塔里木油田庫車山前礫石層提速技術(shù)研究

李 寧， 周 波， 文 亮， 韓雨恬， 王天博， 盧宗武

(中國石油塔里木油田分公司)

塔里木庫車坳陷克拉蘇構(gòu)造帶上部發(fā)育巨厚礫石層，主要分布在博孜、大北、吐北地區(qū)及克拉蘇背斜南北翼，具有東薄西厚、南薄北厚的特點(diǎn)[1-3]，尤其是博孜區(qū)塊，礫石層平均厚度1 000～3 000 m，最厚達(dá)5 000 m以上。礫石層縱向上多套地層中含礫石，且礫石成分不同、分選性差、非均質(zhì)性強(qiáng)、可鉆性差。常規(guī)鉆頭在鉆進(jìn)過程中，極易因礫石正向沖擊而造成切削齒先期損傷，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)械鉆速變慢，鉆頭進(jìn)尺少，鉆頭消耗多，嚴(yán)重制約了山前致密砂巖油氣藏高效勘探開發(fā)。為了助力礫石層提速增效來加快建產(chǎn)進(jìn)程，根據(jù)各精細(xì)層段沉積序列特點(diǎn)和可鉆性分析，明確提速技術(shù)難點(diǎn)，通過個(gè)性化鉆頭設(shè)計(jì)和配套提速工具優(yōu)選，最終形成大段礫石層鉆井提速技術(shù)方案，并在現(xiàn)場試驗(yàn)中取得了明顯的提速效果。

一、礫石層精細(xì)分層及可鉆性研究

克拉蘇構(gòu)造帶地表以高山和沖積扇為主，不同地區(qū)礫石層具有不同的分布特征，自上而下發(fā)育第四系西域組、新近系庫車組、康村組、吉迪克組。礫石礫徑大小分布廣，源巖巖性復(fù)雜多樣，表層巖性多為火成巖，深部多為碳酸鹽巖類沉積巖[3]。針對礫石層沉積序列、礫石成分和巖性特征，通過精細(xì)分層描述將其劃分為未成巖段、成巖段和準(zhǔn)成巖段，其特征總結(jié)見表1。

表1 礫石層精細(xì)分層段特點(diǎn)總結(jié)表

通過分析巖屑錄井中的碳酸鈣含量與平均日進(jìn)尺的相關(guān)性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者在未成巖段和準(zhǔn)成巖段內(nèi)呈正相關(guān)性，在成巖段內(nèi)呈負(fù)相關(guān)性，因此碳酸鈣含量縱向剖面應(yīng)作為未成巖段和準(zhǔn)成巖段地層可鉆性第一刻畫指標(biāo)，鉆頭選型應(yīng)以抗沖擊和抗渦動(dòng)為主；隨著地層壓實(shí)和膠結(jié)程度的增加，在成巖段內(nèi)，以地層研磨性和沖擊性為綜合刻畫指標(biāo)，鉆頭在保持抗沖擊性能的同時(shí)，需要增加有效切深從而加強(qiáng)鉆頭攻擊性。

二、礫石層提速技術(shù)研究

針對對礫石層沖擊性大、非均質(zhì)性強(qiáng)的提速技術(shù)挑戰(zhàn)，國內(nèi)外各公司通過創(chuàng)新切削齒結(jié)構(gòu)、優(yōu)化復(fù)合片性能、個(gè)性化設(shè)計(jì)鉆頭等方式，不斷提高破巖效率。其中斯倫貝謝、史密斯公司的錐型齒混裝鉆頭、哈里伯頓公司研發(fā)的MegaForce鉆頭以及中石油休斯敦技術(shù)研究中心的Tridon非平面齒鉆頭等均在礫石層鉆進(jìn)中取得了很好的提速效果[4-6]。

多年以來塔里木油田通過大量研究和實(shí)踐來加快礫石層鉆井提速。博孜區(qū)塊部署的一口預(yù)探井采用牙輪鉆頭鉆進(jìn)，因機(jī)械鉆速低，耗時(shí)397 d才鉆透礫石層；隨后部署上鉆的2口井采用連續(xù)循環(huán)空氣鉆井技術(shù)，機(jī)械鉆速雖然得以提高，但空氣鉆制約條件多、運(yùn)行設(shè)備昂貴，而且大大增加了井壁坍塌的風(fēng)險(xiǎn)[7-10]；之后引入孕鑲+高速渦輪提速技術(shù)[11]，平均機(jī)械鉆速比牙輪鉆頭提高一倍，但由于上部地層傾角大，而常用的渦輪鉆具組合是增斜鉆具組合，從而導(dǎo)致頻繁的定向糾斜和MWD故障率提高，而且租賃費(fèi)用相對較高，導(dǎo)致鉆井成本大大增加。

