曹 聰，王九龍，劉先鋒，王雅蓉

（中國石油集團渤海鉆探工程有限公司庫爾勒分公司，新疆庫爾勒841000）

BZ-DB氣區(qū)東西長120km，南北寬7~29km，面積2070km3，已發(fā)現(xiàn)氣藏12個，落實三級儲量氣5560×108m3、油4102×104t，累計可探明氣1×1012m3以上、油5000×104t，成為塔里木盆地一個萬億方大氣區(qū)。是油田“十四五”3500×104t建設(shè)增儲上產(chǎn)工作重點區(qū)塊。區(qū)塊儲層埋藏深度普遍大于6000m，且上部沉積了巨厚的礫石層（普遍超過4500m），礫石層壓實程度高，可鉆性差，機速低，鉆頭選型困難，先期磨損嚴(yán)重[2]（如圖1所示），大段礫石層提速“無硬招”，制約全井筒提速，BZ1井礫石層厚度5497m，由于當(dāng)時的技術(shù)所限主要使用常規(guī)牙輪鉆進，鉆進中憋跳嚴(yán)重，鉆頭齒磨損嚴(yán)重，每只鉆頭的純鉆時間和機械鉆速都很低，使用鉆頭82只，鉆頭機速一般在0.41~1.79m/h，平均機速0.51m/h，行程鉆速0.38m/h，礫石層鉆井周期400d。礫石層提速技術(shù)經(jīng)過長期的不斷攻關(guān)，各種提速手段的嘗試。礫石層提速技術(shù)經(jīng)歷了常規(guī)牙輪鉆頭到空氣鉆井，再到進口牙輪、各種非平面齒鉆頭的不斷探索，機械鉆速不斷提高，鉆井周期整體呈降低趨勢，逐步形成一套適合該區(qū)塊礫石層的鉆井提速技術(shù)。

圖1 BZ區(qū)塊部分井礫石層厚度及機速

1 礫石巖性特點及難點

庫車前陸盆地第四系至新近系吉迪克組普遍發(fā)育礫石層，尤其BZ區(qū)域及其發(fā)育。按照礫石層膠結(jié)強度和巖性描述可進一步劃分為未成巖段、準(zhǔn)成巖段和成巖段礫巖（如圖2所示）。

圖2 礫石層巖段分布

其中未成巖段主要分布于第四系，主要以變質(zhì)巖、花崗巖礫為主。礫石壓實作用弱，孔洞、裂縫發(fā)育，膠結(jié)疏松。因礫石非均質(zhì)性、抗壓強度波動，對鉆頭沖擊破壞作用強，鉆進過程中鉆柱振動劇烈，鉆具易疲勞失效，鉆頭磨損形式主要表現(xiàn)為崩齒。準(zhǔn)成巖段主要分布于庫車組，巖性仍以變質(zhì)巖、花崗巖礫為主，部分井灰?guī)r礫、小礫巖較多。因井深增加，壓實作用增強，膠結(jié)程度趨于致密，抗壓強度波動范圍大，且隨埋深增加增大明顯。成巖段上部石英礫和砂巖礫含量相對較多，研磨性較強；根據(jù)已鉆井碳酸鹽含量分析：隨井深增加，碳酸鈣含量增加，即灰?guī)r礫及灰質(zhì)膠結(jié)增加，底部礫巖不純，機械鉆速隨灰礫中的灰質(zhì)含量增高而增加[3]。

總體來看礫石層厚度及膠結(jié)情況準(zhǔn)確預(yù)測難度大、成分復(fù)雜、礫徑分布無規(guī)律，區(qū)塊井身結(jié)構(gòu)常用塔標(biāo)Ⅱ型五開井身結(jié)構(gòu)（如表1所示），礫石層主要分布于前三開次。

表1 BZ構(gòu)造井身結(jié)構(gòu)（以BZ8井為例）

2 提速關(guān)鍵技術(shù)

