高陡含礫地層大扭矩螺桿+高效PDC鉆頭鉆井提速分析

康 健，郝圍圍，劉德智，閆國興，李 博

（中國石油集團工程技術研究院有限公司，北京102206）

塔里木油田山前地區位于塔里木盆地北緣，為大型復雜構造圈閉發育，油氣資源豐富，是塔里木天然氣勘探開發的主戰場[1]。但是山前地區地質條件復雜，油氣儲藏埋藏深，地層傾角大，研磨性強，可鉆性差，導致山前地區鉆井周期長、鉆井成本高，是制約山前地區勘探開發的瓶頸[2-3]。庫車山前礫石層核心發育區中深層井深超過5000m以后，地層總體礫石含量較低，但地層壓實程度高，灰質膠結致密，牙輪鉆頭總體表現為機械鉆速低、磨損速度快；常規PDC 鉆頭表現為切削齒吃入困難，單只鉆頭進尺少，嚴重制約了油田的高效開發。隨著勘探開發的深入，對地層的認識不斷深化，結合地層特點開展多輪次新工具及不同類型鉆頭的試驗，通過提速方案總結及提速效果對比，優選出大扭矩螺桿+高效PDC 鉆頭配合垂鉆工具提速組合，并在本地區成功試驗應用多口井。實踐證明，大扭矩螺桿+高效PDC鉆頭配合垂鉆工具可極大地提高機械鉆速，縮短建井周期。

1 山前中深層高陡含礫地層作業難點分析

1.1 地層壓實程度高，巖性軟硬交錯，可鉆性差

山前礫石核心發育區三開上部及以上地層礫石含量高，礫石層厚度約為5000m 左右，地層壓實程度低，以砂質泥巖膠結為主，膠結程度低，成巖性差，可鉆性相對較好。隨著井深的增加，層位在康村組下部至吉迪克組，鉆探深度集中在井深5000～6000m，礫石含量逐漸減少，壓實程度越來越高，地層成巖性變好，巖性逐漸變為軟硬交錯成巖段含礫砂泥巖互層。巖石Ca?CO3含量逐漸增大，膠結程度不斷增加，地層越來越致密，研磨性隨井深增加不斷增強，可鉆性變差。常規PDC 鉆頭在該段鉆進施工使用過程中，由于地層軟硬交錯，鉆壓及扭矩波動劇烈，使得鉆頭產生劇烈的橫縱向沖擊及嚴重的粘滑現象，易造成鉆頭先期的破壞。同時較高的地層壓實程度、致密膠結、含礫地層高抗研磨性等因素同樣制約常規PDC鉆頭的切削能力，嚴重影響了鉆頭使用壽命及機械鉆速。

1.2 地層傾角大，自然造斜率強，井斜控制難度大，配合垂鉆提速工具選擇困難

本區塊地層傾角范圍普遍在35°～85°之間，防斜與提速之間存在難以調和的矛盾[4]。為了保證井身質量，垂直鉆井工具成為本區塊中深部以上地層鉆井提速標配，由于垂直鉆井工具安裝在近鉆頭位置，導致一些配合PDC 鉆頭近鉆頭提速工具的使用受到了不同程度的制約。極大地影響了鉆頭工作效率的發揮，進而影響鉆井周期。

2 提速方案優選

2.1 鉆頭優選

針對庫車山前地區礫石核心發育區中深層以深地層特點，近年來，油田不斷的試驗了國內外新型PDC鉆頭，取得了較高的應用指標。通過對中深層以深5000～6000m 井段，近三年鉆頭現場使用類型與指標進行了匯總分析，主要可分為四大類，分別為：牙輪鉆頭、常規PDC鉆頭、孕鑲鉆頭、PDC非平面齒鉆頭。如圖1所示，分析統計表明，各類鉆頭使用指標表現差異性較大，但總體來看，非平面齒PDC 鉆頭各項指標平均水平明顯優于其他類型的鉆頭。

