提高渤海中深層機(jī)械鉆速技術(shù)應(yīng)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(gòu)造對于渤海天然氣勘探具有里程碑意義，該構(gòu)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(chǎn)能建設(shè)的重點區(qū)域［1-2］。在該構(gòu)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(qiáng)非均質(zhì)性砂礫巖地層困擾鉆井提速［3］，其膠結(jié)致密，研磨性強(qiáng)；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(jī)械鉆速低導(dǎo)致裸眼段鉆井液浸泡時間增加，流體長時間沖刷井壁引發(fā)井壁失穩(wěn)、掉塊埋鉆具、鉆桿刺漏等次生復(fù)雜事故，嚴(yán)重制約了油田開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性，提高機(jī)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(shù)難題，開展了該地區(qū)提高鉆井機(jī)械鉆速技術(shù)研究，建立全井段巖石可鉆性級值剖面并對比鉆頭庫優(yōu)選鉆頭；砂礫巖地層選擇一體化復(fù)合沖擊提速工具提高機(jī)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(jìn)鉆速低的難題，極大增加了單只鉆頭進(jìn)尺，形成了適合渤海中深部地層提高機(jī)械鉆速技術(shù)。中深層關(guān)鍵提速技術(shù)在渤海A油田的應(yīng)用，解決了中深層鉆井井身結(jié)構(gòu)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(qū)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(qū)域累計鉆遇砂礫巖層厚度達(dá)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(qiáng)非均質(zhì)性，巖心強(qiáng)度實驗顯示砂礫巖地層壓實程度高，研磨性強(qiáng)。PDC鉆頭易發(fā)生早期崩齒破壞，牙輪鉆頭磨損嚴(yán)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(jī)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(qiáng)，機(jī)械鉆速慢，摩擦產(chǎn)熱帶引起復(fù)合片磨損。且深部地層?88.9 mm鉆桿?152.4 mm鉆頭鉆進(jìn)，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(jìn)，單趟進(jìn)尺僅78 m，平均機(jī)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(dǎo)致馬達(dá)、扶正器、鉆桿等井下工具過度磨損、疲勞破壞，引發(fā)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(jìn)具備一定優(yōu)勢，但由于其結(jié)構(gòu)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(jìn)尺，從而提高機(jī)械鉆速。

2 中深層提速技術(shù)

建立巖石可鉆性剖面，并統(tǒng)計油田所使用鉆頭的機(jī)械鉆速與巖石可鉆性關(guān)系的鉆頭庫，結(jié)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(jī)理，優(yōu)選提速工具，建立了渤海中深層提速技術(shù)。

2.1 巖石可鉆性剖面建立

巖石的強(qiáng)度和硬度會隨著巖石聲波時差的增大而減小［5］。測井?dāng)?shù)據(jù)與地層巖石力學(xué)特性的關(guān)系式為［6］

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

通過巖心實驗測定巖石可鉆性極值，模擬鉆進(jìn)巖石2.4 mm深度所需時間［7］，校核測井?dāng)?shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

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

統(tǒng)計鄰近油田地層機(jī)械鉆速并對應(yīng)巖石可鉆性，統(tǒng)計出不同地層巖石可鉆性最適宜的鉆頭，建立相關(guān)參數(shù)庫。對應(yīng)目標(biāo)油田選擇鉆頭，初步制定地層鉆頭選型方案。

2.2 一體化復(fù)合沖擊器應(yīng)用于?215.9mm井段

鉆頭受壓吃入地層之初，巖石未破壞，鉆頭運(yùn)動受阻，鉆具受扭；巖石破壞后，鉆具扭矩釋放，鉆頭加速運(yùn)動，若地層非均質(zhì)，礫石對PDC鉆頭復(fù)合片產(chǎn)生正向沖擊造成鉆頭崩齒，繼而引起鉆頭復(fù)合片的快速破壞，復(fù)合片切削部位受撞擊剝落影響切削效率及壽命，使機(jī)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(xiàn)的多種有害振動，將鉆井液的流體能量轉(zhuǎn)換成高頻、均勻穩(wěn)定的機(jī)械沖擊能量并直接傳遞給PDC鉆頭，使鉆頭在井底運(yùn)動保持連續(xù)性。