2.1 進口牙輪鉆頭

未成巖段，膠結(jié)疏松，礫石含量高，礫徑大，對鉆頭與工具沖擊破壞作用強，鉆頭選型受限，以牙輪鉆頭為主[4]，統(tǒng)計區(qū)塊牙輪鉆頭使用情況來看，未成巖段國產(chǎn)、進口牙輪表現(xiàn)接近（如圖3所示）。

圖3 BZ1區(qū)未成巖段和準(zhǔn)成巖段牙輪鉆頭使用情況

新型進口鋼齒牙輪鉆頭，改良的雙密封系統(tǒng)，使鉆頭可以適應(yīng)更高的轉(zhuǎn)速、更大的鉆壓和狗腿度嚴(yán)重度，并可以長時間在高泥漿比重和高壓的環(huán)境下作業(yè)。對比國產(chǎn)牙輪可靠性和密封性顯著提高，可以保護鉆頭，延長鉆頭軸承使用壽命。應(yīng)用機械鉆速和單只進尺均由明顯的提升。

淺部未成巖，宜選用攻擊性較強，同時具有一定抗沖擊性。深部未成巖—準(zhǔn)成巖段，壓實程度增加，采用進口牙輪，增加布齒密度，降低齒高，提高單只進尺。

準(zhǔn)成巖段國產(chǎn)與進口牙輪指標(biāo)差異較大，準(zhǔn)成巖段礫石含量高，跳鉆劇烈，國產(chǎn)牙輪崩齒嚴(yán)重，深部地層壓實作用強，進口和國產(chǎn)牙輪鉆頭相比較，平均單趟進尺提高66%，平均機械鉆速提高17%。

準(zhǔn)成巖及成巖段上部：火成巖、變質(zhì)巖礫為主，礫石含量高，泥灰質(zhì)膠結(jié)，因壓實程度增加，鉆頭選型在考慮抗沖擊性的同時，應(yīng)兼顧剪切破巖性能。

成巖段下部：礫石含量降低，壓實程度高，灰質(zhì)膠結(jié)為主，切削齒吃入困難，牙輪鉆頭表現(xiàn)為正常磨損，機速低，鉆頭選型應(yīng)考慮剪切性能，兼顧抗沖擊性。

2.2 減震工具

上部礫石層成巖性差，渦動和跳鉆嚴(yán)重，礫徑大，鉆頭軸向沖擊大，鉆柱振動劇烈，極大的影響了機速及鉆頭壽命，并易導(dǎo)致鉆具事故，應(yīng)用水力加壓器、雙擺等減震工具，有明顯的改善效果。

雙擺工具基于陀螺穩(wěn)定原理，確保鉆工具穩(wěn)定，提高鉆進效率，井下振動測量顯示：使用雙擺后橫向振動有效緩解。同時具有一定的縱向減震效果，具有很好的延長鉆頭及工具使用壽命的效果。因橫向振動有效降低，跳鉆、渦動等現(xiàn)象緩解，對鉆工具、鉆頭等保護明顯，延長使用壽命。但工具無防斜效果，鉆壓無法強化，對于鉆壓敏感的地層，單獨使用提速效果不明顯[5]。

水力加壓器是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，它改變了鉆井作業(yè)中靠下部鉆鋌的重量施加鉆壓的傳統(tǒng)作業(yè)方式。不消耗額外能量，利用循環(huán)鉆井液的鉆頭水眼節(jié)流壓降，作用在活塞上下端面造成推力的差值給鉆頭加壓。它有效地改變了下部鉆具的受力狀態(tài)，實現(xiàn)了柔性加壓鉆進。起到了吸震防跳保護鉆頭、加快鉆井速度、減少鉆具事故[6]。

實際現(xiàn)場應(yīng)用雙擺提速5井次，水力加壓器1井次。鉆柱幾乎沒有振動，平均進尺244m，機速2.76m/h，單趟進尺及機速提高20%，部分井提高1倍，起出鉆頭新度較高，延長了鉆頭使用壽命（如表2所示），具有良好的使用推廣前景。

