玉北地區(qū)深部地層扭力沖擊器提速工藝

侯子旭 賈曉斌 李雙貴 鄧文良 曾德智

（1.中石化西北油田分公司，新疆烏魯木齊 830000；2.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，四川成都 610500）

玉北地區(qū)深部地層扭力沖擊器提速工藝

侯子旭1賈曉斌1李雙貴1鄧文良2曾德智2

（1.中石化西北油田分公司，新疆烏魯木齊 830000；2.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，四川成都 610500）

新疆玉北地區(qū)古生界沙井子組地層埋深4 000 m以上，巖石強(qiáng)度高；加之泥質(zhì)巖含量高、塑性強(qiáng)，地層可鉆性較差，提速困難。前期實(shí)踐表明，沙井子組高塑性地層牙輪鉆頭的縱向沖擊壓碎破巖效果不佳，常規(guī)PDC鉆頭鉆井反扭矩大，易產(chǎn)生“黏滑”現(xiàn)象，破巖效率低。為提高機(jī)械鉆速，降低鉆井綜合成本，引入了國(guó)外的新型鉆井提速工具——TorkBuster扭力沖擊器，并通過(guò)匹配個(gè)性化PDC鉆頭、提高鉆井液排量、合理控制鉆壓等配套技術(shù)措施，大幅度地提高了平均機(jī)械鉆速?！癙DC鉆頭+螺桿鉆具”、“孕鑲PDC石鉆頭+渦輪鉆具”和“PDC鉆頭+扭力沖擊器”3種鉆井工藝的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，扭力沖擊器提速效果明顯，平均機(jī)械鉆速為6.42 m/h，與前期相比機(jī)械鉆速提高了2～3倍。扭力沖擊器鉆井克服了深井高強(qiáng)度塑性地層的鉆井難題，可進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

深井提速；扭力沖擊器；PDC鉆頭；鉆井參數(shù)；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

玉北地區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)和田地區(qū)洛浦縣境內(nèi)，構(gòu)造名稱(chēng)為塔里木盆地麥蓋提斜坡麥蓋提1區(qū)塊玉東3號(hào)構(gòu)造帶，是中石化集團(tuán)西北地區(qū)勘探開(kāi)發(fā)的新區(qū)。該地區(qū)古生界地層可鉆性差，機(jī)械鉆速慢，建井周期長(zhǎng)［1］。為提高油氣勘探開(kāi)發(fā)效益，實(shí)現(xiàn)深井 “打成、打好、打快”的目標(biāo)，通過(guò)多項(xiàng)鉆井提速新工藝的調(diào)研、技術(shù)攻關(guān)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，形成了一套古生界沙井子地層扭力沖擊器提速工藝。引進(jìn)的扭力沖擊鉆井工具通過(guò)連續(xù)的高頻振蕩，形成扭力并傳遞給個(gè)性化PDC，對(duì)高抗壓地層實(shí)施連續(xù)切削破巖；同時(shí)，通過(guò)匹配優(yōu)化的鉆井參數(shù)，取得了較好提速效果，形成了適合該地層的配套鉆井工藝。

