陳養(yǎng)龍，席寶濱，晁文學(xué) ，朱偉厚

（1.中國(guó)石化中原石油工程有限公司塔里木分公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000；2.中國(guó)石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南 濮陽(yáng) 457001；3.中國(guó)石化中原油田分公司工程技術(shù)管理部，河南 濮陽(yáng) 457001）

0 引言

順北油氣田位于塔里木盆地順托果勒隆起構(gòu)造帶，包含順托果勒北、順托果勒、順托果勒西與阿瓦提東4個(gè)區(qū)塊，面積19 979 km2，共探明13條主干斷裂帶，資源量 17×108t，展現(xiàn)了大型油氣田的勘探前景［1-2］。

繼2015年X-1H井在奧陶系一間房組測(cè)試獲高產(chǎn)工業(yè)油氣流后，順托果勒北區(qū)塊（簡(jiǎn)稱順北區(qū)塊）I號(hào)斷裂帶已完鉆10余口井，但由于目的層一間房組、鷹山組埋深超過(guò)7 400 m，工程地質(zhì)特征復(fù)雜，鉆頭選型及提速技術(shù)與地層匹配性差等問(wèn)題［3-8］，已完鉆井的平均機(jī)械鉆速只有5.40 m/h，平均鉆井周期178.50 d，超設(shè)計(jì)周期6.68%。已完鉆井大都采用成熟的普通螺桿與常規(guī)PDC鉆頭結(jié)合的方式進(jìn)行鉆進(jìn)，沒(méi)有深入分析該區(qū)塊不同地層之間的差異性，提速技術(shù)與地層匹配性差，針對(duì)性弱，嚴(yán)重影響了該區(qū)塊的勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程。因此，為了實(shí)現(xiàn)區(qū)塊的高效勘探開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)鉆井提速提效，開(kāi)展了適用于順北區(qū)塊I號(hào)斷裂帶的鉆井分層提速技術(shù)研究。

1 鉆井提速難點(diǎn)

1.1 工程地質(zhì)特征復(fù)雜

順北區(qū)塊I號(hào)斷裂帶縱向發(fā)育新生界第四系—古生界奧陶系全套地層，地層跨度廣，巖性種類多。其中：第四系、新近系、古近系、三疊系以砂泥巖為主，地層疏松，可鉆性較好，但由于井眼尺寸大，水力能量利用率低，已完鉆井的平均機(jī)械鉆速只有20.00 m/h，較25.00 m/h的油田目標(biāo)尚有較大差距；二疊系為提速關(guān)鍵層位，系頂平均埋深4 478 m，厚度480 m，火成巖地層，英安巖體積分?jǐn)?shù)為16%，凝灰?guī)r體積分?jǐn)?shù)為64%，抗壓強(qiáng)度、可鉆性級(jí)值高（見(jiàn)圖1）；石炭系、泥盆系、志留系，砂泥巖互層，壓實(shí)程度高，抗壓強(qiáng)度、可鉆性級(jí)值變化大；奧陶系桑塔木組為存在火成巖侵入體的泥巖，坍塌應(yīng)力大，輝綠巖密度大（3.02 g/cm3）、硬度高（7級(jí)以上），研磨性超強(qiáng)。

圖1 二疊系抗壓強(qiáng)度及可鉆性級(jí)值

1.2 鉆頭與地層匹配性差

正確的鉆頭選型是提高機(jī)械鉆速、縮短鉆井周期的重要保證。關(guān)鍵層位二疊系，由于含火成巖的特殊性，使用常規(guī)PDC鉆頭磨損快，進(jìn)尺短，單只鉆頭無(wú)法鉆穿該層；使用牙輪鉆頭機(jī)械鉆速低，如X-1H井鉆穿該層共使用7趟鉆，平均機(jī)械鉆速只有1.86 m/h。石炭系、泥盆系、志留系，常規(guī)鉆頭吃入難度大，扭矩輸出低，PDC鉆頭的剪切效率低，平均機(jī)械鉆速只有3.40 m/h。奧陶系由于輝綠巖的存在，所用常規(guī)鉆頭抗研磨能力弱，平均機(jī)械鉆速為2.03 m/h，最低機(jī)械鉆速只有1.31 m/h。

