塔里木油田深層寒武系白云巖鉆井提速技術研究與應用

何仁清，徐代才，依力哈木江·塔依爾，王壇，吳佳杭

中國石油塔里木油田分公司 安全環保與工程監督中心（新疆 庫爾勒 841000）

鹽下碳酸鹽巖、白云巖是全球范圍內油氣勘探的重要領域。塔里木盆地寒武系鹽下油氣藏勘探程度低[1]，作為塔里木油田重點勘探目標，寒武系鹽下油氣藏普遍埋深超6 000 m，其中下奧陶系統、上寒武系發育大套白云巖，壓實程度高，部分層段發育燧石結核和硅質，可鉆性極差，單只進尺低。輪探1井獲勘探突破之前，寒武系鹽下油氣藏井鉆井周期普遍超300 d，奧陶系、寒武系白云巖層段單只常規鉆頭平均進尺僅105 m，機械鉆速不足1.5 m/h。以CT1 井為例，該井5 877 ～7 103 m 段白云巖地層平均單只鉆頭進尺87.6 m，機械鉆速1.03 m/h，僅白云巖地層鉆井周期長達110 d，嚴重制約寒武系鹽下油氣藏的勘探進程。

1 白云巖地層鉆井提速難點

1.1 常規鉆頭進尺低，鉆頭及提速工具選型困難

寒武系白云巖已鉆井中，YL6、CT1 等井采用的攻擊性PDC 鉆頭和IADC537、617 系列牙輪鉆頭崩齒嚴重；ZS5、YL6 等井采用的高布齒密度PDC 鉆頭機械鉆速低，肩部磨損嚴重；IADC737系列牙輪單只進尺無明顯提高，且機械鉆速低。

5 刀翼16 mm 齒PDC 鉆頭因布齒密度低，單齒載荷大，攻擊性強，機械鉆速達2.1 m/h，但內外錐部分崩齒嚴重。如圖1（a）所示：內錐崩齒后成環形槽，肩部崩齒，鉆頭縮徑，單只鉆頭進尺僅69 m。為提高鉆頭壽命，ZS5井采用6刀翼13 mm或16 mm齒PDC鉆頭，鼻肩部采用雙排或三排設計，如圖1（b）、（c）所示：布齒密度增加，鉆頭磨損改善，單只進尺提高，三排齒PDC鉆頭進尺達到130 m，但平均機械鉆速僅1.1 m/h，肩部仍見崩齒。

圖1 PDC鉆頭磨損情況

因PDC 鉆頭磨損嚴重，ZS5、YL6 等井采用了各類型的牙輪鉆頭。如圖2 所示，IADC537 系列牙輪鉆頭的楔形齒出露高、攻擊性較強，但內外錐崩齒嚴重，采用球型齒的IADC737系列鉆頭崩齒有所改善，但機械鉆速不足1 m/h，受限于軸承壽命，單只進尺無明顯提高。

圖2 牙輪鉆頭磨損情況

為探索白云巖地層新型破巖方式，ZS5 井在下奧陶系統試驗使用旋沖鉆具提速，進尺僅4 m，因機械鉆速低起鉆，配套鉆頭的內外錐部分多個切削齒崩落，如圖3 所示。此外，由于深井超深井泵壓限制、井漏風險等原因，渦輪等提速工具使用受限。

圖3 旋沖配套鉆頭磨損情況

1.2 扭矩波動大，穩定切削困難

白云巖可鉆性差，鉆頭布齒密度增加或切削齒磨損均會導致切削齒吃入困難，此外因深井鉆柱能量傳遞不足，切削齒吃入后剪切破巖困難，以上均會導致鉆進時扭矩波動，頻繁憋停，起出鉆頭肩部外側崩齒嚴重。

因井底鉆頭工作狀態難以獲取，采用地面黏滑指數[2]反應鉆頭在井底的扭矩波動情況。以CT1 井寒武系白云巖段鉆井參數為例，如圖4 所示，井段5 980～6 420 m、5 180～5 340 m黏滑指數較其余井段明顯升高，單只鉆頭進尺明顯低于同層段其他鉆頭，且機械鉆速低，起出鉆頭肩部外側磨損嚴重。鉆井參數（高鉆壓低轉速）、鉆頭磨損情況及黏滑指數均表明鉆頭在井底工作狀態不平穩。

圖4 鉆井參數分析

2 深層寒武系白云巖鉆井提速研究

為解決深層奧陶系、寒武系白云巖鉆井提速難題，塔里木油田開展了基于巖石力學研究、鉆頭磨損分析的白云巖鉆井提速攻關，形成了以“預破碎+穩定切削”為核心的深層寒武系白云巖鉆頭和提速工具優選方法。

