鉆進過程和保護鉆頭等鉆進工具的目的。

以φ127 mm扭力沖擊器為例，該扭力沖擊器提速工具外徑為177.8 mm，工作排量為11.3～15.8 L／s，耐溫高達320℃，可以產生680～1 300次／min的沖擊頻率，能夠產生610 N·m的扭向沖擊力，產生的壓降僅僅為0.48～1.725 MPa，作業參數見表2。

表2 φ127 mm扭力沖擊器作業參數Table 2 Operating parameters ofφ127 mm torque impactor

2.3 潛山硬地層鉆井提速技術優選結果

通過以上對比分析，選擇了抗沖擊性更強的忍者齒PDC鉆頭和能夠為鉆頭提供均勻穩定高頻沖擊力的扭力沖擊器，最終形成了適用于渤中19-6大氣田深部潛山硬地層的提速技術：扭力沖擊器配合忍者齒PDC鉆頭提速技術。

扭力沖擊器配合忍者齒PDC鉆頭一起使用，其破巖機理是以沖擊破碎為主，并加以旋轉剪切巖層，主要作用是在保證井身質量的同時提高機械鉆速。扭力沖擊器消除了井下鉆頭運動時可能出現的一種或多種振動（橫向、縱向和扭向）的現象，使整個鉆柱的扭矩保持穩定和平衡，巧妙地將鉆井液的流體能量轉換成扭向的、高頻的、均勻穩定的機械沖擊能量并直接傳遞給PDC鉆頭，使鉆頭和井底始終保持連續性。

由扭力沖擊器提供的額外扭向沖擊力完全改變了PDC鉆頭的運作，其每分鐘750～1 500次高頻穩定的沖擊力，相當于每分鐘750～1500次切削地層，這就使鉆頭不需要等待扭力積蓄足夠的能量就可以切削地層。PDC鉆頭上有2個力在切削地層，一個是轉盤提供的扭力，一個是扭力沖擊器提供的力，并直接給到鉆頭本身（對鉆桿并不產生任何作用和改變整個沖擊能量的載荷，只作用在鉆頭體本身上），如圖2所示。這時候鉆桿的扭矩基本是穩定的，鉆桿傳達的扭矩可以完全用于切削地層，而不會浪費。忍者齒PDC鉆頭與扭力沖擊器配合使用后，很好地消除了粘滑現象，延長鉆頭及其他鉆具的壽命。

3 現場應用

3.1 鉆具參數優選

BZ19-6-1井為渤中19-6大氣田第1口探井，該井為六開井身結構，一開φ914.4 mm×118 m，二開φ660.4 mm×498 m，三開φ406.4 mm×1476 m，四開φ311.15 mm×3 386 m，五開φ215.9 mm×4 044 m，六開φ152.4 mm×4 180 m。六開鉆進至潛山地層，采用的鉆具組合如下：江鉆HJT537G+X／O（330×310）+φ120.7 mm F／V（不帶孔）+φ120.7 mm DC×18+φ120.7 mm（F／J+JAR）+φ88.9 mm HWDP×14。鉆井參數為：鉆壓8～9 t，排量1 000 L／min，泵壓6～7 MPa，轉速60 r／min，扭矩5～8 k N·m。采用江鉆HJT537G鉆進至4 060 m，機械鉆速過低，平均機械鉆速只有2.9 m／h，預計下部巖石抗壓強度高度172 MPa，決定起鉆更換鉆具組合，采用本文研究的扭力沖擊器配合忍者齒鉆頭，以應對下部抗壓強度更高的地層。

圖2 扭力沖擊器配合忍者齒PDC鉆頭Fig.2 Torque-impactor with PDC bit

六開起鉆更換鉆具組合如下：忍者齒U613M+φ127 mm扭力沖擊器+X／O（310×310）+φ120.7 mm F／V（不帶孔）+φ120.7 mm DC×18+φ120.7 mm（F／J+JAR）+φ88.9 mm HWDP×14。優選鉆井參數為：鉆壓6～12 t，排量1000 L／min，泵壓8～10 MPa，轉速60 r／min，扭矩5～10 kN·m。采用忍者齒鉆頭配合扭力沖擊器鉆進120 m，平均機械鉆速為3.64 m／h，相比常規PDC鉆頭+馬達提速25.52%。

3.2 推廣應用

深部潛山硬地層鉆井提速技術在渤中19-6大氣田典型井應用提速效果見表3。從表3可以看出，渤中19-6-1井采用扭力沖擊器配合忍者齒PDC鉆頭進尺120 m，平均機械鉆速3.64 m／h，單支鉆頭平均進尺60.0 m，相比常規PDC鉆頭+馬達組合提速25.52%，單支鉆頭平均進尺提高275%。渤中19-6-7井采用扭力沖擊器配合忍者齒PDC鉆頭進尺458.34 m，平均機械鉆速3.57 m／h，單支鉆頭平均進尺91.67 m，相比常規PDC鉆頭+馬達提速117.68%，單支鉆頭平均進尺提高76.4%。渤中19-6-10井采用扭力沖擊器配合忍者齒PDC鉆頭進尺321.34 m，平均機械鉆速3.69 m／h，單支鉆頭平均進尺160.67 m，相比常規PDC鉆頭+馬達提速167.39%，單支鉆頭平均進尺提高372.11%。

表3 渤中19-6大氣田典型井提速效果分析Table 3 Analysis on ROP improvement effect of typical wells in BZ19-6 large gas field

2017—2018年通過分析扭力沖擊器配合忍者齒PDC鉆頭在渤中19-6大氣田10口探井太古界潛山地層的應用，結果表明：常規牙輪鉆具組合鉆進進尺944 m，使用20支鉆頭，單支鉆頭平均進尺47.20 m，純鉆時間518.5 h，平均機械鉆速1.92 m／h。引入扭力沖擊器配合忍者齒PDC鉆頭進尺1 445 m，使用13支鉆頭，單支鉆頭平均進尺65.5 m，純鉆時間369.5 h，平均機械鉆速4.77 m／h，總體提速114.77%，單支鉆頭平均進尺提高135.46%，鉆頭的節省也大大縮短了起下鉆時間，扭力沖擊器配合忍者齒PDC鉆頭的引用大大縮短了鉆井周期，提速效果和經濟效益顯著。

4 結論

在分析渤中19-6大氣田太古界潛山地層巖石鉆井難點的基礎上，通過優選鉆頭和沖擊工具，提出了扭力沖擊器配合忍者齒PDC鉆頭的深部潛山硬地層鉆井提速技術。深部潛山硬地層鉆井提速技術在渤中19-6大氣田10口井的應用實踐表明，該技術能夠克服渤中19-6區塊太古界潛山地層埋藏深、地層抗壓強度高、可鉆性差、研磨性強等難題，單支鉆頭平均進尺65.5 m，相比常規馬達+PDC鉆頭提高135.46%，平均機械鉆速4.77 m／h，提速114.77%，提速效果和經濟效益顯著，具有較好的推廣應用價值。