圖1 鉆頭指標統計

從實鉆情況反映來看，三開上部巖性主要以雜色細礫巖、小礫巖、砂礫巖不等厚互層為主，沖擊性較強，下部主要以礫巖、粉砂巖、灰質泥巖、褐色含膏泥巖等不等厚互層為主，巖性變化大。至上而下，地層研磨性逐漸增強。使用常規PDC鉆頭鉆進過程中，表現為鉆具振動劇烈、易發生憋跳鉆、鉆頭崩齒損壞嚴重、單只鉆頭進尺短、起下鉆頻繁等問題。而非平面齒PDC鉆頭設計不僅兼具攻擊性、研磨性和抗沖擊性，而且通過增加布齒密度，在確保抗沖擊性的同時，提高鉆頭抗研磨性，可大大提高鉆頭的破巖效率并延長鉆頭使用壽命。如圖2所示，分析表明，庫車山前礫石核心發育區三開中下部，常規PDC鉆頭用量占比高達63%，進尺占比只有49%。相反，非平面齒PDC 鉆頭用量占比只有23%，進尺占比卻高達42%，使用效率提高了2.3倍。

圖2 鉆頭用量、占比統計

現場使用中表現優秀的非平面齒PDC 鉆頭主要有：斧形齒、尖錐齒、尖圓混合齒、多面齒等。如圖3所示，在庫車山前地區中深層鉆進過程中，非平面齒PDC鉆頭平均單只鉆頭進尺368m，較常規PDC鉆頭提高了131m。以中石油工程院休斯頓研發中心研發的型號SV516 多面齒PDC 鉆頭表現最為突出，該鉆頭采用新型非平面齒設計，通過三條切削棱實現破巖，提高了切削齒的抗沖擊性能和破巖效率，在非均質性強的地層中有較好的適用性。該種鉆頭在BZ#井，井段5233～6102m，單只鉆頭進尺725m，平均機速達2.53m/h，進一步體現了非平面齒在該地層中適用性強。

圖3 單只鉆頭平均進尺

2.2 提速工具優選

針對本井段地層的特點在鉆進過程中不同井的相同井段先后試驗了多種提速組合，其中高速渦輪加孕鑲鉆頭、扭力沖擊器加PDC 鉆頭，這兩類提速組合現場應用效果較好，都取得了一定的提速效果，但是這兩類提速組合，在整體技術上都有著不同程度的劣勢，且經濟實用性較低。如表1 所示，通過現場試驗對比表明，大扭矩螺桿加高效PDC 鉆頭較前兩類提速工具，經濟適用性強，機速效果更優，單趟鉆進尺提高1.5倍，機械鉆速提高2 倍。以下針對三類提速工具優缺點以及針對區塊地層的適應性進行細致的分析。

表1 各類提速工具現場試驗指標對比

（1）高速渦輪+孕鑲鉆頭。高速渦輪鉆具最大的優勢是轉速高（可達到300～500r/min），遠高于螺桿和轉盤（或頂驅）轉速。渦輪鉆具配合孕鑲鉆頭破巖原理主要依靠高速渦輪帶動孕鑲鉆頭高速旋轉對地層磨削，巖屑成粉狀[4]。渦輪加孕鑲鉆頭在本井段使用取得一定的提速效果，但缺點一是由于垂直鉆井工具連接在近鉆頭，鉆進過程中高速渦輪無法提供足夠的扭矩，缺點二是由于高速渦輪轉速大于垂直鉆井工具能夠承受的最大轉速約200r/min左右，導致垂直鉆井工具無法正常工作，所以此套提速工具無法配合垂直鉆井工具使用，導致井斜控制難度較大。

（2）扭力沖擊器＋PDC 鉆頭。高頻扭沖力能夠提高破巖效率和機械鉆速，扭力沖擊器屬于高頻扭轉沖擊工具，是將鉆井液的流體能量轉換成高頻的（頻率750～1500min-1）、周期性的周向沖擊力（約2kN），并直接作用在鉆頭上。這種高頻沖擊力改變了鉆頭的運動狀態，鉆頭不需要等待扭力蓄積到一定程度就可以破碎巖石，使得整個切削地層的過程處于穩定狀態[5]。此套提速工具優點是，可延長鉆頭壽命、減少起下鉆次數，減少底部鉆具的疲勞，降低鉆頭粘滑，減少反沖扭力和扭力振蕩。但缺點是此套提速工具無法提供轉速，單依靠轉盤轉速無法發揮高效PDC鉆頭最佳破巖效率。

