薛 亮，張偉國(guó)，肖 夏，王堂青，魏裕森

（中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司深水工程技術(shù)中心，廣東深圳 518067）

南海東部地區(qū)油氣勘探前景較為廣闊，具有形成大中型油氣田的地質(zhì)條件[1]，近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，南海東部海域古近系領(lǐng)域具有較大勘探潛力[2]。但從現(xiàn)場(chǎng)鉆井作業(yè)實(shí)際表明，恩平組、文昌組及以下古近系等深部地層存在巖石抗壓強(qiáng)度高、研磨性強(qiáng)、地層夾層多、可鉆性差等難題[3]，使用常規(guī)鉆具作業(yè)時(shí)，易出現(xiàn)黏滑、鉆頭齒過(guò)早崩壞的現(xiàn)象[4-5]，直接影響機(jī)械鉆速，導(dǎo)致鉆井效率低下。另外，在夾層段應(yīng)用常規(guī)PDC鉆頭鉆進(jìn)時(shí)易出現(xiàn)蹩跳，影響定向井軌跡，對(duì)今后幾年中國(guó)海油加強(qiáng)油氣勘探技術(shù)攻關(guān)[6]產(chǎn)生挑戰(zhàn)，因此探索合理的鉆井提速技術(shù)尤為必要。

1 南海東部古近系地層難點(diǎn)

南海東部海域X區(qū)塊埋深超過(guò)2 800 m及恩平組以下深部古近系地層的巖性性質(zhì)硬，巖石強(qiáng)度高。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)可鉆性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（圖1），該地層的巖石單軸抗壓強(qiáng)度（UCS）多在8 000～30 000 psi范圍，內(nèi)摩擦角（IAF）多在36°～45°范圍，可鉆性極差。

圖 1 南海東部某區(qū)塊古近系地層巖石抗壓強(qiáng)度（UCS）及內(nèi)摩擦角（IAF）舉例Fig. 1 Examples of rock compressive strength (UCS) and internal friction angle (IAF) of Paleogene formation in a block in the eastern South China Sea

常用的PDC鉆頭難以吃入，影響機(jī)械鉆速。圖2為南海東部某區(qū)塊鉆頭出井狀況，即使應(yīng)用“16 mm齒、6刀翼”研磨性更強(qiáng)的的PDC鉆頭，依然存在崩齒和PDC鉆頭齒碎裂、脫落的現(xiàn)象。

圖 2 南海東部某區(qū)塊鉆頭出井狀況Fig. 2 Outgoing status of drilling bit in a block in the eastern South China Sea

表1為南海東部海域該區(qū)塊古近系地層使用常規(guī)鉆頭的應(yīng)用統(tǒng)計(jì)。由表1可知，該地層當(dāng)前使用常規(guī)PDC或牙輪鉆頭鉆進(jìn)時(shí)多使用3趟鉆以上（最多高達(dá)6趟鉆）鉆至設(shè)計(jì)深度，且鉆頭磨損整體嚴(yán)重，機(jī)械鉆速ROP低，存在鉆頭進(jìn)尺少、磨損嚴(yán)重（磨損狀況參照鉆頭磨損評(píng)價(jià)[7]）、起下鉆頻率高、作業(yè)周期長(zhǎng)等問(wèn)題，影響鉆井鉆井速率和鉆井時(shí)效。

2 新型鉆井提速技術(shù)方案

針對(duì)南海東部海域該區(qū)塊恩平組及以下古近系難鉆地層巖性強(qiáng)度高、密度大，尤其是硬夾層研磨性較強(qiáng)、對(duì)鉆頭磨損及沖擊破壞大、可鉆性差的難題，本文從提高鉆頭的沖擊性和研磨性出發(fā)，優(yōu)選出一套復(fù)合沖擊器提速工具配合專(zhuān)用PDC鉆頭組合的新型鉆井提速技術(shù)方案。