1 玉北地區(qū)古生界地層鉆井難點(diǎn)分析

1.1 玉北地區(qū)古生界地層特性

鉆井過(guò)程中三開(kāi)井段主要鉆遇古生界二疊系地層。古生界二疊系地層分為4個(gè)組段，分別為沙井子組、開(kāi)派茲雷克組、庫(kù)普庫(kù)茲滿組和南閘組。其中沙井子組地層厚度為808.0 m，砂泥比為0.15%，主要由泥質(zhì)巖（87%）和砂質(zhì)巖（13%）組成。二疊系上統(tǒng)沙井子組地層上部為棕褐、灰色泥巖夾灰色粉砂巖，中部為棕、棕褐、灰色含灰質(zhì)泥巖，下部為棕、棕褐色泥巖夾灰色粉砂巖、含礫細(xì)粒長(zhǎng)石巖屑砂巖，并含有少量黃鐵礦。上部砂巖整體呈含礫細(xì)粒狀結(jié)構(gòu)，分選中等，膠結(jié)性差，巖性較疏松，巖石抗壓強(qiáng)度在50～80 MPa，可鉆性極值為3～5；下部泥巖泥質(zhì)含量為85%～90%，巖性相對(duì)較硬、可塑性較強(qiáng)、巖石抗壓強(qiáng)度為60～100 MPa、可鉆性極值為3～7?？傊?，沙井子組地層為典型的“橡皮地層”，采用常規(guī)鉆進(jìn)工藝難以取得較好的機(jī)械鉆速。

1.2 玉北地區(qū)古生界地層前期實(shí)鉆情況

玉北地區(qū)古生界地層前期實(shí)鉆情況見(jiàn)表1。

表1 二疊系各地層平均進(jìn)尺和機(jī)械鉆速對(duì)比

從實(shí)鉆鉆頭情況分析可知，開(kāi)派茲雷克組用牙輪鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，主要是因?yàn)檫@個(gè)層位巖性以黑色玄武巖、灰?guī)r為主，黑色玄武巖極硬，不適合PDC鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，其余各層位都適合用PDC鉆頭。

古生界地層鉆井過(guò)程中出現(xiàn)了以下問(wèn)題：在玉北地區(qū)鉆頭穿越沙井子組粉砂巖時(shí)，下部地層軟硬交替頻繁，對(duì)PDC鉆頭的破壞性很大，復(fù)合片磨損過(guò)快；開(kāi)派茲雷克組火成巖發(fā)育，巖石比較致密，可鉆性差，容易對(duì)鉆頭造成沖擊破壞，鉆進(jìn)時(shí)易出現(xiàn)斷掉齒、牙齒磨損、輪尖磨損等失效形式，單只鉆頭進(jìn)尺太少，壽命低；二疊系庫(kù)普庫(kù)茲滿組、南閘組地層壓實(shí)性好，鉆頭機(jī)械鉆速普遍較低。

玉北地區(qū)實(shí)鉆情況具體統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如圖1～圖3所示。

圖1 玉北地區(qū)古生界二疊系地層鉆頭平均純鉆時(shí)間

圖2 玉北地區(qū)古生界二疊系地層鉆頭平均進(jìn)尺

圖3 玉北地區(qū)古生界二疊系地層鉆頭平均機(jī)械鉆速

由此可見(jiàn)，玉北地區(qū)已鉆井在下部二疊系地層總體機(jī)械鉆速較低，各個(gè)地層平均機(jī)械鉆速均低于2.6 m/h。牙輪鉆頭和PDC鉆頭在該地區(qū)的平均進(jìn)尺低，平均純鉆時(shí)間少，其原因是沙井子組地層屬于“橡皮泥”地層，塑性高，牙輪鉆頭的縱向沖擊壓碎破巖效果不佳，PDC鉆頭在鉆壓作用下鉆頭牙齒吃入該地層困難；同時(shí)，PDC鉆頭在該地層中存在反扭矩大，容易產(chǎn)生“黏滑”現(xiàn)象，破巖效率低。這些問(wèn)題和現(xiàn)象在我國(guó)其他油田或區(qū)塊也曾遇到［2-3］?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐已經(jīng)表明，在該地區(qū)單一的使用牙輪鉆頭和PDC鉆頭鉆井與地層特性不完全匹配，不能充分發(fā)揮鉆頭破巖作用，鉆進(jìn)效果不理想。

