亞肯北區礫石層優快鉆井技術

劉曉民朱 亮鐘文建羅發強方俊偉

（1.中石化西北油田分公司工程技術研究院，新疆烏魯木齊 830011；2.長江大學石油工程學院，湖北武漢 430100；3.油氣鉆采工程湖北省重點實驗室，湖北武漢 430100）

亞肯北區礫石層優快鉆井技術

劉曉民1朱 亮2，3鐘文建1羅發強1方俊偉1

（1.中石化西北油田分公司工程技術研究院，新疆烏魯木齊 830011；2.長江大學石油工程學院，湖北武漢 430100；3.油氣鉆采工程湖北省重點實驗室，湖北武漢 430100）

亞肯北區第四系及庫車組上部地層發育巨厚礫石層，導致鉆井過程中蹩跳和鉆井效率低下，在研究分析該區礫石層特征及鉆井難點的基礎上，從鉆頭結構參數和鉆具結構及鉆進參數等方面優化設計了大尺寸鑲齒牙輪鉆頭及配套鉆井工藝。鉆井實踐表明，亞肯北地區礫石層鉆井過程順利，礫石層段大尺寸牙輪鉆頭壽命長達404 h，機械鉆速提高了84.62%，同時大幅度地減少了鉆頭使用個數，減少了起下鉆時間，提高了鉆井作業效率。對亞肯北區鉆井提速方案的制定提供了技術指導和借鑒。

礫石層；鉆井提速；鑲齒牙輪鉆頭；亞肯北區塊

亞肯北區屬天山山前沖積平原，是中石化西北油田分公司貫徹國家“西部大開發”、“西氣東輸”戰略，培育大型天然氣田的主力勘探區塊，該區第四系及庫車組上部發育巨厚礫石層，鉆井過程中蹩跳嚴重，可鉆性差，鉆井過程中復雜情況多、機械鉆速低、鉆井周期長，為了縮短鉆井周期，加快勘探開發進程，針對該區存在的礫石層鉆進困難的問題，開展了快速鉆井技術研究與應用實踐，形成了亞肯北地區礫石層快速鉆井配套技術，實現了鉆井提速目標。

1 地質特點及鉆井技術難點分析

亞肯北區第四系地層存在較厚的礫石層。在第四系的西域組上部以雜色厚層狀礫巖為主，與泥巖互層；下部以雜色厚層砂礫巖為主，與黃灰色砂質泥巖互層。

礫石層的存在嚴重制約了該區鉆進效率的提升，其技術難點主要表現以下幾個方面。

（1）礫石層厚度大。已鉆的KU1井在第四系西域組井段累計鉆遇5層厚422 m礫石層；在庫車組上部井段累計鉆遇6層40 m礫石層。

（2）機械鉆速低。KU1井在礫石層的平均機械鉆速只有0.26 m/h。

（3）蹩跳鉆嚴重，導致鉆頭壽命短、損耗量大。KU1井共使用90只鉆進鉆頭，其中在礫石層段使用鉆頭達到49只，占全井鉆進鉆頭總數的54.4%，鉆頭出井分析發現鉆頭磨損也較為嚴重。

（4）復雜情況多。礫石層膠結差，軟硬不均，井易斜、易垮塌，限制了快速鉆進［1］。

2 礫石層牙輪鉆頭優化設計

2.1 礫石層微觀特征分析

從圖1所示的礫石地層剖面和現場礫石巖樣可以看出，亞肯北區的礫石地層顆粒間的充填物與礫石顆粒表面為不完全接觸，膠結較疏松，存在膠結裂縫，且膠結介質自身強度較低，從鉆進時的礫石層巖屑來看，礫石層礫石粒度明顯不均。

圖1 亞肯北區礫石層剖面圖

2.2 礫石層可鉆性及硬度分析

通過收集到的巖樣及巖屑，按照巖石力學標準和石油天然氣行業標準開展了巖石可鉆性實驗測試和硬度測試，得到了礫石層的巖石可鉆性剖面和硬度剖面，如圖2所示。

趙燕梅和伙伴們，從嚴把車輛進站入手，對所有進站車輛的車容車貌、裝卸油口、電子封簽、油品專用標識，以及滅火器、接地線等安全防護點，進行嚴格細致的檢查，絕不放過一個隱患，打造了“青年文明號”品牌。

