深部地層高頻旋轉沖擊破巖技術在蘆4H井的研究與應用

趙久平

（吐哈油田公司工程技術研究院，新疆鄯善838202）

三塘湖馬朗—條湖凹陷深層火山巖油藏是儲量增長和產能接替的重要領域，但中深部地層火成巖跨度大（1800～3600m），與沉積巖相比，存在可鉆性差、研磨性強、裂縫與破碎帶發育等難點，井壁穩定性差與漏失頻發，行程鉆速低，復雜事故率高，導致鉆井周期長，制約了深層火成巖勘探開發進程。

蘆4H井導眼于2017年5月23日完鉆，完鉆井深3800m，完鉆層位為二疊系蘆草溝組。鉆探過程中，在主要目的層段（對應蘆草溝組I段頂部3671.9～3722.6m油層段）錄井見到油氣顯示，氣測全烴最高達1.8%，巖性為含灰泥巖、含云泥巖及凝灰質泥巖互層，該段井壁取芯11顆，其中6顆有油氣顯示；核磁測井資料顯示目的層段物性相對較好，測井解釋油層6.2m/1層，差油層16.0m/1層。經過油藏地質綜合分析認為，自蘆4井向西儲層含油氣性變好，油層厚度亦有增厚趨勢，且ML1井已在該儲層段獲得工業油流，蘆4H井具備向西側鉆地質條件。經2017年5月26日油田公司勘探例會討論決定，要求在原設計軌跡基礎上重新調整設計，根據實鉆矯正后的構造圖，在ML1井以北185m處設計控制點C，以確保軌跡進入ML1井對應的主力油層中部。

根據蘆4H深部地層地質巖性特點，優化常規鉆井方式，提出“保證井下安全，減少復雜事故”的高頻旋轉沖擊破巖鉆井技術。

1 高頻旋轉沖擊破巖技術——沖擊鉆頭（圖1）

圖1 沖擊鉆頭：尖錐齒、斧頭齒

根據蘆4H探井深部地層巖性特點分析，沖擊鉆頭選用尖錐齒和斧頭齒兩種齒型，而尖錐齒作為備排齒，這種排齒方式主要是分擔沖擊載荷，保護切削結構，大幅延長進尺；斧頭齒主要是沖擊與剪切兩種混合的破巖作用，攻擊性更強，適合于砂泥巖互層夾少量砂礫巖地層，抗沖擊性能提高，保障了鉆頭使用壽命，延長了單只鉆頭進尺。兩種齒型的鉆頭，反扭矩更低，扭矩波動范圍更窄，有助于保持底部鉆具工具面穩定，實現更高的造斜率。

（1）尖錐齒鉆頭優點：

①PDC齒容易崩齒，而尖錐齒接觸點位置受力非常集中；

②PDC齒沖撞地層壽命較短，而尖錐齒沖撞次數較多，高效地破碎高抗壓強度的巖石。

（2）斧頭齒優點：

①相同鉆井參數下，斧頭齒的吃入深度大22%；

②斧頭齒中央突起部分局部應力高，高效破巖。

2 高頻旋轉沖擊破巖技術——沖擊螺桿（圖2）

圖2 沖擊螺桿示意圖

鉆井底部動力鉆具主要是螺桿，沖擊螺桿相比于常規螺桿破巖效果較好，通過螺桿主軸每旋轉一圈，鉆頭短節就上下沖擊若干次，形成固定頻率的沖擊力，從而使鉆頭邊旋轉邊沖擊巖層，達到快速破巖的目的。

3 解決復雜地層鉆井技術難題

該井試驗中，有效解決了煤層、破碎、易縮易塌等復雜地層遇阻、卡鉆等鉆井難題，清除出難破碎的巖屑和掉塊，保證減少井下復雜事故的發生。

通過工具應用前后對比圖（圖3）明顯看出：返出巖屑變得均勻，返出量增多。沖擊螺桿比常規螺桿造斜段造斜率明顯高出3°～6°/30m，可以大幅縮短定向周期，有效提升復合鉆進時間，達到鉆井提速目的。