2.1 巖石力學分析

塔里木盆地寒武系-中下奧陶統是一套以碳酸鹽巖為主體的海相沉積層系，上寒武系下丘里塔格組和下奧陶系統蓬萊壩組發育埋藏類白云巖[3]，即灰巖被成巖物質交代，發生白云石化，形成具有不同級次結晶結構的白云巖，如圖5（a）所示，鏡下觀察白云石的結晶度高、有序度好、巖性純。

因為沉積環境中成熟有機質、熱液活動等原因，奧陶系-寒武系碳酸鹽巖硅化作用發育，具體表現為與圍巖呈突變接觸的燧石結核，如圖5（b）所示；以及沿裂縫、孔洞發育的隱晶質硅質和自生石英，如圖5（c）所示。XRD 分析證明，燧石結核成分仍以石英為主，見表1。

圖5 硅質白云巖、燧石結核白云巖和白云巖

表1 燧石結核XRD分析（質量分數） /%

由于構造縫、成巖縫、溶蝕縫等原因，白云石除具有高結晶度特征外，還具有縱橫向不均質性。刻劃實驗顯示，由于縫隙充填物不同，巖樣刻劃強度范圍105～280 MPa，巖心表面刻劃強度波動幅度大，均值約為214 MPa。白云巖在埋藏條件下，比灰巖更脆，易產生破裂作用，這也是白云巖儲集層特征之一。三軸巖石力學實驗揭示了白云巖的脆性特征，如圖6所示，含燧石結核白云巖抗壓強度最高超過200 MPa，應力應變曲線呈明顯的階梯狀，應力應變曲線及巖石破碎狀態均表現出脆性特征。

圖6 三軸巖石力學實驗

2.2 鉆頭優選

根據鉆頭磨損特征和巖石力學實驗，奧陶-寒武系地層鉆頭磨損特表現為崩齒，其主要原因是（白云巖、燧石結核、硅質的）高抗壓強度、（裂縫充填物不同造成的）地層不均質性、（黏滑引起的）井下振動等導致的沖擊損傷；硅質白云巖、燧石結核研磨性強，但其對切削齒的研磨性損傷后發于沖擊損傷。

因地層的高抗沖擊性特征，傳統PDC鉆頭以降低布齒密度、減小切削齒后傾角等方式只能單方面解決鉆頭攻擊性問題，無法保證單只鉆頭進尺。在牙輪鉆頭和常規PDC鉆頭應用受限的情況下，要提高白云巖地層的機械鉆速，一是優選白云巖新型破巖方式，二是解決穩定切削難題。而提高單只鉆頭進尺，關鍵是優選高抗沖擊切削齒,提高鉆頭抗沖擊性，解決思路如圖7所示。

圖7 提高機械鉆速解決思路

2.2.1 切削齒優選

對于傳統平面PDC 齒，研究結果表明，可通過調整后傾角、控制切削深度、提高布齒密度、降低切削速度即轉盤轉速等方式減輕對切削齒的沖擊，但上述方式常以犧牲鉆頭攻擊性為代價，不能從根本上解決非均質地層引起高沖擊性難題。ZS5井采用的三排齒PDC 鉆頭，通過增加布齒密度、調整后傾角，抗沖擊性有所提高，但肩部外側因井下振動崩齒嚴重，且機械鉆速低。

近幾年興起的非平面PDC 齒為抗沖擊性切削齒優選提供了新的思路[4-6]。非平面齒以多平面分散不均質地層沖擊力，避免切削齒正面受力：斧型齒、三棱齒等非平面齒鉆遇燧石或硅質時，如圖8所示。非均質地層不再直接沖擊金剛石復合片平面，燧石或硅質與凸脊產生線接觸，產生的沖擊力由多個平面分擔，切削齒抗沖擊力增強，同時凸脊以線接觸即應力集中方式擠壓地層，破巖效率提高。三棱齒使用已在塔里木油田庫車山前的礫石層取得良好的提速進尺效果。

史密斯發明的錐形齒、斧型齒同樣具有多平面分散抗沖擊力的特性，如圖8（b）、（c）所示，兩者的金剛石層厚度分別是常規PDC 平面齒的2 倍、1.7倍，加之通過優化金剛石粒度分布等方式，錐形齒、斧型齒抗沖擊性相應增強，同時兩者均以應力集中方式接觸地層，吃入性高于常規平面齒。

