中石化江汉石油工程有限公司钻井西部分公司 新疆库尔勒 841600
摘要：顺北区块地层埋藏深，地质结构复杂多样，且差异性强，三叠系地层杂色砂砾岩发育，二叠系地层火成岩发育且厚度大，二叠系以下至柯坪塔格组砂泥岩互层，发育大段致密泥岩，奥陶系上部地层发育辉绿岩，泥浆密度高，高研磨性。根据顺北区块地层有、无侵入体及不同工程地质特征，主要分为老四级和非标新四级两种井身结构[1]，施工难度高，提速提效困难。经过几轮勘探开发，使用高效抗冲击PDC钻头、混合钻头、尖圆齿钻头、异形齿钻头、进口PDC钻头等提速工具，采用等壁厚螺杆、大功率螺杆、联合冲击器、扭力冲击器等提速工艺，取得了良好提速效果。
关键词：井身结构 混合钻头 尖圆齿钻头 等壁厚螺杆 提速
顺北工区通过顺北1-1井和顺北5井钻探开发，喜获高产油气流，获得勘探突破，进一步证实了顺北油气田不仅北东向断裂带是油气富集带，北西向断裂带也是油气富集带，加大了顺北油气田的开发力度，主要集中在顺北一区的Ⅰ号和Ⅴ号断裂带。其中Ⅰ号断裂带上井身结构主要以非标新四级为主，Ⅴ号断裂带主要以老四级结构井为主。顺北区块油层埋藏深，地层结构复杂，地域差异性强，基本上呈现南部区块施工难度和风险高于北部区块的特点，钻探难度大，钻头、螺杆等提速工具与地层配伍性差，提速受到多重因素制约。通过不断探索、总结，与中石化石油机械有限公司江钻事业部开展联合攻关，开发研制高效抗冲击PDC钻头、混合钻头、尖圆齿钻头、异形齿钻头等多种和地层相匹配的钻头，优化升级等壁厚螺杆和大功率螺杆，提高螺杆的高效性、抗温性及其使用寿命，在顺北工区不同井身结构井的施工中，提速提效取得了阶段性的进展。
1.老四级与非标新四级井身结构简介
1.1 老四级结构井
顺北工区老四级结构井主要分布在Ⅴ号断裂带上，Ⅰ号断裂带也有分布，例如顺北评1H、顺北2、顺北1-1H、顺北1-7H、顺北1-12、顺北1-15、顺北1-16等井。其井身结构为：一开使用444.5mm钻头钻进至1000-1500m，下入339.7mm套管封固上部前压实地层，建立二开井口；二开使用311.2mm钻头钻穿二叠系进卡拉沙依组50m中完，下入250.88+244.5mm套管封固二叠系易漏失井段，建立三开井口；三开使用215.9mm钻头进至奥陶系一间房组4m中完，下177.8mm尾管封固奥陶系上统及以上地层，建立四开井口；四开目的层施工使用149.2mm钻头钻至完钻井深，裸眼完井。
1.2 新四级及非标新四级结构井
顺北工区新四级非标结构井主要分布在Ⅰ号断裂带上，该井身结构是在辉绿岩侵入体覆盖区原有新四级井身结构的基础上进行优化，由于原新四级结构井完钻井眼尺寸小（120.65mm），电成像测井仪器外径127mm，无法满足录取资料的要求；复杂处理难度大，打捞事故钻具和处理复杂能力弱；水平段受井眼尺寸限制，抗高温定向仪器难题配套，测量仪器抗温能力低，难以有效测控井眼轨迹和沟通远部储集体等难题，致使钻井周期长，同时完井工具质量可靠性低和改造施工压力高，严重阻碍了该地区深部地层油气资源勘探开发的进程。
针对原有井身结构存在的问题，采用新四级非标结构井。即一开使用374.65mm钻头钻进至2000m，下入298.5mm表层套管封固上部前压实地层，建立二开井口；二开使用269.9mm钻头钻穿志留系，进入奥陶系桑塔木组20m中完，下入219.1mm套管封固二叠系易漏失井段和志留系井段，建立三开井口；三开使用190.5mm钻头进至奥陶系一间房组4m中完，下168.3mm尾管封固奥陶系上统地层，建立四开井口；四开目的层施工使用143.9mm钻头钻至完钻井深，裸眼完井。