1.3 提速工具適應(yīng)性弱

二疊系以淺地層井眼尺寸大，相應(yīng)環(huán)空面積大，需要較大排量才能滿足攜巖要求，循環(huán)壓耗高；常規(guī)螺桿由于定子橡膠線型的影響，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，輸出效率及扭矩低，導(dǎo)致水力能量利用率只有30%左右。

二疊系火成巖地層存在微裂縫，鉆進(jìn)期間易漏失，常采用竹纖維進(jìn)行隨鉆封堵，而沖擊類提速工具由于水眼較小容易堵塞，不宜使用；同時(shí)，二疊系鉆進(jìn)過(guò)程中，排量一般在35 L/s左右，較小的排量使得現(xiàn)有沖擊類提速工具也無(wú)法進(jìn)行有效工作。

二疊系以深、目的層以淺地層，沖擊類提速工具的使用效果與螺桿+PDC鉆頭常規(guī)手段相當(dāng)，無(wú)明顯提速效果。如X-2H井和X-3井使用螺桿+PDC鉆頭，機(jī)械鉆速可達(dá)到3.38，3.09 m/h；而使用扭力沖擊器，機(jī)械鉆速分別為3.62，3.09 m/h，機(jī)械鉆速相差不大，但風(fēng)險(xiǎn)高，性價(jià)比低。

2 分層提速技術(shù)

針對(duì)順北區(qū)塊I號(hào)斷裂帶的鉆井提速難點(diǎn)，結(jié)合鉆頭和提速工具研發(fā)新進(jìn)展，分地層提出了3項(xiàng)技術(shù)：二疊系以淺地層開(kāi)展大扭矩快速鉆進(jìn)技術(shù)，二疊系開(kāi)展“破碎+釋放+剪切”鉆頭選型技術(shù)，二疊系以深、目的層以淺地層開(kāi)展減振穩(wěn)扭技術(shù)，并完成了提速關(guān)鍵技術(shù)措施的制定。

2.1 大扭矩快速鉆進(jìn)技術(shù)

針對(duì)二疊系以淺地層，綜合考慮適用性、經(jīng)濟(jì)性及可行性，從提高螺桿水力能量利用率入手，對(duì)比了不同結(jié)構(gòu)螺桿相同條件下的輸出扭矩情況。

在常規(guī)螺桿輸出扭矩只有7 000～8 000 N·m情況下，等壁厚螺桿輸出扭矩高達(dá) 13 600 N·m，提高70%左右。同時(shí)，等壁厚螺桿最大應(yīng)力降低30%左右，相應(yīng)效率提高8%以上。因此，提出等壁厚大扭矩螺桿+5刀翼φ19 mm齒高效PDC鉆頭的大扭矩快速鉆進(jìn)技術(shù)，預(yù)期機(jī)械鉆速可達(dá)25.00 m/h以上。

2.2 “破碎+釋放+剪切”鉆頭選型技術(shù)

二疊系巖石強(qiáng)度大、硬度高，一定鉆壓下，鉆頭與井底接觸面積大，單位面積上的鉆壓小，導(dǎo)致常規(guī)PDC鉆頭難以吃入，無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效剪切破巖，能量利用率低。因此，以提高破巖能量利用率為切入點(diǎn)，提出“破碎+釋放+剪切”鉆頭選型技術(shù)，如圖2所示。

圖2 “破碎+釋放+剪切”技術(shù)示意

首先，減小鉆頭與地層接觸面積，變相增加接觸鉆壓，提高鉆頭吃入能力。針對(duì)高硬度地層，采用沖擊方式實(shí)現(xiàn)鉆頭吃入；針對(duì)強(qiáng)塑性地層，采用犁削方式實(shí)現(xiàn)鉆頭吃入。配合轉(zhuǎn)盤和螺桿動(dòng)力鉆具，最終完成井底巖石預(yù)破碎（見(jiàn)圖2a）。

其次，釋放井底巖石水平應(yīng)力，降低剪切強(qiáng)度。預(yù)破碎后，井底巖石水平應(yīng)力得到釋放，根據(jù)庫(kù)侖定律（見(jiàn)式（1）、式（2）），應(yīng)力釋放后剪切面上的法向總應(yīng)力只受井底壓差（△p）的影響，總應(yīng)力值較應(yīng)力釋放前小得多，從而導(dǎo)致剪切面上的極限剪切強(qiáng)度較應(yīng)力釋放前大幅度降低，最終表現(xiàn)為預(yù)破碎后井底巖石剪切強(qiáng)度低，易于剪切（見(jiàn)圖2b）。