2.3 空氣鉆井

空氣鉆井是以壓縮空氣既作為循環(huán)介質(zhì)又作為破碎巖石能量的一種欠平衡鉆井技術(shù)。對于不出水的堅硬礫石層，采用空氣鉆井可以大幅度地提高機械鉆速。為突破BZ構(gòu)造鉆井提速瓶頸，優(yōu)選空氣鉆井這一革命性提速技術(shù)。

在應(yīng)用的過程中摸索發(fā)展出“鉆柱力學(xué)防斜技術(shù)”和空氣鉆井連續(xù)循環(huán)的配套工藝。應(yīng)用“牙輪鉆頭+預(yù)彎短節(jié)+雙扶鐘擺”鉆具組合，鉆壓小于1t，轉(zhuǎn)速55r/min，是目前有效控制井斜的鉆具組合和鉆井參數(shù)，形成了氣體鉆井井斜控制技術(shù)，解決了高陡構(gòu)造區(qū)域氣體鉆井井斜難題，突破了該技術(shù)在山前的“被動防斜”的瓶頸。同時發(fā)展使用換向循環(huán)短節(jié)，形成了連續(xù)循環(huán)氣體鉆井配套工藝技術(shù)，解決了因停氣導(dǎo)致井下復(fù)雜的風(fēng)險，進一步保障了井下安全[7-9]。

在BZ區(qū)塊開展空氣鉆井試驗與推廣，在礫石層取得了顯著的提速效果，平均純鉆時間200h以上，平均機速4.5m/h以上，單趟進尺和機速是常規(guī)提速工具的三倍以上（如表3所示）?？諝忏@井從根本上解決了庫車山前巨厚礫石層機械鉆速極慢、鉆井周期長、井斜超標(biāo)嚴(yán)重等技術(shù)難題，整體縮短了巨厚礫石層的鉆井周期，極大地提高了勘探開發(fā)效率，成為目前礫石層提速最有效的技術(shù)手段。

表3 空氣鉆井應(yīng)用效果

2.4 異形齒鉆頭

進入成巖段下部礫石含量逐漸減少、灰質(zhì)含量明顯上升?？傮w來看繼續(xù)使用牙輪鉆頭表現(xiàn)差，加之井壁穩(wěn)定性及井眼凈化問題，空氣鉆難以發(fā)揮作用。含礫地層橫向非均質(zhì)性強，常規(guī)切削齒因抗沖擊性不足易產(chǎn)生低幅高頻沖擊疲勞損傷或正面沖擊破壞，且切削齒吃入不均引發(fā)鉆頭嚴(yán)重渦動，加劇切削齒沖擊破壞。平面齒PDC鉆頭不抗沖擊，單只進尺短，不適用于礫石層。近年來新研發(fā)的各種非平面齒PDC相對于平面齒鉆頭，抗沖擊性更強，破巖效率更高，在含礫地層總體表現(xiàn)理想（如圖4所示），一定程度解決了該難題?，F(xiàn)場總體使用對比牙輪鉆頭進尺及機速提高15%以上。

圖4 成巖段異性齒鉆頭使用情況

3 結(jié)論與建議

（1）目前BZ區(qū)塊巨厚礫石層主體提速工具機械、行程鉆速對比，空氣鉆提速效果最為明顯。除空氣鉆外仍以牙輪鉆頭為主，加入雙擺或水力加壓器后，明顯起到了減震效果，整體行程機速也有所提高，礫石含量降低50%左右后，使用異性齒PDC鉆頭進行提速。進入古近系后，礫石層即將完全打穿，礫石含量減少，基本以砂泥巖為主，使用強攻性PDC進行鹽上地層最后提速。

（2）加強淺層地表水分布規(guī)律研究，優(yōu)化二開套管下深，確保封固庫車組車組低壓層及淺水層。盡量減少二開17-1/2″井眼段長，延長空氣鉆使用井段，充分提高機械鉆速。

（3）建議開展配套空氣鉆井隨鉆測斜技術(shù)配套研究，進一步提高純鉆時效，加強異性齒鉆頭的研究，爭取實現(xiàn)礫石層PDC鉆頭應(yīng)用全覆蓋。