2 扭力沖擊器提速實(shí)踐及提速效果

2.1 深井鉆井提速技術(shù)對(duì)比分析

2.1.1 PDC鉆頭+螺桿鉆具“PDC鉆頭+螺桿鉆具”復(fù)合鉆井技術(shù)在鉆井提速方面效果明顯［4］。元壩地區(qū)海相地層以灰?guī)r、白云巖為主，巖性相對(duì)均質(zhì)，適合PDC鉆頭。為了充分發(fā)揮PDC鉆頭高轉(zhuǎn)速、低鉆壓的優(yōu)勢(shì)，元壩地區(qū)采用PDC鉆頭和螺桿鉆具相配合的復(fù)合鉆井技術(shù)。與常規(guī)鉆井技術(shù)相比機(jī)械鉆速提高了30.8%，但存在螺桿壽命較短與PDC鉆頭不匹配的問(wèn)題［5］。

2.1.2 孕鑲PDC鉆頭+渦輪鉆具“孕鑲PDC鉆頭+渦輪鉆具”適合在中等硬度的頁(yè)巖及硬、研磨性砂巖地層中鉆井，并在多個(gè)地區(qū)取得了較好的使用效果和經(jīng)濟(jì)效益。孕鑲PDC鉆頭以剪切方式破碎地層，在大段、均質(zhì)、低剪切強(qiáng)度巖層（如砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖或泥質(zhì)砂巖、頁(yè)巖等）中采用中高轉(zhuǎn)速、大扭矩渦輪鉆具低鉆壓鉆井，機(jī)械鉆速比牙輪鉆頭提高2～3倍，綜合鉆井成本降低30%～50%［6］。在四川川東臥123井機(jī)械鉆速達(dá)到了4.13 m/h，與鄰近相比提高2.76倍；在玉門(mén)青西Q2-19井機(jī)械鉆速達(dá)到了2.42 m/h，與鄰井相比提高 1.36 倍［7］。

2.1.3 PDC鉆頭+扭力沖擊器 扭力沖擊器是一種將液體能量轉(zhuǎn)換成高頻扭沖能量并傳遞給PDC鉆頭，以實(shí)現(xiàn)高頻扭轉(zhuǎn)沖擊破碎的新型鉆井工具［8］。玉門(mén)油田針對(duì)青西地區(qū)白堊系地層巖性硬脆、硬度大、牙齒難以吃入地層和地層可鉆性差的現(xiàn)狀，通過(guò)引用TorkBuster扭力鉆井技術(shù)成功解決鉆速低、鉆井周期長(zhǎng)的難題，在該地區(qū)提速效果明顯，比前期同地層同井段平均機(jī)械鉆速提高了159%［9］。川東北元壩地區(qū)存在地層研磨性強(qiáng)、可鉆性差和機(jī)械鉆速低的難題；同時(shí)，該地區(qū)自流井組至須家河組地層巖性以鈣質(zhì)和硅質(zhì)膠結(jié)為主，軟硬交錯(cuò)互層頻繁，不利于常規(guī)PDC鉆頭鉆進(jìn)。該區(qū)塊通過(guò)引入TorkBuster扭力沖擊器，平均機(jī)械鉆速達(dá)到了2.4 m/h，同比提高了 130.77%［10-13］。

通過(guò)對(duì)比可知，“PDC鉆頭+螺桿”鉆具組合和“PDC鉆頭+渦輪”鉆具組合適應(yīng)的鉆井條件為均質(zhì)地層，與玉北地區(qū)古生界沙井子組地層特性不匹配，不能充分發(fā)揮這兩項(xiàng)鉆井技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。而TorkBuster扭力沖擊器鉆井提速工具已經(jīng)多次成功地解決了研磨性強(qiáng)、可鉆性差、軟硬交錯(cuò)互層且復(fù)雜難鉆地層的鉆井提速問(wèn)題，而且提速效果顯著，對(duì)玉北地區(qū)的應(yīng)用有較大的借鑒意義。