2.影响提速主要难点
2.1 三叠系地层含砾砂岩，钻头提前磨损
三叠系地层阿克库勒组、柯吐尔组含杂色砂砾岩发育，研磨性强，在大排量螺杆钻具的高速旋转情况下，常规PDC钻头抗冲击性差，钻进过程中钻头易崩齿，造成PDC钻头先期受损，单只PDC钻头有效进尺短，难以实现一趟钻完成二叠系以上地层进尺。
2.2 二叠系地层火成岩发育且厚度大，可钻性差
顺北区块二叠系地层火成岩发育，且厚度在450～650m之间，属于巨厚火成岩，其中Ⅰ号断裂带以英安岩与凝灰岩为主，二叠系抗压强度100～150MPa，可钻性极值4-5级，Ⅴ号断裂带发育深灰色英安岩和灰黑色玄武岩，抗压强度120～200MPa，可钻性极值6～7级，玄武岩可钻性极值8级，可钻性差，研磨性强，[2]常规PDC钻头易崩齿，进尺短，牙轮钻头单只钻头寿命有限，进尺短，起下钻趟数多。在Ⅴ号断裂带北部区块，前期尝试混合钻头、阿特拉扭冲、新速通复合冲击器、多维冲击器均未取得较好提速效果。
2.3 石炭志留系地层钻头吃入性差，易磨损
石炭系卡拉沙依组、巴楚组发育砂泥岩互层段，夹层多，软硬地层交错，钻进过程中易发生蹩钻、跳钻现象，易造成PDC钻头切削齿的碎裂或折断，[3]钻头提前受损，进尺短。柯坪塔格组发育沥青质砂岩，钻进过程中PDC复合片易崩齿磨损，牙轮钻头易断齿。桑塔木组巨厚致密泥岩段单轴抗压强度90～150MPa，可钻性极值4.5～7.2级，可钻性差，研磨性强，属高强度地层，常规PDC难吃入地层。
2.4桑塔木地层含辉绿岩侵入体，可钻性差，易坍塌掉块
桑塔木组辉绿岩侵入体泊松比 0.208～0.267，弹性模量29.3～37.9GPa，抗压强度普遍高于300MPa，最高达392.8MPa，体现出硬脆性岩石、强度高而弹塑性差的力学特征。室内三轴力学参数测试表明其硬度范围为500～1900MPa，极高的硬度和内部含有的铁矿石成分，极易对钻头造成严重的损伤[4]。侵入体辉绿岩矿物组分以长石为主，粘土矿物少，微裂缝发育，极易发生坍塌掉块[5]。
3.关键提速工具与工艺研究
3.1 钻头升级，优化参数，实现三叠系提速
前期顺北工区施工主要参考塔河主体区块、跃进等外围区块传统施工工艺，二开第一趟钻下入钢齿牙轮钻头扫塞钻进100m左右，将井底附件清理干净，起钻下入传统PDC+常规螺杆钻具组合，进行钻进。但顺北工区三叠系上部库姆格列木群及三叠系阿克库勒组、柯吐尔组含杂色砂砾石，砾石含量井间差异大，传统PDC钻头抗冲性差，砾石段钻进易崩齿失效，难以实现一趟钻完成二叠系以上进尺；同时常规螺杆钻具扭矩低，输出功率小，机械钻速低。
通过对起出钻头磨损情况进行分析，对传统钻头进行改造升级，主要为：1、通过复合片性能分析试验，优选复合片；2、对复合片全角度深脱钴处理技术，提高复合片抗微裂纹扩展、崩齿、碎裂的能力；3、采用双排齿结构，有效提高行程进尺；4、对导流槽进行水力优化设计，确保岩屑运移顺畅。研制成型号为KS1952DGR双排齿高抗冲击PDC钻头。
对常规螺杆在使用过程中的应力幅值变化情况，依据应力幅值调整橡胶壁厚，减小应力集中，提高马达效率，增大输出扭矩，开发研制出高转速大扭矩等壁厚螺杆，提高机械钻速。
在技术措施上进行优化，在钻遇砾石层段提前弱化钻井参数（降低排量、转速），砾石段钻进期间，钻时升高不急于加钻压保护钻头通过，实现了单只钻头钻穿二叠系上部井段，钻进二叠系，达到了二开一趟钻钻进二叠系的提速效果。