圖1 新型多棱齒破巖示意圖

1. 新型PDC鉆頭設(shè)計(jì)

針對礫石層的巖性特征和可鉆性分析，有效提高切削齒抗沖擊能力以及鉆頭抗渦動(dòng)能力是鉆頭設(shè)計(jì)和優(yōu)選的關(guān)鍵。基于非平面齒優(yōu)越的抗沖擊性能和在礫石層中的強(qiáng)適應(yīng)性，創(chuàng)新研發(fā)了一種新型PDC多棱齒(見圖1)，其頂部金剛石層被均分為三條凸脊間隔的三個(gè)斜面，且其中一條凸脊棱置于切削刃位置，該新型齒不僅改變了切削齒與地層的力作用形式，而且將傳統(tǒng)的剪切破巖與擠壓破巖相結(jié)合，形成復(fù)合破巖機(jī)理，增強(qiáng)了切削齒的抗沖擊能力和破巖效率。室內(nèi)測試數(shù)據(jù)表明，新型多棱齒的抗沖擊性能較常規(guī)平面齒提高了5倍以上。

針對礫石層精細(xì)分層巖性特點(diǎn)和可鉆性分析，未成巖段地層膠結(jié)程度極差，鉆頭處于失穩(wěn)狀態(tài)，因此優(yōu)選ST716X多棱齒鉆頭(圖2)。其采用多棱齒與錐型齒混裝布齒[12-13]，7刀翼，雙排齒，16 mm復(fù)合片，多棱齒用以提高鉆頭抗沖擊性能，刀翼肩部外側(cè)布置錐形齒，保護(hù)肩部免受渦動(dòng)損傷，提高鉆頭的抗渦動(dòng)能力和穩(wěn)定性；準(zhǔn)成巖段和成巖段地層壓實(shí)程度增加，鉆頭切削深度降低而導(dǎo)致鉆速降低，因此優(yōu)選MT616X多棱齒鉆頭(圖2)。其采用6刀翼，雙排齒，16 mm復(fù)合片，確保鉆頭抗沖擊性能的同時(shí)，通過提高鉆頭布齒密度并優(yōu)化鉆頭輪廓，從而增加有效切深，提高鉆頭攻擊性從而加速破巖。

圖2 精細(xì)分層新型多棱齒鉆頭設(shè)計(jì)

2. 配套提速工具優(yōu)選

目前針對難鉆礫石層提速技術(shù)主要有旋沖鉆井技術(shù)[14-15]、扭沖鉆井技術(shù)[16]、三維振動(dòng)沖擊技術(shù)[17]以及渦輪鉆具復(fù)合鉆井技術(shù)等。由于各提速技術(shù)的工作機(jī)理和適用性不同，基于礫石層的巖性特征和鉆進(jìn)難點(diǎn)，提速應(yīng)以降低渦動(dòng)和增加穩(wěn)定性為首要目標(biāo)。雙擺提速技術(shù)[18]采用陀螺的進(jìn)動(dòng)性原理和自穩(wěn)性特點(diǎn)，主動(dòng)抑制因鉆頭切削巖石而產(chǎn)生的橫向、縱向振動(dòng)，主動(dòng)減振從而最大限度的抑制振動(dòng)，既能保證鉆頭工作平穩(wěn)，減少無效鉆進(jìn)時(shí)間，又能減少鉆具渦動(dòng)和振動(dòng)，以達(dá)到保護(hù)鉆具的目的，從而提高破巖時(shí)效和鉆井效率。

3. 鉆井參數(shù)優(yōu)化

基于礫石層的巖性特性和鉆進(jìn)特點(diǎn)，鉆井參數(shù)優(yōu)化應(yīng)充分考慮:①施加足夠鉆壓以獲得有效切深，避免鉆頭渦動(dòng)；②轉(zhuǎn)速應(yīng)遠(yuǎn)離鉆具組合諧振頻率，降低鉆柱發(fā)生疲勞損壞的概率，但轉(zhuǎn)速過大將導(dǎo)致切削齒以較高線速度沖擊礫石而導(dǎo)致沖擊損傷；③足夠泵壓和排量，以提高鉆頭水力清潔能力，保證井眼清潔的要求。

由于鉆頭切削礫石形成的巖屑較大，在鉆井液中滑移速度快，上返更困難，沉降至井底會(huì)造成重復(fù)研磨，不僅會(huì)增加切削齒的負(fù)擔(dān)，而且由于二次擠壓研磨而引起的軸向沖擊載荷，更加速了切削齒的磨損。因此，提高鉆頭水力功率避免巖屑二次切削，是保護(hù)鉆頭和延長鉆頭壽命的有效方式。對于礫石層井段，鉆頭水力功率設(shè)計(jì)應(yīng)確保在0.35 kW/cm2以上。

