渦輪鉆井技術(shù)在四川元壩區(qū)塊的應(yīng)用分析

胡家森，劉秋霞，喬立偉，向 進(jìn)，張 艷

（1．中石化西南石油工程公司　廣西鉆井分公司，南寧530023；2．深圳百勤石油技術(shù)有限公司，廣東　深圳518054；3．長江大學(xué)油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430100）

渦輪鉆井技術(shù)在四川元壩區(qū)塊的應(yīng)用分析

胡家森1，劉秋霞1，喬立偉1，向 進(jìn)2，張 艷3

（1．中石化西南石油工程公司廣西鉆井分公司，南寧530023；2．深圳百勤石油技術(shù)有限公司，廣東深圳518054；3．長江大學(xué)油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430100）

渦輪鉆具在國外已經(jīng)是成熟的鉆井提速工具，而在國內(nèi)使用受到諸多限制，尤其受設(shè)備泵壓條件的限制，還沒有形成工業(yè)化應(yīng)用。川東北元壩區(qū)塊的地層巖性以石英砂巖夾雜頁巖為主，石英含量高，地層研磨性強(qiáng)，可鉆性差，長期以來主要使用牙輪鉆頭，鉆井速度較低，鉆井周期長，制約了該區(qū)油氣開發(fā)的速度。分析了渦輪鉆具在該區(qū)塊的使用效果、存在問題，證明渦輪鉆具在川東北地區(qū)具有提速、提效的作用。在設(shè)備允許的條件下，建議將渦輪鉆井系統(tǒng)作為目前提高川東北元壩地區(qū)地層機(jī)械鉆速的有效技術(shù)。

渦輪鉆井；川東北；應(yīng)用分析

川東北地區(qū)沙溪廟、千佛崖、自流井組的地層巖性以石英砂巖夾雜頁巖為主，石英含量高，地層研磨性強(qiáng)，可鉆性差。長期以來，其鉆進(jìn)以常規(guī)鉆井技術(shù)為主，鉆井速度較低，自流井組、須家河組地層開發(fā)難度極大，平均機(jī)械鉆速0．7m／h左右，鉆井周期長，制約了該區(qū)油氣開發(fā)的速度［1］。為了提高該地區(qū)的機(jī)械鉆速，各鉆井公司引進(jìn)了欠平衡鉆井技術(shù)、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)、PDC配合高效螺桿鉆井技術(shù)、渦輪鉆井技術(shù)等，使用效果各有特色，也各有不足，為提高該地區(qū)的機(jī)械鉆速提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。元壩××井在沙溪廟、千佛崖、自流井組地層使用了渦輪鉆井技術(shù)，該技術(shù)能給鉆頭提供強(qiáng)的動力，具有在高溫下長時(shí)間工作和提高機(jī)械鉆速的特點(diǎn)，取得了明顯的效果，但也存在一些問題。

1 元壩××井的基本情況

該井所處地質(zhì)構(gòu)造為四川盆地川東北巴中低緩構(gòu)造帶元壩區(qū)塊長興組④號礁帶，自流井組主要為黑色、灰黑色頁巖與灰色、黑灰色粉砂質(zhì)泥巖互層，夾淺灰色細(xì)粒石英砂巖、深灰色含泥質(zhì)粉砂巖，底部為雜色礫巖、砂礫巖。須家河組主要為灰色粉砂質(zhì)泥巖、砂巖，夾薄層灰白色含礫粗砂巖、灰色泥巖、灰色灰質(zhì)細(xì)砂巖，少量碳質(zhì)泥巖。地層可鉆性差，巖石顆粒中砂-粉砂，地層耐研磨，且存在泥巖、頁巖夾層，機(jī)械鉆速較低，須家河組平均機(jī)械鉆速0．7m／h左右［2］。從已鉆井相同井段鉆井情況分析，須二段可鉆性差，研磨性高，泥頁巖易剝落掉塊，存在井壁坍塌等井下復(fù)雜情況。根據(jù)元壩××井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如表1）及地質(zhì)情況，計(jì)劃施工井段采用渦輪鉆具：三開井段3 200～4 817m（進(jìn)尺1 617m）。

表1 元壩××井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

2 元壩××井使用渦輪鉆井效果分析

2．1 渦輪鉆井過程分析

2012-05-27 T 17∶00∶00，該井第1次下入渦輪鉆具，至2012-07-26 T14∶30∶00第4次渦輪鉆具出井，起下鉆4趟，跨時(shí)62 d，進(jìn)尺701．49m，純鉆時(shí)間429．75 h，平均機(jī)械鉆速1．63m／h。具體使用情況：