2.1 復(fù)合沖擊器提速工具優(yōu)選

常規(guī)提速工具主要為鉆頭傳遞周向沖擊或軸向沖擊作用[6-10]，并且主要輸出扭矩和鉆壓以達(dá)到破碎巖層的目的[11]。新型鉆井提速技術(shù)應(yīng)用的復(fù)合沖擊器具有周向沖擊和軸向沖擊的雙重作用，其通過(guò)其內(nèi)部的能量發(fā)生裝置、頻率發(fā)生裝置將鉆井液的水力能量轉(zhuǎn)化為高頻、穩(wěn)定的機(jī)械脈沖能量，再經(jīng)過(guò)其內(nèi)部的能量分配裝置（圖3），按一定的比例同時(shí)輸出高頻的周向沖擊及軸向沖擊并傳遞到下部與之相連接的專(zhuān)用PDC鉆頭上，使鉆頭對(duì)地層形成復(fù)合沖擊效果?？蓪?duì)扭矩產(chǎn)生減緩作用，減輕或避免夾層段應(yīng)用常規(guī)PDC鉆頭鉆進(jìn)易出現(xiàn)蹩跳或黏滑現(xiàn)象，間接提高機(jī)械鉆速且保證定向井軌跡平滑。

表 1 南海東部某區(qū)塊古近系地層鉆頭使用現(xiàn)狀舉例Table 1 Examples of current status of drilling bits used in Paleogene strata in the eastern South China Sea

2.2 專(zhuān)用PDC鉆頭優(yōu)選

（1）冠部形狀及刀翼設(shè)計(jì)

PDC鉆頭需承受較高的地層沖擊載荷，專(zhuān)用PDC鉆頭的冠部應(yīng)設(shè)計(jì)得較常規(guī)PDC鉆頭更扁平，冠部剖面采用平頂或短拋物線(xiàn)設(shè)計(jì)[12]有利于弱化沖擊力。刀翼采用微螺旋設(shè)計(jì)，更有利于鉆頭穩(wěn)定性；刀翼數(shù)量采用6刀翼（圖4），使得鉆頭面切削齒覆蓋率適中，從而兼顧了鉆頭的攻擊力和抗沖擊、抗研磨能力。

圖 3 復(fù)合沖擊器提速工具工作原理Fig. 3 Working principle of speed-up tools for compound impactor

（2）切削齒選用及布齒設(shè)計(jì)

為兼顧鉆頭攻擊力及抗沖擊、抗研磨能力，并結(jié)合所鉆井具體巖性及井深情況，主切削齒大小選用16 mm或13 mm，齒形選用圓柱齒或斧形齒，且專(zhuān)用PDC鉆頭每刀翼肩部設(shè)置2～4顆新技術(shù)后排錐形齒輔助破巖，可提高鉆頭吃入深度及切削效率[13]。

圖 4 專(zhuān)用PDC鉆頭外觀Fig. 4 Appearance of special PDC bit

（3）保徑及力平衡設(shè)計(jì)

專(zhuān)用PDC鉆頭保徑長(zhǎng)1.5″～2″，短保徑設(shè)計(jì)，鉆頭導(dǎo)向性好，有利于配合定向工具實(shí)現(xiàn)軌跡控制[14]；鉆頭滿(mǎn)足力平衡設(shè)計(jì)要求，不平衡力小于3%，以確保整體具備較好的穩(wěn)定性。

4）其它優(yōu)化設(shè)計(jì)

如圖4（b），鉆頭采用側(cè)向切削齒及短保徑（保徑長(zhǎng)1.5″～2″）設(shè)計(jì)，提高鉆頭導(dǎo)向性，有利于配合定向工具控制軌跡；鉆頭面流道較常規(guī)鉆頭更為開(kāi)闊，更有利于提速后的返屑；力平衡設(shè)計(jì)要求及水利設(shè)計(jì)要求，確保鉆頭穩(wěn)定性好，水力性能優(yōu)。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 應(yīng)用概況

優(yōu)選出的“復(fù)合沖擊器提速工具+專(zhuān)用PDC鉆頭”新型鉆井提速技術(shù)在南海東部X區(qū)塊多口井恩平組及以下古近系難鉆地層的應(yīng)用效果良好，實(shí)鉆數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表 2 復(fù)合沖擊器在南海東部某區(qū)塊地層應(yīng)用舉例Table 2 Examples of application of composite impactor in a block in the eastern South China Sea