從礫石層可鉆性剖面圖可以看出，礫石層可鉆性級值在2～7之間，屬于軟～中硬地層，可鉆性級值范圍大，硬度小于500 MPa，硬度級別為軟到中軟，硬度變化也較大，說明礫石層非均質性明顯。這與實鉆表現出的鉆頭工作不穩定、機械鉆速變化大的情況相吻合。

圖2 礫石層剖面圖

實鉆資料表明在亞肯北區第四系礫石層呈現出以下特征：100～400 m，礫石層松散，粒度不均，大塊礫石成游離狀態，可鉆性級值在3.0～7.0；400～950 m，松散和半膠結礫石層，可鉆性級值在2.5～6.5。由此分析認為在礫石層段應選用牙輪鉆頭鉆進。

2.3 鉆頭結構參數的優化

在分析了地層特點和巖石可鉆性特征分布規律的基礎上，主要從以下4個方面對鉆頭結構參數進行了優化。

（1）切削齒結構。采用寬頂齒技術，有效提高牙齒的井底破碎體積；采用修邊齒技術，具有優異的側切能力，修整井壁及保護軸承；采用圓頂凸楔齒技術，極大增強齒的攻擊性，提高了齒的強度，降低齒的應力集中。鉆頭切削齒如圖3所示。

圖3 優化切削齒結構

（2）軸承密封。采用三級滾柱、三級止推O形橡膠密封滾動軸承，增加軸承軸向密封保護，避免巖屑進入鉆頭軸承，大大延長軸承壽命。

（3）牙輪鉆頭水力系統。采用中心噴嘴：鉆頭中心位置布置噴嘴，有效清洗牙輪，減少泥包，提高機械鉆速；采用加長噴嘴：縮短噴嘴到井底的距離，提高射流對井底的沖擊力。

（4）牙輪鉆頭牙掌結構。在牙輪鉆頭牙掌布置合金齒，可以有效地保護掌尖和密封，有效增強鉆頭抗縮徑能力。

通過上述優化，形成了亞肯北區礫石層段鉆進的鉆頭選型方案，見表1。

表1 亞肯北區礫石層段牙輪鉆頭選型方案

3 礫石層鉆具組合及鉆井參數優化

實鉆表明，在礫石層鉆進時都有不同程度的蹩跳鉆現象，如鉆遇膠結強度高礫石層段跳鉆現象更為嚴重，因此不能正常加壓進行鉆進，只能采用小鉆壓施工，導致機械鉆速較慢。長時間跳鉆還能損壞鉆頭和鉆具，引起事故，所以鉆礫石層時要使用減震器。

另外在礫石層比較容易出現垮塌、掉塊等現象，造成井眼不規則，導致環空返砂比較困難，將會引起泵壓升高，影響水力作用的正常發揮。為此可設計采用大尺寸鉆具，以減小循環壓耗，降低泵壓，充分發揮水力沖擊作用，同時可以提高環空返速和攜砂能力［2-6］。以此為原則，優化設計了適合亞肯北區的鉆具組合及鉆井參數：

鉆具組合：?660.4 mm牙輪+?279.4 mm鉆鋌×2根+?660.4 mm扶正器+?241.2 mm鉆鋌×6根+?203.2 mm鉆鋌×3根+NC561?520+?139.7 mm加重鉆桿×6根+?139.7 mm鉆桿。鉆井參數：鉆壓40～60 kN；轉速60 r/min；排量55～60 L/s。