1） 第一趟。2012-05-27 T17∶00∶00組裝、測試完渦輪鉆具后下鉆，下鉆過程中分段循環(huán)、頂通。下鉆至3 145．00m遇阻，劃眼至井底3 166m。井底造型1 h后（鉆壓10～30 k N，排量43 L／s，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速50 r／min，泵壓25mPa，轉(zhuǎn)矩6～7 k N·m）。逐步調(diào)整至正常鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓100～120 k N，排量43 L／s，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速50 r／min，泵壓25～26mPa，轉(zhuǎn)矩6～7 k N·m。正常鉆進(jìn)至井深3 388．74m遇卡，在原懸重1 600 k N的基礎(chǔ)上提至1 750 k N解卡；鉆進(jìn)至井深3 394．64m，再次遇卡，上提至2 050 k N（原懸重1 600 k N）解卡；繼續(xù)鉆進(jìn)至井深3 402．41m，第3次遇卡，上提至1 950 k N解卡（原懸重1 600 k N）；鉆進(jìn)至井深3 404．04m，第4次遇卡，上提至2 200 k N解卡（原懸重1 600 k N）。由于井壁不穩(wěn)，產(chǎn)生大量掉塊，造成鉆頭掉塊硬卡。鉆進(jìn)至井深3 469．91m起鉆。

2） 第二趟。2012-06-11 T14∶30∶00渦輪鉆具入井，下鉆至3 438．00m遇阻，劃眼到底。對井底造型后逐步增加至鉆進(jìn)鉆參數(shù)：鉆壓90～120 k N，排量41 L／s，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速40 r／min，泵壓25～26mPa，轉(zhuǎn)矩6～7 k N·m。為井下安全起見，改為鉆進(jìn)過程中接單根鉆進(jìn)，避免接立柱活動范圍過小。鉆進(jìn)至井深3 693．45m時(shí)，轉(zhuǎn)矩和泵壓發(fā)生異常，轉(zhuǎn)矩由6～7 k N·m上升至14 k N·m，泵壓由25．5mPa上升至25．9mPa，判斷鉆頭制動。上提遇阻，下放遇卡，開頂驅(qū)轉(zhuǎn)速20～50 r／min，懸重在1 550～2 200 k N（原懸重1 550 k N）之間活動鉆具，蹩停頂驅(qū)多次后解卡，劃眼兩次恢復(fù)鉆進(jìn)。井壁不穩(wěn)，掉塊多，造成硬卡，鉆進(jìn)至井深3 711．68m，出于井下安全考慮，決定起出渦輪鉆具，下牙輪鉆頭鉆進(jìn)，同時(shí)調(diào)整泥漿性能。起鉆完后采取三牙輪鉆頭鉆進(jìn)至井深3 843．76m，并逐漸調(diào)整泥漿性能。

3） 第三趟。2012-07-09 T2∶30∶00渦輪鉆具入井，下鉆至3 223m遇阻，劃眼至3 230m遇卡，頂驅(qū)未蹩停，判斷為鉆頭卡鉆，停頂驅(qū)，上提至懸重2 050 k N（原懸重1 450 k N）解卡，劃眼至井底3 843．76m后進(jìn)行井底造型0．5 h。逐步增大鉆壓鉆進(jìn)：鉆壓90～140 k N，排量36～37 L／s，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速40～50 r／min，泵壓27．5～28．5mPa，轉(zhuǎn)矩6～8 k N·m。鉆進(jìn)至井深3 930．24m，鉆時(shí)變慢，且本趟鉆下鉆過程中，進(jìn)行了長時(shí)間的劃眼，掉塊排不盡，決定起鉆檢查渦輪鉆具與孕鑲鉆頭。起鉆完后采取三牙輪鉆頭鉆進(jìn)至井深3 943．96m。

3） 第三趟。2012-07-09 T2∶30∶00渦輪鉆具入井，下鉆至3 223m遇阻，劃眼至3 230m遇卡，頂驅(qū)未蹩停，判斷為鉆頭卡鉆，停頂驅(qū)，上提至懸重2 050 k N（原懸重1 450 k N）解卡，劃眼至井底3 843．76m后進(jìn)行井底造型0．5 h。逐步增大鉆壓鉆進(jìn)：鉆壓90～140 k N，排量36～37 L／s，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速40～50 r／min，泵壓27．5～28．5mPa，轉(zhuǎn)矩6～8 k N·m。鉆進(jìn)至井深3 930．24m，鉆時(shí)變慢，且本趟鉆下鉆過程中，進(jìn)行了長時(shí)間的劃眼，掉塊排不盡，決定起鉆檢查渦輪鉆具與孕鑲鉆頭。起鉆完后采取三牙輪鉆頭鉆進(jìn)至井深3 943．96m。