（3）大扭矩螺桿＋高效PDC 鉆頭。大扭矩螺桿是一種專用直螺桿，它的軸承和傳動軸是最新材料和新型工藝制成的，具有傳動效率高、功率大、可靠性高等特點，與常規螺桿鉆具相比，其定子和外殼更堅固，等壁厚定子與轉子之間的密封性更好，定子耐溫性能更高，同一尺寸螺桿鉆具的轉速、工作排量、扭矩和輸出功率等要比常規螺桿鉆具高[6-7]。表2為本井段使用的大扭矩螺桿進口與國產指標對比。大扭矩螺桿不僅可以配合垂直鉆井工具使用，而且可提供轉速，在復合鉆進過程中，結合轉盤轉速，可充分的發揮高效PDC的特點，可大幅提高鉆頭的使用效率，進一步提高機械鉆速。

3 現場應用及評價

表2 大扭矩螺桿指標對比

BZ#區塊，DB#區塊三開?333.4mm 設計至庫姆格列木群上泥巖段，主要巖性如表3所示，本區塊主要在BZ#-A、BZ#-B，DB#-B 井三開中下部作業過程中，試驗了大扭矩螺桿加高效PDC鉆頭。

鉆頭使用情況：BZ#-A井使用了6刀翼16mm齒非平面齒鉆頭，內排為斧形齒加外排多棱齒組合的非平面齒PDC鉆頭，BZ#-B、DB#-B井使用了5刀翼16mm圓形平面齒PDC鉆頭。

大扭矩螺桿+垂鉆+PDC 鉆具組合：?333.4mm PDC 鉆頭+垂直鉆井工具+?244mm 螺桿+變扣+?228.6mm無磁鉆鋌+懸掛接頭+?330.8mm扶正器+?228.6mm 鉆鋌×3 根+ ?203.2 浮閥+?203.2mm 鉆鋌×15 根+?139.7mm 加重鉆桿×15 根+?139.7mm 鉆桿×66根+?1149.2mmDP鉆桿。

表3 ?333.4mm井段中下部所鉆地層及巖性

垂鉆+PDC 鉆具組合：?333.4mmPDC +垂直鉆井工具+?228.6mm 鉆鋌×1 根+?228.6mm 浮閥+? 331mm扶正器+?228.6 mm鉆鋌×2根+?203.2mm鉆鋌×12 根+?139.7mm 加重鉆桿×18 根+?139.7mm鉆桿。

井身結構：以BZ#-A井為例，采用標準六開封一套鹽層井身結構，如圖4所示，大扭矩螺桿配合高效PDC鉆頭使用井段在三開?333.4mm井眼中下部，層位：康村組，井深：5526～6205m。

鉆井參數：鉆井液密度2.19g/cm3，鉆壓100kN，轉速80r/min，泵壓24MPa，排量27L/s。

試驗證明，大扭矩螺桿加高效PDC 鉆頭配合垂直鉆井工具在三口井都有非常明顯的提速表現，如表4所示，其中，BZ#-A 井在康村組含礫較多的地層單趟鉆井進尺高達679m，DB#-B井較鄰井DB#井同井段單趟鉆進尺提高了77.5%，BZ#-B井較鄰井BZ#井同井段機速提高了41.6%，取得了良好的應用效果。

圖4 BZ#-A井身結構圖

4 結論

表4 大扭矩螺應用效果分析

（1）在庫車山前礫石發育核心區，?333.4mm 井眼，非平面齒PDC 高效鉆頭具有強攻擊性、研磨性和抗沖擊性，較其他鉆頭，單趟鉆進尺長，機械鉆速快，具有良好的地層適應性。

（2）實鉆表明，大扭矩螺桿配合高PDC 鉆頭在高陡含礫地層可大幅提升鉆頭的切削效率，進一步增強高效鉆頭的使用效率，提速效果明顯。

（3）由于庫車山前非礫石核心發育區具有含純礫層段短、礫石直徑較小且夾雜砂泥巖等特點，鑒于大扭矩螺桿配合高效PDC 鉆頭在庫車山前礫石核心發育區中深層以深地層的成功應用，該項技術可大面積推廣應用于礫石層非核心發育區大段含礫地層，從而大大地提高山前鹽上整體機械鉆速，縮短鉆井作業周期，為庫車山前礫石層鉆井提速降本提供一個新思路。