式中：τf為剪切面上的極限剪切強(qiáng)度，MPa；c為井底巖石黏聚力，MPa；σ為剪切面上的法向總應(yīng)力，MPa；φ為井底巖石內(nèi)摩擦角，（°）；σ1，σ3分別為最大、 最小主應(yīng)力，MPa。

最后，高效限位剪切。剪切強(qiáng)度降低后，PDC鉆頭實(shí)現(xiàn)有效剪切，提高破巖能量利用率；同時(shí)，配合適當(dāng)限位技術(shù)，可有效防止鉆頭剪切過(guò)深帶來(lái)的鉆頭破壞，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)械鉆速的提高以及鉆頭進(jìn)尺的增加（見(jiàn)圖2c）。

“破碎+釋放+剪切”技術(shù)在二疊系具體表現(xiàn)為螺桿+混合鉆頭?；旌香@頭滾動(dòng)牙輪對(duì)井底巖石進(jìn)行沖擊破碎，實(shí)現(xiàn)預(yù)破碎，釋放井底巖石應(yīng)力，并起到一定限位功能；然后，混合鉆頭固定PDC刀翼完成高效剪切破巖。

當(dāng)混合鉆頭無(wú)法鉆穿二疊系時(shí)，考慮二疊系下部為凝灰?guī)r及泥巖，推薦第2趟鉆采用螺桿+尖圓齒PDC鉆頭。尖形PDC齒對(duì)井底巖石進(jìn)行犁削破碎，實(shí)現(xiàn)預(yù)破碎并釋放井底巖石應(yīng)力；然后，圓形PDC齒完成高效剪切破巖。通過(guò)“破碎+釋放+剪切”技術(shù)的使用，預(yù)期可實(shí)現(xiàn)1～2趟鉆鉆穿二疊系。

2.3 減振穩(wěn)扭技術(shù)

二疊系以深、目的層以淺地層，強(qiáng)度較大且變化劇烈，容易引起鉆頭黏滑振動(dòng)和橫向振動(dòng)，造成破巖能量損耗及鉆頭使用壽命縮短。因此，從減輕惡性振動(dòng)提高能量利用率出發(fā)，以穩(wěn)定鉆頭剪切地層為目的，提出適應(yīng)該層段的減振穩(wěn)扭技術(shù)。

針對(duì)石炭系、泥盆系、志留系及奧陶系（桑塔木組除外）軟硬交錯(cuò)地層，控制PDC齒吃入深度，防止吃入過(guò)深引起鉆頭黏滑振動(dòng)，同時(shí)控制PDC鉆頭橫向振動(dòng)，防止劇烈橫向振動(dòng)下鉆頭撞擊井壁造成鉆頭損壞，實(shí)現(xiàn)鉆頭穩(wěn)定剪切（見(jiàn)圖2c）。針對(duì)含有輝綠巖侵入體的桑塔木組，由于輸出扭矩不足，無(wú)法連續(xù)有效地克服巖石強(qiáng)度完成破巖，可采用鉆頭周向高頻沖擊對(duì)PDC鉆頭破巖所需剪切力進(jìn)行有效微分，實(shí)現(xiàn)PDC鉆頭平穩(wěn)扭矩下對(duì)輝綠巖的穩(wěn)定剪切。

減振穩(wěn)扭技術(shù)在二疊系以深、目的層以淺地層具體表現(xiàn)為螺桿+球形限位齒PDC鉆頭、扭力沖擊器+PDC鉆頭。后排球形限位齒可以有效控制前排圓形齒吃入地層的深度，防黏滑振動(dòng)能力明顯；同時(shí)，球形限位齒可使鉆頭居中，具有一定減小橫向振動(dòng)的能力。扭力沖擊器通過(guò)將鉆井液水力能量轉(zhuǎn)化為周向高頻沖擊能量，有效完成對(duì)破巖剪切能量的微分，實(shí)現(xiàn)了鉆頭平穩(wěn)工作。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