4） 第四趟。2012-07-20 T19∶00∶00渦輪鉆具入井，下鉆至井深3 936．06m遇阻劃眼至井底3 943．96m。井底造型半小時(shí)至井深3 944．26m，逐步增加鉆壓鉆進(jìn)：鉆壓11．0～13．0 k N，排量33～35 L／s，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速40 r／min，泵壓28～28．5mPa，轉(zhuǎn)矩6～9 k N·m。正常鉆進(jìn)至井深4 006．32m，泥漿泵發(fā)生刺漏，立壓由28mPa下降至16mPa，上提鉆具準(zhǔn)備倒泵過程中遇阻，轉(zhuǎn)矩由7～8 k N·m上升至14 k N·m，頂驅(qū)未蹩停，鉆頭被掉塊硬卡。多次上下活動鉆具，上提至2 200～2 500 k N（原懸重1 600 k N），解卡。鉆進(jìn)至井深4 013．29m，鉆井液失返，起鉆4柱至井深3 906．63m堵漏，循環(huán)無漏失，井下正常后起鉆。

2．2 渦輪鉆井進(jìn)尺分析

元壩××井使用渦輪鉆井共4趟，進(jìn)尺701．49m，平均機(jī)械鉆速1．63m／h。第一趟渦輪鉆井共計(jì)進(jìn)尺303．91m，純鉆時(shí)間179 h，平均機(jī)械鉆速1．7m／h；第二趟渦輪鉆井共計(jì)進(jìn)尺241．77m，純鉆130 h，平均機(jī)械鉆速1．86m／h；第三趟渦輪鉆井共計(jì)進(jìn)尺86．48m，純鉆時(shí)間61 h，平均機(jī)械鉆速1．42m／h；第四趟渦輪鉆井共計(jì)進(jìn)尺69．33m，純鉆時(shí)間59．75 h，平均機(jī)械鉆速1．16m／h，具體情況如表2。

表2 元壩××井渦輪鉆井進(jìn)尺對比數(shù)據(jù)

2．3 渦輪鉆井參數(shù)分析

設(shè)計(jì)要求本井段的鉆進(jìn)參數(shù)為：鉆壓120～200 kN，鉆速60～100 r／min，排量36～48 L／min。實(shí)際鉆井施工的鉆進(jìn)參數(shù)如表3。

表3 元壩××井渦輪鉆井參數(shù)

2．4 渦輪鉆井鉆井液性能分析

本井在該井段使用的鉆井液性能基本按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行維護(hù)，鉆井液性能設(shè)計(jì)和實(shí)際對比如表4，每趟鉆具體的鉆井液性能如表5。

表4 元壩××井渦輪鉆井鉆井液性能設(shè)計(jì)與實(shí)際對照數(shù)據(jù)

表5 元壩××井渦輪鉆井各趟鉆鉆井液性能對照

2．5 渦輪鉆井鉆頭使用分析

2．5．1 孕鑲金剛石鉆頭使用情況

本井采用渦輪鉆井四趟起下鉆共使用了3只孕鑲金剛石鉆頭，第三趟起出的鉆頭磨損小，在第四趟鉆中繼續(xù)使用。使用前后對比如圖1～6所示，總體上磨損不大。

圖1 使用前俯視圖

圖2 使用前側(cè)視圖

圖3 使用后俯視圖　A

圖4 使用后俯視圖B

圖5 使用后俯視圖C

圖6 使用后側(cè)視圖

2．5．2 孕鑲金剛石鉆頭與三牙輪鉆頭使用對比

元壩××井自三開開鉆至使用渦輪鉆井結(jié)束，鉆進(jìn)井段：3 146．00～4 013．29m，共使用三牙輪鉆頭5只和孕鑲金剛石鉆頭4只，其中，型號為H JT537 G K的三牙輪鉆頭4只，型號為H JT617 G的三牙輪鉆頭1只，均產(chǎn)自江漢鉆頭廠；型號為K705BP X X C的孕鑲金剛石鉆頭1只，廠家Smith，型號為D D3540m的孕鑲金剛石鉆頭3只，廠家N O V。5只三牙輪鉆頭共進(jìn)尺165．80m，純鉆時(shí)間230．75 h，平均機(jī)械鉆速0．72m／h；4只孕鑲金剛石鉆頭共進(jìn)尺701．49m，純鉆時(shí)間429．76 h，平均機(jī)械鉆速1．63m／h。二者相比之下，使用渦輪鉆井的平均機(jī)械鉆速比常規(guī)鉆井高出1．26倍，具體的使用數(shù)據(jù)如表6所示。