一體化復(fù)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(zhuǎn)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(fù)合沖擊。該工具可配合旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向使用，適用于抗壓強(qiáng)度56～210 MPa地層，通過改變破巖機(jī)理提高機(jī)械鉆速。

復(fù)合沖擊器所帶的?215.9 mm鉆頭是6刀翼13 mm齒復(fù)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(wěn)定性，化解有害振動，延長鉆頭壽命增加單只鉆頭進(jìn)尺。

?215.9 mm井段鉆遇孔店組砂礫巖，地層平均抗壓強(qiáng)度102 MPa，硬夾層抗壓強(qiáng)度202 MPa。通過一體化復(fù)合沖擊器帶PDC鉆頭解決了砂礫巖地層復(fù)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(fù)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(yīng)用于?152.4mm井段

潛山片麻巖、花崗巖等地層抗壓強(qiáng)度過高，易造成PDC鉆頭破壞。使用一體化復(fù)合沖擊工具對鉆頭保護(hù)效果有限，且受工具結(jié)構(gòu)影響，在漏失風(fēng)險較大的潛山地層不適用，因此引入扭沖工具實現(xiàn)提速。

扭沖工具通過鉆井液驅(qū)動內(nèi)部錘體產(chǎn)生一定頻率的圓周往復(fù)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(yuǎn)小于常規(guī)單個復(fù)合片受到的沖擊力，該復(fù)合片抗沖擊性比常規(guī)復(fù)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(jié)構(gòu)，與地層呈咬合狀，相當(dāng)于復(fù)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(xué)上最佳剪切排列。因此用忍者齒PDC鉆頭配合扭沖工具應(yīng)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(jī)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(xiàn)場應(yīng)用

在A油田勘探開發(fā)過程中逐漸形成了中深層提速技術(shù)。由于對地層不熟悉，第1口探井A1井鉆進(jìn)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(jìn)整體機(jī)械鉆速較低，最后嘗試采用一體化復(fù)合沖擊器，機(jī)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(tǒng)計見表1。

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

隨著A1井、A3井鉆頭使用經(jīng)驗摸索，在A5井及后續(xù)鉆井中形成了中深層提高機(jī)械鉆速技術(shù)：采用?215.9 mm一體化復(fù)合沖擊工具鉆進(jìn)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(jìn)。通過對鉆頭使用情況分析，中深層提速技術(shù)應(yīng)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(fù)合沖擊器，機(jī)械鉆速較A1井、A3井提高較多，3口井孔店組機(jī)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(jī)械鉆速有較大提高，單井使用鉆頭數(shù)量大大降低，5口鉆遇潛山地層的?152.4 mm井段機(jī)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(jī)械鉆速達(dá)到5.3 m/h，較牙輪鉆頭平均機(jī)械鉆速提高96.3%，僅用1只鉆頭完成潛山段鉆進(jìn)，單只鉆頭進(jìn)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(dǎo)致鉆頭磨損嚴(yán)重（圖6），側(cè)面反映出扭力沖擊器的鉆頭保護(hù)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(shù)的成功應(yīng)用，極大推動了潛山儲層的勘探進(jìn)程，為該油氣田快速評價及經(jīng)濟(jì)高效的開發(fā)奠定堅實的基礎(chǔ)。隨著A5井作業(yè)順利結(jié)束，中深層探井提速技術(shù)得到成功應(yīng)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(jié)論和建議

（1）在對已鉆井地層巖石力學(xué)參數(shù)結(jié)合鉆井參數(shù)、鉆頭磨損、地層巖性等因素分析基礎(chǔ)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(xiàn)了機(jī)械鉆速的提高，也保證了裸眼段浸泡時間的降低，減少了復(fù)雜事故的發(fā)生。

（2）在砂礫巖地層鉆進(jìn)時應(yīng)保持較低的轉(zhuǎn)速（不超過70 r/min），鉆進(jìn)初期鉆壓不宜超過50 kN，隨地層硬度及機(jī)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(jī)理深入研究外，應(yīng)增加對鉆頭破巖機(jī)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(jìn)。

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