2.2 扭力沖擊器的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況及提速效果

2.2.1 扭力沖擊工具引進(jìn) 在玉北地區(qū)引用的Tork Buster提速扭力沖擊器有3種型號(hào)，如圖4所示。

圖4 不同型號(hào)的TorkBuster扭力沖擊器

以上3種規(guī)格和尺寸的扭力沖擊器設(shè)計(jì)規(guī)格如表2所示。

表2 不同扭力沖擊器設(shè)計(jì)規(guī)格和鉆井參數(shù)

2.2.2 個(gè)性化PDC鉆頭選用 為了充分發(fā)揮扭力沖擊器的提速功能，需要選用與之配套的個(gè)性化PDC鉆頭，以達(dá)到最佳的鉆井效果［14］。根據(jù)玉北地區(qū)的地層特性和扭力沖擊器的工作特性，引入了3種個(gè)性化PDC鉆頭，如圖5所示。

圖5 可選用的鉆頭型號(hào)

以上3種型號(hào)的個(gè)性化PDC鉆頭的參數(shù)如表3所示。

表3 不同規(guī)格PDC鉆頭參數(shù)匯總

大量鉆井實(shí)踐表明，PDC鉆頭在泥巖含量高的地層易泥包，鉆頭的抗泥包性能是鉆頭選型的關(guān)鍵因素［15-16］。在玉北地區(qū)曾經(jīng)使用的5刀翼的MT1657鉆頭，2次鉆進(jìn)均出現(xiàn)鉆頭3個(gè)水眼堵塞，2個(gè)流道泥包，造成刀翼無(wú)法吃入地層，鉆頭在井底打滑，被迫提前起鉆。由圖5可知，4刀翼的鉆頭排泄槽比較寬大，同時(shí)包含6個(gè)水眼，在相同水力能量下能夠有效清洗地層和鉆頭，從而防止鉆頭泥包；此外，在相同鉆壓下，4刀翼鉆頭比5刀翼鉆頭和6刀翼鉆頭的攻擊性更強(qiáng)，在高塑性地層中能夠更好地吃入地層，有利于提高鉆井機(jī)械鉆速。因此，在沙井子組地層采用MD1646GU鉆頭更合理。

2.2.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況 為了驗(yàn)證新型鉆井提速工具——TorkBuster扭力沖擊器的實(shí)際效果。在玉北地區(qū)的5口井，采用扭力沖擊器做了實(shí)鉆試驗(yàn)。這5口井采用的鉆具組合和鉆井參數(shù)如表4所示。

表4 試驗(yàn)井的鉆具組合及鉆井參數(shù)

由表4可見(jiàn)，底部鉆具組合均采用的是單扶正器鐘擺鉆具，扶正器與鉆頭間接2根鉆鋌；采用的轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速范圍60～100 r/min，大部分工況采用的轉(zhuǎn)速為 60～75 r/min。

在B井沙井子組地層，用MT1657型鉆頭+扭力沖擊器鉆進(jìn)時(shí)，在轉(zhuǎn)速、排量和鉆井液密度均相同的情況下，鉆壓由8 t提高到12 t時(shí)，因鉆頭泥包機(jī)械鉆速由6.54 m/h降低到0.39 m/h。這說(shuō)明高的鉆壓可能促進(jìn)了鉆頭泥包，沙井組地層鉆壓不宜過(guò)高，鉆壓在8 t左右時(shí)鉆進(jìn)效率更優(yōu)。

在A井和B井5刀翼MT1657型鉆頭均出現(xiàn)了泥包，說(shuō)明該P(yáng)DC鉆頭流道結(jié)構(gòu)不太適合沙井子組地層。在E井用MD1646GU型鉆頭+扭力沖擊器鉆進(jìn)時(shí)，在鉆井液密度有所提高的情況下，機(jī)械鉆速達(dá)到11.83 m/h。這說(shuō)明4刀翼大排屑槽結(jié)構(gòu)的MD1646GU型鉆頭更適合沙井子地層的鉆進(jìn)。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，沙井子組地層扭力沖擊器鉆井的主要困難是鉆頭泥包，應(yīng)調(diào)整鉆井液性能，降低其失水，增強(qiáng)其潤(rùn)滑性，控制密度在1.35 g/cm3至1.53 g/cm3之間，鉆井液泵排量不低于30 L/s，以提高破巖效率，增加機(jī)械鉆速。