從起出鉆頭磨損情況看，該段使用的三牙輪鉆頭因地層的影響，磨損程度相差很大，在相對軟地層的下沙溪廟組以及自流井組上部地層，鉆頭磨損不大；在相對硬地層鉆進(jìn)的三牙輪鉆頭磨損大，有掉牙輪的危險(xiǎn)。孕鑲金剛石鉆頭磨損不大，對井下安全大有保障，使用牙輪鉆頭磨損大，有的牙輪牙齒磨損殆盡，如圖7～8所示。

表6 元壩××井牙輪鉆頭與孕鑲金剛石鉆頭使用對比

圖7 牙輪鉆頭使用后磨損情況　A

圖8 牙輪鉆頭使用后磨損情況B

3 存在問題及認(rèn)識

通過上述各種參數(shù)的分析，渦輪鉆井在元壩××井的使用仍有很大的發(fā)展空間，與川東北其他在該地層使用渦輪鉆井的完成井相比，仍有一定的差距，如表7所示。

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際的施工情況，造成元壩××井平均機(jī)械鉆速相對較低的原因：

表7 元壩××井與川東北井同地層渦輪使用對比

1） 本井所使用的泥漿泵老化跡象嚴(yán)重，排量未能滿足渦輪鉆井所需排量要求，設(shè)計(jì)40～41 L／s，實(shí)際33～38 L／s，多數(shù)時(shí)候?yàn)?3～35 L／s，制約了渦輪功率的輸出，降低了機(jī)械鉆速；同時(shí)，由于鉆進(jìn)過程中要求的泵壓相對較高，高泵壓對泥漿泵的損害大，施工過程中泥漿泵出現(xiàn)問題多，大量的時(shí)間耗費(fèi)在維護(hù)泥漿泵的正常運(yùn)行上［3］。再者，泥漿泵的頻繁刺漏影響純鉆時(shí)效，在非生產(chǎn)時(shí)效中，維修泥漿泵所占的比例最大，這也是影響純鉆時(shí)效的主要因素。

2） 鉆進(jìn)過程中，四趟鉆均出現(xiàn)了井下卡鉆的情況，泥漿性能不穩(wěn)定，掉塊較多，發(fā)生卡鉆頭、卡扶正器等復(fù)雜情況。有害固相含量過高，導(dǎo)致鉆頭在井底重復(fù)性研磨，損失了一定的機(jī)械鉆速。下沙溪廟組、千佛崖組的機(jī)械鉆速較高，這主要是因?yàn)橄律诚獜R組、千佛崖組的可鉆性要好于自流井組且在該層位鉆進(jìn)時(shí)鉆井液的密度較低，大部分時(shí)間密度維持在1．35～1．66 g／cm3。此外，在低密度下，能夠給渦輪鉆具提供更高的排量，使得渦輪的轉(zhuǎn)速更高，能更好地研磨地層。自流井泥漿密度較高，井底壓持效應(yīng)較大，造成鉆頭重復(fù)性破巖，在一定程度上降低了機(jī)械鉆速［4］。

3） 起下鉆過程中，由于液壓鉗、液壓站等設(shè)備存在問題，造成起下鉆時(shí)間過長。調(diào)整泥漿性能，造成井壁不穩(wěn)，憋、卡鉆頭、扶正器等情況的發(fā)生迫使進(jìn)行劃眼、循環(huán)作業(yè)；司鉆第一次接觸渦輪，不熟悉，頻繁造成渦輪制動迫使上提鉆具劃眼等因素也造成了純鉆時(shí)效低。

4） 倒電、地質(zhì)循環(huán)等作業(yè)也是造成純鉆時(shí)效低的因素。

5） 盡管受泥漿泵條件限制，難以達(dá)到渦輪鉆井所需的排量，但與常規(guī)鉆井方式平均機(jī)械鉆速0．7m／h左右相比，渦輪鉆具的使用還是有很大提高，體現(xiàn)出渦輪鉆具提速、提效的成果。