通过使用高抗冲PDC钻头配合高转速大扭矩等壁厚螺杆，在新四级和老四级两种井身结构井施工中，均取得的良好的提速效果。新四级结构井单只钻头平均进尺由1669.25m提高至2565.33m，进尺提高率53.68%，平均机械钻速由14.49m/h提高至20.77m/h，提高率43.34%，老四级结构井单只钻头平均进尺由2692.95m提高至3662.38m，进尺提高率36%，平均机械钻速由16.33m/h提高至21.17m/h，提高率29.64%。
3.2 优选开发新型钻头，提高地层配伍性，实现二叠系提速
3.2.1 Ⅰ号断裂带提速
Ⅰ号断裂带二叠系岩性以凝灰岩、英安岩为主，夹杂砂泥岩，平均厚度480m左右，其中二叠系凝灰岩为主占比73%，英安岩占比26%、玄武岩较少，占比1%，总体可钻性相对较好。但是该区块二叠系地层非均质性强，钻进期间易发生井漏。为了能够有效采取防漏措施，多数井采用三牙轮钻头进行钻进施工，便于钻井液中添加随钻堵漏材料，但牙轮钻头的机械钻速低，且使用寿命有限，单只钻头进尺短，二叠系施工起下钻趟数多，不能实现提速目的。传统PDC钻头抗研磨性差，英安岩段钻进极易磨损；采用“PDC+扭力冲击器”提速效果显著，但一旦发生漏失，扭力冲击器不具备随钻堵漏的功能，必须要起钻更换钻具组合，井下一旦发生卡钻等复杂情况，极难处理。
二叠系层位易漏失层段主要在中上部的英安岩井段，下部砂泥岩碎屑岩段漏失风险相对较小，针对这一地层特性，采取钻头优化方案。老四级结构井311.2mm井眼，二叠系中上部英安岩段，使用型号为KPM1633DST勺形齿混合钻头，配244mm等壁厚螺杆进行施工；下部碎屑岩层段至卡拉沙依组井段，采用宽顶尖齿系列型号为KS1652DGRX “尖峰”PDC钻头，配244mm高转速等壁厚螺杆进行施工。新四级结构井二叠系上部地层使用型号为KM1352ADR钻头，13mm复合片，增强钻头的抗研磨性，配合197mm大扭矩低转速等壁厚螺杆，增大螺杆的输出扭矩，提高钻头的破岩效率；下部井段则使用型号为KS1653DGR双排斥PDC钻头，配合197mm大扭矩高转速等壁厚螺杆进行施工。非标新四级结构井，研制穿夹层PDC钻头KS1652DGR，在井漏工况下，269.9mm穿夹层PDC配合常规钻具组合不受随钻堵漏影响，增强处理井下复杂能力。在不漏工况下，269.9mm穿夹层PDC配合等壁厚螺杆钻具可获得较高机械钻速。 两种井身结构井的钻头优化方案，在后期施工过程中，均取得了良好的提速效果。
3.2.2 Ⅴ号断裂带提速
Ⅴ号断裂带二叠系岩性以英安岩为主，发育玄武岩，岩石强度、可钻性极值均高于Ⅰ号断裂带，Ⅴ号断裂带由南向北二叠系埋深逐渐加深，英安岩、玄武岩岩性占比逐步提高，地层可钻性逐渐变差。高纯度英安岩，有较强磁性，可钻性级数7级，稍弱于玄武岩8级（室内分析试验）。在高纯度英安岩和玄武岩井段，PDC无法钻进，637牙轮断齿严重。导致该区机械钻速低，钻井周期长。
对二叠系地层进行更细的划分，分为上、中、下三个层段，其中上部地层岩性以凝灰岩、浅灰、绿灰色英安岩为主，可钻性较好，钻井工艺以PDC+提速工具为主，单趟钻进尺100m，平均机械钻速2.35m/h；中部地层岩性以深灰色英安岩、灰黑色玄武岩为主，钻井工艺以牙轮钻进为主，单趟钻进尺61m，平均机械钻速1.18m/h。下部地层岩性以凝灰岩、砂泥岩为主，钻井工艺以牙轮钻进为主，单趟钻进尺55m，平均机械钻速1.20m/h。高纯度英安岩，有较强磁性，属于中硬、塑脆性、低研磨性地层，室内实验显示，高纯度的英安岩可钻性级数7.6级，稍弱于玄武岩8级。