圖3 工具使用前后對比圖

4 兩種新型底部鉆井工具的配套應用

參照區域地質巖性分析及復雜層段分布情況，采用針對性強的沖擊鉆頭，實現了在中硬地層中抗沖擊、抗磨、抗壓百分占比得出所適應地層的選型。相應的研究分析了井下動力鉆具后，提出了“高頻旋轉沖擊”的創新型底部鉆具模式，使得鉆具粘卡現象明顯降低。

沖擊鉆頭：蘆4H直井段、造斜段前期常規PDC鉆頭泥包、崩齒問題突出，嚴重影響鉆井平均機速，應用新型底部鉆具配合模式后，沒有出現泥包現象，鉆頭崩齒現象得到了較好解決，如圖4所示。

圖4 沖擊鉆頭使用前后對比圖

沖擊螺桿：優化瓣比，采用帶沖擊的中速大扭矩螺桿，增大鉆頭扭矩、提高破巖效率，延長螺桿使用壽命，提高生產時效，如圖5所示。

圖5 沖擊螺桿優化后示意圖

通過該井試驗，鉆具不拖壓時，當鉆壓加之14t時，出現工具面從0°直接旋轉至270°左右運行，反扭角較大，但當鉆壓降至10t或更小鉆壓6t時，反扭角變化較小，工具面較穩，由此判斷螺桿的沖擊力度較大，在井底帶動底部鉆具活動，有沖擊和防卡作用。

5 一整套新型的鉆具組合方式

（1）直井段鉆具組合：?216mm沖擊鉆頭＋?172mm 1.25°沖擊螺桿+?212mm扶正器+?172mm鉆具浮閥+?172mm定向接頭+?178mm無磁鉆鋌+?178mm DC+?212mm井壁修復器+?165mm鉆鋌×9根+?127mm加重鉆桿+?172mm隨鉆震擊器+?127mm加重鉆桿×11根+?127mm鉆桿。

（2）造斜段鉆具組合：?216mm沖擊鉆頭＋?172mm單彎沖擊螺桿（1.5°）+?165mm單流閥+?165mm定向接頭+?165mm無磁鉆鋌+?127mm加重鉆桿×3根+?127mm斜坡鉆桿15根+?127mm加重鉆桿×42根+?127mm鉆桿。

（3）水平段鉆具組合：?216mm沖擊鉆頭＋?172mm單彎沖擊螺桿（1.25°，雙扶208×212）+?165mm單流閥+?165mm定向接頭+?165mm無磁鉆鋌+?127mm加重鉆桿×3根+?127mm斜坡鉆桿×115根+?127mm加重鉆桿×42根+?127mm鉆桿。

通過開展項目研究試驗，成功形成了一套適應性強、經濟效益高的高頻旋轉沖擊破巖鉆井技術，如表1所示。

歷年來，針對鉆井提速井中高效破巖鉆井技術，通常采用“常規PDC鉆頭+常規單彎螺桿”模式，大塊巖屑、掉塊從井底帶離不出去，嚴重影響井下安全，中硬地層鉆頭磨損嚴重、進尺慢等制約項成為了鉆井提速的根本性原因。通過創新型底部鉆具組合方式，有效解決了高效破巖技術難題，創新了兩套底部工具，形成了一整套底部鉆具組合方式，同時具有經濟效益高、易于規模化推廣應用的特點。

6 認識與建議

通過開展優快鉆井現場試驗及推廣應用，深層蘆草溝組油藏優快鉆井與油氣勘探取得突破。與前期鉆井性能平均相比，鉆井周期由95.48d縮短至50.47d，機械鉆速由2.92m/h增加至5.43m/h，復雜事故時效由2.09%降至0.53%，有效解決了制約三塘湖深層火成巖鉆井的技術瓶頸，為規模高效勘探開發同類型油藏動用提供了經濟有效的技術手段。