3.2 應(yīng)用效果

（1）與鄰井相同垂直深度的機(jī)械鉆速對(duì)比

A7井四開(kāi)φ215.9 mm井段第四趟鉆鉆具組合如下：φ215.9 mm專(zhuān)用PDC鉆頭&復(fù)合沖擊器+φ171.5 mm雙母接頭+φ203.2 mm鉆鋌+φ171.5 mm扶正器+X/O+φ171.5 mmF/V+φ165.1 mm鉆鋌×10 +φ165.1 mm震 擊 器+φ165.1 mm鉆 鋌×2 + X/O+φ139.7 mm加重鉆桿×12。優(yōu)選鉆井參數(shù)為：鉆壓3～12 t，排量1 800～2 500 L/min，頂驅(qū)轉(zhuǎn)速80～160 r/min。

鉆珠江組至文昌組地層，進(jìn)尺高達(dá)1 524 m，平均ROP達(dá)到25.25 m/h（表2）。鄰井A2井相同垂直深度使用了4只“常規(guī)PDC鉆頭+超級(jí)馬達(dá)或旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向”，平均ROP為7.52 m/h；另一鄰井A4井在相同垂直深度使用了3只“常規(guī)PDC鉆頭+馬達(dá)或旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向”，平均ROP為17.61 m/h（圖5）。對(duì)比鄰井相同垂直深度，使用新型提速技術(shù)的平均ROP分別提高235.8%和43.3%，并且對(duì)比鄰井A2、A4井分別節(jié)省3趟和2趟起下鉆時(shí)間，鉆井效率顯著提高。

（2）與鄰井相同層位的ROP對(duì)比

A7井恩平組、文昌組古近系地層使用“復(fù)合沖擊器+專(zhuān)用PDC鉆頭”新型提速技術(shù)平均ROP分別為25.49 m/h和16.77 m/h。鄰井A2井在使用常規(guī)PDC配合超級(jí)馬達(dá)或旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向，同層位平均ROP分別為14.32 m/h和3.81 m/h；鄰井A4井使用常規(guī)PDC配合馬達(dá)或旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向，同層位平均ROP分別為14.65 m/h和8.81 m/h。與鄰井A2、A4井相比，在恩平組A7井使用新型提速技術(shù)平均ROP分別提高78%和74%，在文昌組分別提高340.2%和90.36%，鉆速顯著提高（表3）。

圖 5 與鄰井同垂深段使用效果對(duì)比圖Fig. 5 Comparison diagram of application effect of the same vertical depth section with adjacent wells

表 3 與鄰井在恩平組、文昌組地層使用情況分析表Table 3 Analysis of usage with adjacent wells in Enping and Wenchang formations

專(zhuān)用PDC鉆頭在恩平組、文昌組古近系地層完鉆后出井狀況如圖6，鉆頭正常磨損，整體狀況良好，未出現(xiàn)崩齒、牙齒碎裂及脫落等現(xiàn)象，表現(xiàn)出與古近系地層良好的適配性。

圖 6 專(zhuān)用PDC鉆頭出井照片F(xiàn)ig. 6 Photo of the special PDC bit out of the well

4 結(jié)論及建議

（1）由“復(fù)合沖擊器+專(zhuān)用PDC鉆頭”組合的鉆井提速技術(shù)在南海東部某區(qū)塊古近系難鉆地層成功應(yīng)用，有效地應(yīng)對(duì)了恩平組、文昌組及古近系難鉆地層巖石抗壓強(qiáng)度高、研磨性強(qiáng)、地層夾層較頻繁等難題，機(jī)械鉆速顯著提高。

（2）新型鉆井提速技術(shù)專(zhuān)用PDC鉆頭與古近系地層適配性較好，為今后其它區(qū)塊難鉆地層的井下工具選擇及鉆井提質(zhì)增效提供了技術(shù)參考。

（3）建議在其他區(qū)塊難鉆地層對(duì)該新型鉆井提速技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，并通過(guò)應(yīng)用效果總結(jié)出更合理的鉆井參數(shù)，進(jìn)一步挖掘該新型鉆井提速技術(shù)的應(yīng)用潛力。