圖8 非平面齒

綜上，白云巖地層PDC切削齒選擇應以非平面齒為主，通過多平面設計、增加金剛石層厚度、優化金剛石粒度等方式解決切削齒抗沖擊性難題。

2.2.2 白云巖破巖方式及鉆頭優選

牙輪進尺受活動部件限制且機速低，不能滿足深井超深井鉆井需要；而白云巖埋藏深、抗壓強度高特點，傳統PDC 鉆頭剪切破巖效率低、不耐沖擊。優選白云巖地層破巖新方式，滿足提高進尺和機速需要，基礎是利用白云巖的巖性特征，關鍵在于發揮各切削結構優勢。

基于對白云巖脆性特征的認識，塔里木油田早在2013年開展了旋沖鉆井實驗，探尋通過體積破巖的方式提高白云巖地層的機械鉆速。因白云巖地層高抗壓強度以及PDC 鉆頭抗沖擊性不足的天然劣勢，利用PDC鉆頭的沖擊鉆井被證明不適用于白云巖地層。

在沖擊鉆井未取得效果的情況下，塔里木油田繼續探索了利用白云巖脆性特征以及復合鉆頭“碾壓沖擊+剪切”破巖方式的現場試驗：復合鉆頭牙輪結構沖擊碾壓井底巖石產生破碎坑，破碎坑周圍巖石產生裂紋，預先形成的破碎坑和裂紋降低了巖石強度，提高了PDC 切削齒剪切效率[7-9]。此外，牙輪切削結構可承受較大的沖擊載荷，避免PDC齒因受沖擊而提前失效。2017年，ZH1井在白云巖地層試驗了3只復合鉆頭，平均機械鉆速1.9 m/h，進尺222 m，進尺和機械鉆速提高明顯，證明了“預破碎”破巖方式在白云巖類脆性硬地層提速的可行性。

因復合鉆頭現場應用仍受活動部件限制，塔里木油田進一步探索了利用PDC 鉆頭實現“預破碎”的提速現場試驗。尖圓混合齒（尖錐齒與三棱齒、斧型齒、常規平面齒等混合）PDC鉆頭通過合理設計切削結構，以尖錐齒實現預破碎功能，通過設計尖錐齒、圓齒同軌切削，尖錐齒先吃入地層。如圖9所示，白云巖在尖錐齒點接觸下形成裂紋，地層強度降低，跟隨切削的圓齒剪切破巖難度相應降低。此外，因沖擊性顯著優于平面齒，尖錐齒布置于肩部外側，可減輕鉆頭渦動損傷，提高鉆頭穩定性，延長鉆頭使用壽命。

2.3 提速工具優選

根據寒武系白云巖鉆頭磨損特征及工作狀態，該層段提速工具應以提供切削動力、穩定鉆頭工作狀態為主要功能，以達到提高PDC 鉆頭剪切效率、降低鉆頭振動損傷的目的。

螺桿鉆具將水馬力轉化為扭矩、轉速輸出，驅動鉆頭實現持續穩定切削。考慮寒武系白云巖地層中硅質、燧石等研磨性強，該層段螺桿選擇應以大扭矩、相對低轉速的螺桿為宜，防止鉆頭因轉速過高而發生早期磨損。

扭力沖擊器[10]將水力能量轉換為高頻周向沖擊，在提供主動切削力的同時，避免鉆進過程中黏滑，有利于鉆頭均勻切削，保護鉆頭，可用于寒武系白云巖地層提速。

3 現場試驗效果

根據上述鉆頭和提速工具優選原則，寒武系鹽下油氣藏井ZH1、HT2、輪探1、ZH2等井探索了復合鉆頭、非平面齒鉆頭、尖圓混合齒鉆頭與螺桿、扭力沖擊器等提速工具的配套應用，現場試驗進尺、機速明顯提高，深層寒武系白云巖單只鉆頭進尺提高83%，機械鉆速提高34%，見表2。

表2 寒武系白云巖鉆頭和提速工具應用對比（12?4"井眼）

4 認識與建議

基于寒武系白云巖巖性特征、鉆頭磨損特征以及振動特征研究，提出了該類巖性鉆頭和提速工具的優選原則，現場試驗提速效果明顯，單只鉆頭進尺大幅提高。

1）發揮巖性特征和各切削結構破巖優勢，是寒武系白云巖鉆井提速取得突破的關鍵。寒武系白云巖脆性特征明顯，選擇具有擠壓預破碎功能的復合鉆頭、尖圓混合齒鉆頭，可提高切削齒剪切破巖效率。

2）深井超深井鉆具振動加劇鉆頭沖擊損壞，鉆頭設計及提速工具選擇應兼顧考慮鉆頭工作穩定性，即在抗沖擊性設計的同時，以鉆頭的平衡性設計、提速工具選擇等方式穩定井底鉆頭工作狀態，延長鉆頭使用壽命。