2.2.4 提速效果及對(duì)比分析 在A、B、C等5口井用扭力沖擊器和個(gè)性化PDC鉆頭進(jìn)行鉆井提速試驗(yàn)6回次，取得了較好的提速效果。其中，A井單趟鉆進(jìn)尺611 m，機(jī)械鉆速5.60 m/h；B井單趟鉆進(jìn)尺411 m，機(jī)械鉆速6.52 m/h，MT1657鉆頭基本沒(méi)有磨損，但有3個(gè)水眼堵塞，2個(gè)流道泥包；C井單趟鉆進(jìn)尺236.51 m和440.71 m，MD1646GU型鉆頭機(jī)械鉆速分別為11.83 m/h和7.97 m/h，扭力沖擊器鉆井的使用效果見(jiàn)表5。

表5 使用扭力沖擊器鉆井的機(jī)械鉆速

在沙井子組，沒(méi)有引入扭力沖擊器之前，牙輪鉆頭平均機(jī)械鉆速為1.325 m/h，平均進(jìn)尺為131.4 m，起鉆原因主要是由于牙輪鉆頭壽命較短；PDC+螺桿鉆進(jìn)時(shí)，平均機(jī)械鉆速為3 m/h，平均進(jìn)尺為471.7 m，起鉆原因主要是由于螺桿壽命和鉆遇火成巖；孕鑲PDC+渦輪鉆進(jìn)時(shí)，平均機(jī)械鉆速為2.15 m/h，平均進(jìn)尺為226.1 m，起鉆原因主要是由于鉆速慢和渦輪壽命到期。

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，扭力沖擊器的應(yīng)用使鉆速得到了明顯提高，與牙輪鉆頭相比，平均機(jī)械鉆速提高了384%；與PDC+螺桿鉆具相比，平均機(jī)械鉆速提高了114%；與孕鑲PDC+渦輪鉆具相比，平均機(jī)械鉆速提高了198%。

3 結(jié)論

（1）扭力沖擊器在新疆玉北地區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，該工具在深部難鉆地層中破巖效率較高，平均機(jī)械鉆速可提高2～3倍，克服了當(dāng)前超深井高強(qiáng)度塑性地層的鉆井難題，值得推廣應(yīng)用。

（2）應(yīng)根據(jù)地層特性，匹配合適的PDC鉆頭，選取合適鉆井參數(shù)，并及時(shí)調(diào)整鉆井液性能，采用較大排量，防止鉆頭泥包，以便充分發(fā)揮扭力沖擊器鉆井的優(yōu)勢(shì)。

（3）TorkBuster扭力沖擊器屬于進(jìn)口工具，使用費(fèi)用昂貴，應(yīng)加快其國(guó)產(chǎn)化，降低使用成本。

［1］ 張克勤，張金成，戴巍.西部深井超深井鉆井技術(shù)［J］.鉆采工藝，2010，32（1）：36-39.

［2］ 祝效華，湯歷平，孟蘋(píng)蘋(píng)，等.PDC鉆頭粘滑振動(dòng)機(jī)理分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（4）：13-16.

［3］ FEAR M J, ABBASSIAN F, PARFITT S H L, et al .The destruction of PDC bits by severe stick-slip vibration［R］.SPE/IADC 37639, 1997.

［4］ 李榮.川東地區(qū)應(yīng)用螺桿鉆具配金剛石鉆頭鉆井［J］.石油鉆采工藝，1995，17（5）：17-21.

［5］ 董明建.元壩124井超深井鉆井提速配套技術(shù)［J］.石油鉆探技術(shù)，2011，39（6）：23-26.