分層提速技術(shù)在2017年部署的X-8H井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。較順北區(qū)塊I號(hào)斷裂帶前期完鉆井，各層段鉆井效率大幅提高，全井機(jī)械鉆速明顯提高，鉆井周期顯著縮短，創(chuàng)區(qū)塊同類井身結(jié)構(gòu)鉆井最快紀(jì)錄。

X-8H井位于沙雅縣境內(nèi)，處于塔里木盆地順托果勒低隆北緣，采用四級(jí)井身結(jié)構(gòu)：一開(kāi)φ444.5 mm鉆頭鉆至1 502 m，二開(kāi)φ311.2 mm鉆頭鉆至5 126 m，三開(kāi)φ215.9 mm鉆頭鉆至7 415 m，四開(kāi)φ149.2 mm鉆頭鉆至7 844 m。

3.1 各層段鉆井效率大幅提高

分層提速技術(shù)在X-8H井的應(yīng)用情況見(jiàn)表1。

表1 分層提速技術(shù)在X-8H井的應(yīng)用情況

應(yīng)用效果分析如下：

1）二疊系以淺地層，鉆遇第四系、新近系、古近系、三疊系，采用等壁厚螺桿+高效PDC鉆頭的大扭矩快速鉆進(jìn)技術(shù)。鉆進(jìn)井段50～4 540 m，進(jìn)尺4 490 m，純鉆時(shí)間167.0 h，平均機(jī)械鉆速26.89 m/h，較預(yù)期增加1.89 m/h，較該斷裂帶已完鉆井平均機(jī)械鉆速提高34.45%，提速效果明顯。

2）二疊系，采用混合鉆頭及尖圓齒PDC鉆頭的“破碎+釋放+剪切”技術(shù)。鉆進(jìn)井段 4 540～5 126 m，進(jìn)尺586 m，純鉆時(shí)間165.5 h，平均機(jī)械鉆速3.54 m/h，較該斷裂帶已完鉆井平均機(jī)械鉆速提高37.74%，實(shí)現(xiàn)2趟鉆無(wú)復(fù)雜事故，順利鉆穿二疊系，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

3）二疊系以深、目的層以淺地層，鉆遇石炭系、泥盆系、志留系、奧陶系，采用球形限位齒PDC鉆頭及扭力沖擊器的減振穩(wěn)扭技術(shù)。鉆進(jìn)井段5 126～7 415 m，進(jìn)尺2289m，純鉆時(shí)間431.0h，平均機(jī)械鉆速5.31m/h，較未使用該技術(shù)的X-7H井提高50.42%。

3.2 全井機(jī)械鉆速明顯提高

X-8H井全井機(jī)械鉆速高達(dá)8.83 m/h，較順北區(qū)塊I號(hào)斷裂帶已完鉆井平均機(jī)械鉆速提高63.52%，提速效果明顯。

X-8H井設(shè)計(jì)鉆井周期129.00 d，實(shí)際鉆井周期111.83 d，節(jié)約17.17 d，周期節(jié)約率13.31%，較順北區(qū)塊I號(hào)斷裂帶已完鉆井平均鉆井周期縮短37.35%，鉆井周期縮短明顯。

4 結(jié)論

1）順北區(qū)塊I號(hào)斷裂帶工程地質(zhì)特征復(fù)雜，特別是古生界地層壓實(shí)程度高，二疊系火成巖巨厚，奧陶系桑塔木組含有“高硬脆”的輝綠巖，導(dǎo)致鉆頭選型困難，輔助破巖提速工具適應(yīng)性弱，嚴(yán)重影響了順北區(qū)塊的勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程。

2）根據(jù)地層特征，以二疊系為界，形成了分層提速技術(shù)：大扭矩快速鉆進(jìn)技術(shù)、“破碎+釋放+剪切”鉆頭選型技術(shù)及減振穩(wěn)扭技術(shù)。該技術(shù)針對(duì)性強(qiáng)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果顯著。

3）針對(duì)其他斷裂帶，建議結(jié)合自身地質(zhì)特征，參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)，開(kāi)展分層提速關(guān)鍵技術(shù)研究，完成提速工具及工藝的引進(jìn)與改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)順北油氣田的高效開(kāi)發(fā)。