钻遇高纯度英安岩，混合钻头、阿特拉扭冲、新速通复合冲击器、联合冲击器均未取得较好提速效果。在低排量下提速工具冲击功低，在高硬度地层中，保护钻头能力差。 二叠系的提速难点在于中部高纯度的英安岩和玄武岩段。
针对高纯度英安岩和玄武岩的实钻情况，分析混合钻头的失效原因，通过针对性研究，在原钻头基础上进行升级改进，提出能力平衡技术理论，并利用该技术进行混合钻头性能提升。对牙轮切削齿进行经纬交错布设，均衡各牙轮间的岩屑切削量，钻头井底覆盖率提高30%以上；通过优化牙轮破岩轨迹，平衡牙轮破碎能量，降低轴承疲劳失效风险；钻头各牙轮受力分布均衡，钻头工作更加平稳，平滑低振钻进。
针对二叠系上部凝灰岩、浅灰色英安岩段，优选江钻 KS1652DFGR 双排齿高抗冲PDC钻头，下部凝灰岩、砂泥岩段，可采用HJT637GL或HJT537GK三牙轮钻头完成二开进尺。
3.3 使用异型齿钻头，提高钻头吃入能力，攻克致密泥岩段
Ⅰ号断裂带石炭系卡拉沙依组发育致密泥岩段和桑塔木组巨厚致密泥岩段，岩性压实程度强，传统PDC钻头复合片难以吃入地层，机械钻速低，柯坪塔格组发育沥青质砂岩，钻进过程中PDC复合片易崩齿磨损，牙轮钻头易断齿。
针对致密泥岩地层钻头难吃入的问题，对钻头的复合片进行改进，由传统的圆顶齿改造成尖顶齿，后又对尖顶齿改进，升级为宽顶尖圆齿，增强钻头的抗冲击能力，采用尖形齿、圆形齿混布技术，针对致密泥岩及强塑性地层，可提高破岩效率，从而提高机械钻速。
3.4 优化钻井工艺，实现桑塔侵入体安全钻进
根据桑塔木辉绿岩的岩性特征，具有极高的硬度，且抗研磨性强，钻进过程中，应力释放，辉绿岩自身破碎，易垮塌，密度高，产生的掉块不易携带，故钻进过程中掉块卡钻风险极高。传统针对新四级结构井含侵入体三开井段施工思路，先采用传统PDC+常规螺杆钻进至侵入体顶，起钻更换牙轮钻头+光钻铤钻具组合，钻穿侵入体后，牙轮使用寿命已到，起钻更换传统PDC+常规螺杆钻进至三开中完井深。尝试传统PDC钻侵入体，PDC进尺短，起出后磨损严重，牙轮钻头钻进，钻头崩齿严重，进尺慢，机速低，使用扭冲进行提速，发生井下故障，均未达到提速效果。
通过对侵入体岩性的不断探索，单纯依靠提高钻井液密度未能有效抑制辉绿岩井段坍塌和扩径，侵入体的坍塌和扩径很大程度上是因为应力释放所导致，钻井施工中的主要问题就是将岩屑及时带出，避免重复切削，是防止发生蹩钻甚至卡钻的主要因素。改变传统的施工思路，以安全钻进为前提，精细操作，顺北1-6H井采用1.85g/cm3钻井液密度安全顺利钻穿侵入体，平均机械钻速0.91m/h，比SHB1-3井平均机速提高了4.6%，钻进过程中无垮无漏，成为顺北工区同类型井中第一口安全顺利钻穿侵入体的井。
在顺北1-6H井成功施工的基础上，对泥浆性能进行优化，尝试降低泥浆密度，优化防塌措施，提高机械钻速。顺北1-9井首次尝试采用1.58-1.60g/cm3的钻井液密度，使用江钻产PDC（KM1362DGR）钻头，安全顺利钻穿侵入体，平均机械钻速2.67m/h，比SHB1-6H井平均机械钻速提高193.4%，极大提高了机械钻速，钻进过程中无垮无漏，为后续降密度钻侵入体提供了有力依据，也为使用PDC钻侵入体提供了有力的技术支撑。