三、現(xiàn)場試驗(yàn)和效果分析

基于礫石層精細(xì)分層可鉆性分析，通過個(gè)性化新型PDC鉆頭設(shè)計(jì)、配套提速工具優(yōu)選和鉆井參數(shù)優(yōu)化，形成大段礫石層鉆井提速技術(shù)方案。詳細(xì)鉆頭 、鉆具組合和作業(yè)參數(shù)推薦方案如表2所示。

表2 精細(xì)分層鉆頭、鉆具及鉆井參數(shù)推薦方案

圖3 ?444.5 mm MT616X鉆頭起鉆后照片表3 本技術(shù)方案提速效果與同井段同層位鄰井對標(biāo)

井位鉆頭類型鉆進(jìn)井段/m進(jìn)尺/m鉆速/(m·h-1)對標(biāo)井AK7052550～27241741.16對標(biāo)井ASJT537GK2253～24071541.09對標(biāo)井AT442800～2895950.93對標(biāo)井AGsi182724～2800760.63對標(biāo)井BSJT517GK1851～20782271.69對標(biāo)井BVM-28GDXO2078～22111331.35對標(biāo)井BT442211～2359.5148.51.17對標(biāo)井BSJT537GK2801～29301290.83試驗(yàn)井MT616X2613～29463332.04

某試驗(yàn)井是塔里木油田庫車山前的一口預(yù)探井，設(shè)計(jì)井深8 090 m，上部大段礫石層預(yù)測厚度約6 100 m，常規(guī)鉆頭鉆進(jìn)時(shí)由于切削齒沖擊損傷嚴(yán)重而導(dǎo)致鉆速低、進(jìn)尺少，通過鉆頭個(gè)性化設(shè)計(jì)，配套雙擺提速工具，并優(yōu)化鉆井作業(yè)參數(shù)，達(dá)到了良好的提速效果。通過實(shí)鉆參數(shù)分析，整只鉆頭在鉆進(jìn)過程中的扭矩波動(dòng)均控制較好，從機(jī)械比能值波動(dòng)來看，幾乎未發(fā)生井下無效的能量耗散，從而使得機(jī)械鉆速一直保持較高水平，直至出井。起鉆后鉆頭肩部少量切削齒呈現(xiàn)沖擊破損(見圖3)，磨損定級(jí)為1-3-BT-S-X-X-X-CT-TD，充分驗(yàn)證了該鉆頭良好的抗沖擊性能以及技術(shù)方案的可行性。

采用本提速技術(shù)方案現(xiàn)場試驗(yàn)，試驗(yàn)井段2 613～2 946 m，主要巖性為雜色細(xì)礫巖和雜色小礫巖，最終實(shí)現(xiàn)了單只鉆頭進(jìn)尺333 m，平均機(jī)械鉆速2.04 m/h。相較于鄰井A同井段同層位鉆頭平均進(jìn)尺提高175%，平均機(jī)械鉆速提高110%；相較于鄰井B同井段同層位鉆頭平均進(jìn)尺提高142%，平均機(jī)械鉆速提高88%(見表3)。

四、結(jié)論

(1)針對山前巨厚礫石層提速需求，基于精細(xì)分層描述和地層可鉆性分析，明確了在未成巖段和準(zhǔn)成巖段以碳酸鈣含量為第一可鉆性刻畫指標(biāo)，以地層沖擊性為第二刻畫指標(biāo)，而在成巖段及以下深度則應(yīng)綜合考慮地層沖擊性和研磨性，從而明確了各精細(xì)層段的提速瓶頸和相應(yīng)的鉆頭設(shè)計(jì)和提速工具優(yōu)選方向。

(2)采用創(chuàng)新研發(fā)的多棱齒布齒的個(gè)性化PDC鉆頭，并配套抗渦動(dòng)性能顯著的雙擺提速工具，結(jié)合機(jī)械比能分析優(yōu)化鉆井參數(shù)，從而形成了精細(xì)分層鉆井提速方案，為礫石層高效鉆進(jìn)提供了技術(shù)參考。在博孜某預(yù)探井礫石層完成現(xiàn)場試驗(yàn)，單只鉆頭進(jìn)尺提高150%，機(jī)械鉆速提高1倍，達(dá)到了良好的提速效果。

(3)礫石層整體機(jī)械鉆速仍偏低，尤其是博孜地區(qū)的巨厚礫石層，提升空間很大，建議進(jìn)一步系統(tǒng)化開展精細(xì)分層提速試驗(yàn)，以及礫巖巖石力學(xué)和鉆頭多重力學(xué)平衡方面的研究工作，進(jìn)一步提高破巖效率，助力庫車山前勘探開發(fā)和產(chǎn)能建設(shè)。