［6］ 楊世奇，薛敦松，蔡鏡侖，等.渦輪鉆井技術(shù)的新進(jìn)展［J］.石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002，26（3）：128-132.

［7］ 馮定.渦輪鉆具復(fù)合鉆井技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2007，29（3）：19-21.

［8］ 呂小平，李國(guó)興，王震宇，等.扭力沖擊器在鴨深1井志留系地層的試驗(yàn)應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2012，34（2）：99-101.

［9］ 王水，張敏，王錢(qián)社，等.TorkBuster扭力鉆井技術(shù)在青西白堊系現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用［J］.西部探礦工程，2012，9：81-82.

［10］ 李波.阿特拉扭力沖擊鉆井技術(shù)在元壩10井的應(yīng)用分析［J］.科技致富向?qū)В?011，（33）：295.

［11］ 孫明光，張?jiān)七B，馬德坤.適合多夾層地層PDC鉆頭設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.石油學(xué)報(bào)，2001，22（5）：95-99.

［12］ SNOR L A, POWERS J R, WARREN T M. The effect of PDC cutter density, back rake, size and speed on performance［C］.SPE 39306,1998:131-139.

［13］ 周祥林，張金成，張東清.TorkBuster扭力沖擊器在元壩地區(qū)的試驗(yàn)應(yīng)用［J］.鉆采工藝，2012，35（2）：15-17.

［14］ 高德利，張輝，潘起峰，等.流花油田地層巖石力學(xué)參數(shù)評(píng)價(jià)及鉆頭選型技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2006，28（2）：1-3.

［15］ 張金龍，于占國(guó)，吳志懷，等.鉆頭泥包原因及對(duì)策分析［J］.石油地質(zhì)與工程，2008，22（3）：97-98.

［16］ 趙佩華，朱春?jiǎn)?PDC鉆頭的水利設(shè)計(jì)和輪廓是減少泥包的關(guān)鍵［J］.國(guó)外石油機(jī)械，1997，8（5）：8-14.

（修改稿收到日期 2013-08-11）

Research on the torsion impact generator for speeding up drilling in deep formation of Yubei area

HOU Zixu1，JIA Xiaobin1，LI Shuanggui1，DENG Wenliang2，ZENG Dezhi2
（1. Sinopec Northwest Oilfield Company,Urumqi830000,China;2. State Key Lab of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu610500,China）

Due to the great burying depth, larger than 4000m, and hard Shajingzi formation with strong abrasiveness and poor drillability in Yubei area of Xinjiang Province, it is hard to speed up drilling operation, Previous practice shows that the cone bits have a poor impact on the Shajingzi formation and the conventional PDC bit has high anti-torque, so it is easy to produce “stick-slip” phenomenon.Finally, the rock breaking is inefficient. In order to improve the penetration rate and reduce the cost, TorkBuster torsion impact generator with a personalized PDC bit is recommended. The three drilling technologies, "PDC bit+screw drill tool", "diamond bit+turbine tool"and " torsion impact generator+PDC bit” , are discussed in the paper. The results show that torsion impact generator is more effective than other drilling technologies, with the average rate up to 6.42m/h, 200%-300% higher than earlier stage. The torsion impact generator overcomes the deep drilling problems in the high-strength plastic formations. It should be widely applied.

deep well drilling speed improvement; torsion impact generator; PDC bit; drilling parameter; field testing

侯子旭，賈曉斌，李雙貴，等.玉北地區(qū)深部地層扭力沖擊器提速工藝［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（5）：132-136.

TE242.7

：A

1000–7393（2013） 05–0132–05

國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：51004084）；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金（編號(hào)：20105121120002）聯(lián)合資助。

侯子旭，1959年生。2004年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）油氣井工程專(zhuān)業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程技術(shù)研究院副總工程師，從事超深井優(yōu)快鉆井技術(shù)研究工作，高級(jí)工程師。電話：0991-3161174。

〔編輯 薛改珍〕