顺北1-10H井在PDC钻侵入体的成功基础上，再次优化钻具组合，优化钻进技术措施控制起下钻勾速（＜0.2m/s），使用欠尺寸扶正器，间断用稠浆携带岩屑，实现了PDC+螺杆安全钻穿侵入体。顺北1-10H井采用1.58g/cm3的钻井液密度，采取PDC+螺杆的钻进方式，带欠尺寸扶正器，实现了一趟钻安全顺利钻穿侵入体，机械钻速2.96m/h，比顺北1-9井机械钻速提高10.86%，单趟钻进尺达228m，极大的减少了起下钻趟数，缩短了钻井时效。
在后期非标新四级结构井施工过程中，成功对侵入体安全钻进技术进行推广用用，顺北1-11、顺北1-13、顺北1-14井3口井均为2趟钻完成整个三开井段进尺，均实现PDC钻穿辉绿岩层段，平均单只钻头进尺提高174.6%，机速提高63.81%。
4.结语
1、高抗冲PDC钻头配合等壁厚螺杆，合理的参数控制，可以实现二开一趟钻钻进二叠系，该技术已经在老四级和非标新四级结构井成功推广应用。
2、关于二叠系提速，Ⅰ号断裂带二叠系英安岩纯度不高，基本实现宽顶尖圆齿PDC、13mm高抗研磨性PDC+配合等壁厚螺杆钻进工艺，不同井身结构，优选适配的提速工艺，可实现Ⅰ号断裂带二叠系提速。
3、V号断裂带二叠系虽取得了一定提速效果，但施工井数量不多，主要的提速方案为上部采用高抗冲PDC钻头配合等壁厚螺杆钻至中部英安岩、玄武岩，然后使用能量平衡混合钻头、异形齿PDC钻头、牙轮过度英安岩、玄武岩，下部凝灰岩地层采取尖圆齿PDC钻头、异形齿PDC钻头能实现一定提速效果。但V号断裂带二叠系井段提速方案尚不成熟，在PDC钻头、进口钻头、牙轮钻头、混合钻头等钻头优选和螺杆、扭冲、联合冲击器等提速工具优配方面，还未形成固定提速模式。加之口井二叠系差异性，给钻头、提速工具选型带来困难，如何实现二叠系提速也是下步主要攻关方向。
4、尖圆齿PDC钻头有效的攻克致密泥岩段，成功推广应用，并在后期施工中对复合片进行持续优化升级，研发出锥型齿、斧型齿、奔驰齿等多种异型齿PDC钻头，提速空间较大。桑塔木侵入体已基本实现安全钻进，且提速效果明显，彻底攻克技术难点。
5、随着顺北区块勘探开发不断南扩，V号断裂带南部区块三开志留系断裂带发育良好，塔塔埃尔塔格组地层承压力低，易井漏，且地层出盐水共存，堵漏成功率低，易复漏，柯坪塔格组地层易垮塌，密度窗口窄，是目前顺北区块急需攻克的技术瓶颈。同时V号断裂带北部区块，三叠系和志留系的井壁稳定性随着井位的靠南部署，也成为制约提速的不利因素。在以后勘探开发进程中，不断开发新工具，探索新工艺，优化技术方案和措施，逐渐实现顺北区块整体提速提效。
【参考文献】
[1]刘彪，潘丽娟，易浩，等. 顺北含辉绿岩超深井井身结构优化设计[J].石油钻采工艺，2016，38（3）；296～301.
[2] 马中远，任丽丹，黄苇，等. 塔里木盆地塔中地区火成岩的基本特征[J]. 特种油气藏，2013,20（3）；64～67.
[3]孙明光，张云连，马德坤.适合多夹层地层PDC钻头设计及应用[J].石油学报，2001,05（5）；95～99.
[4]赵志国，白彬珍，何世明，等.顺北超深井优快钻井技术[J].石油钻探技术，2017，6（6）；8～13.
[5]胡广强，白彬珍，柯珂.顺北区块辉绿岩井段井壁稳定性分析[J].中国海上油气，2017，29（5）；119～125.
论文作者:杨聪,张晨开,陆恒
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第09期
论文发表时间:2019/9/30
标签：钻头论文; 地层论文; 牙轮论文; 螺杆论文; 四级论文; 进尺论文; 泥岩论文; 《科学与技术》2019年第09期论文;