4 礫石層鉆進應用效果分析

在研究分析亞肯北區地質條件及鉆井工程難點的基礎上，提出了一系列針對礫石層鉆進的優化方案，并在KU2井進行了試驗應用。

從表2所示的數據來看，KU2井礫石層通過優化牙輪鉆頭、鉆具組合及鉆進參數，單只鉆頭純鉆時間大幅度增加，鉆井提速效果顯著。KU2井一開平均機械鉆速0.48 m/h；較KU1井一開機械鉆速0.26 m/h相比，提高了84.62%。鉆頭使用個數也較KU1井的49只鉆頭，減少到了9只鉆頭，在提高鉆井效率的同時，經濟成本得到了很好的控制。

表2 KU2井礫石層鉆頭使用效果

5 結論

（1）亞肯北區存在較厚的礫石層，表現出機械鉆速低、蹩跳鉆嚴重、鉆頭壽命短、損耗量大且復雜情況多的特點。

（2）礫石層可鉆性級值范圍跨度較大，表現出不均質和可鉆性較差的特點，考慮到礫石呈現出較松散且游離程度高的特點，在礫石層段應選用牙輪鉆頭鉆進。

（3）根據礫石層特點，宜采用大尺寸鉆具組合，同時配合小鉆壓進行鉆進。

［1］高紹智，張建華，李天明，等.適用于礫石夾層鉆進的PDC鉆頭［J］.石油鉆采工藝，2006，28（4）：20-21．

［2］張建華.西部地區礫石層鉆井難點及對策［J］.石油鉆探技術，2006，34（3）：84-86．

［3］王延民，梁紅軍，李皋，等.塔里木DB區塊礫石層特征及對優快鉆井影響［J］.新疆地質，2012，30（1）：113-115．

［4］方甲興，王興武.塔1井巨厚礫石層鉆井技術［J］.鉆采工藝，2003，26（6）：4-6．

［5］李夢剛，楚廣川，張濤，等.塔河油田優快鉆井技術實踐與認識［J］.石油鉆探技術，2008，36（4）：18-21．

［6］王成嶺，李作賓，蔣金寶，等.塔河油田12區超深井快速鉆井技術［J］.石油鉆探技術，2010，38（3）：17-21．

（修改稿收到日期 2013-12-23）

〔編輯 薛改珍〕

Optimized drilling technology in gravel layer in North Yaken

LIU Xiaomin1,ZHU Liang2,3,ZHONG Wenjian1,LUO Faqiang1,FANG Junwei1
（1.Research Institute of Engineering Technology,Sinopec Northwest Oilfield Company,Urumqi830011,China;2.Petroleum Engineering School of Yangtze University,Wuhan430100,China;3.Key Laboratory of Oil and Gas Drilling Project of Hubei Province,Wuhan430100,China）

The extraordinary thick gravel layer in Quatemary system and upper formation of Kuche member in the North Yaken cause stick-slip and low efficiency during drilling.Based on study and analysis of feature of gravel layer and difficulty of drilling,the thesis optimizes and designs insert roller bit with large size and matched drilling technology in aspects of drilling bit parameter,drilling rig structure and drilling parameter.The drilling practice indicates that the drilling process in gravel layer of the North Yaken is successful.The service life of roller bit with large size in gravel layer is up to 404 hours and rate of penetration is increased by 84.62%.Meanwhile,the number of bits needed is greatly reduced,the time of tripping is decreased,and the efficiency of the drilling is also improved.The study provides guidance and reference for making the scheme to improve the drilling speed in Northern Yaken .

Gravel layer;increasing the drilling speed;inserted roller bit;North Yaken

劉曉民，朱亮，鐘文建，等.亞肯北區礫石層優快鉆井技術［J］.石油鉆采工藝，2014，36（1）：11-13.

TE242

：A

1000-7393（2014）01-0011-03

10.13639/j.odpt.2014.01.003

“十二五”國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發”課題“碳酸鹽巖縫洞型油藏鉆井技術完善與推廣”（編號：2011ZX05049-02-02）資助。

劉曉民，1981年生。2007年獲中國石油大學（北京）油氣井工程專業碩士學位，現主要從事鉆井工藝優化設計工作。電話：0991-3161177。E-mail：xiaomin505@126.com。