4 結(jié)論

1） 開鉆前要認(rèn)真分析渦輪成功使用的必備條件，做好所用鉆機(jī)是否合適渦輪鉆井的可行性分析，重點(diǎn)了解泥漿泵、固控設(shè)備、參數(shù)儀等的工作情況，把渦輪成功鉆進(jìn)的關(guān)鍵性問題理清理順。高速渦輪鉆具將水力功率轉(zhuǎn)換為機(jī)械旋轉(zhuǎn)功率，保證工具本身足夠的壓力降是工具發(fā)揮優(yōu)勢的前提［5］。因此，鉆井設(shè)備及地面必須滿足30mPa及以上的泵壓條件這一最低要求，不能滿足的，建議鉆井公司改善設(shè)備，保證泥漿泵、高壓管線、固控等設(shè)備滿足渦輪鉆井要求。

2） 渦輪鉆具入井之前第一趟鉆應(yīng)使用牙輪鉆頭，鉆具中加裝隨鉆打撈杯，若返出巖屑較大且有掉塊現(xiàn)象，應(yīng)繼續(xù)鉆進(jìn)并鉆穿不穩(wěn)定地層。

3） 下鉆過程中，無論鉆具中有無止回閥，每下鉆25～30立柱開泵灌滿鉆井液，灌漿排量應(yīng)小于正常排量的60%，灌滿起壓后，繼續(xù)循環(huán)1～2min排除氣體與雜質(zhì)。任何時(shí)候開泵都必須使用鉆桿濾清器，以防渦輪鉆具和鉆頭水眼堵塞［6］。下鉆過程中，長時(shí)間大排量劃眼對渦輪的使用壽命影響大，因此，劃眼時(shí)要適當(dāng)降低排量，以不得超過正常鉆進(jìn)排量的2／3為宜。

4） 鉆進(jìn)過程中，一般每鉆進(jìn)200m短起下1次，根據(jù)井眼情況調(diào)整起下鉆次數(shù)。鉆進(jìn)中需停泵時(shí)，應(yīng)先上提鉆具不少于6m，以防止巖屑下沉而卡住鉆頭或渦輪鉆具，同時(shí)加強(qiáng)活動鉆具，井內(nèi)鉆具靜止時(shí)間不能超過3min。

5） 根據(jù)井下情況及時(shí)調(diào)整鉆井液性能，超出設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的泥漿性能參數(shù)及時(shí)與甲方溝通，注意和加強(qiáng)清潔設(shè)備的使用，保證井下安全。

6） 從元壩××井的實(shí)踐證明，常規(guī)鉆井方式在川東北元壩區(qū)塊自流井、須家河地層中鉆時(shí)慢、起下鉆換鉆頭頻繁，控壓鉆井技術(shù)不適合該地層，渦輪鉆具配合孕鑲金剛石鉆頭是該地區(qū)自流井、須家河地層提速的有效手段［7-8］。建議元壩地區(qū)自流井、須家河地層大面積地使用渦輪鉆井技術(shù)。該技術(shù)在川東北元壩地區(qū)高硬、高研磨性、可鉆性差的地層可以有效地提高鉆速，縮短鉆井周期，具有廣泛的應(yīng)用前景。

7） 為了充分發(fā)揮渦輪鉆井系統(tǒng)的優(yōu)勢，提高研磨性強(qiáng)、可鉆性差地層的鉆井速度，加快勘探開發(fā)速度，應(yīng)加快推廣渦輪鉆井技術(shù)，盡快完善該技術(shù)的一系列措施，使其成為川東北深部地層優(yōu)快鉆井的主要技術(shù)手段。

8） 目前，租用國外渦輪鉆井系統(tǒng)費(fèi)用較高，國內(nèi)雖已對渦輪鉆具開展研究，但是其性能與國外相比還有差距。為降低鉆井成本，提高應(yīng)用效率，國內(nèi)應(yīng)繼續(xù)加大對渦輪鉆井系統(tǒng)性能的研究，加快達(dá)到國際化水平的步伐。

［1］ 陳天成，白彬珍．渦輪鉆井技術(shù)適應(yīng)性分析與應(yīng)用探析［J］．鉆采工藝，2010，33（6）：1-5．

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［7］ 趙寧．新型渦輪鉆具在深井中的應(yīng)用［J］．石油鉆采工藝，2004，26（3）：40-41．

［8］ 成海，鄭衛(wèi)建，夏彬．國內(nèi)外渦輪鉆具鉆井技術(shù)及其發(fā)展趨勢［J］．石油礦場機(jī)械，2008，37（4）：28-31．

Analysis of Turbo Drilling Technology Applied in Sichuan Guangyuan Block

H U Jiasen1，LIU Qiuxia1，QIA O Liwei1，XIA N G Jin2，Z H A N G Yan2
（1．Guangxi Drilling Com pany，South west PetroleumEngineering Com pany，N anning530023，China；2．Shenzhen Petro-king Technology Co．，Ltd．，Shenzhen518054，China；3．H ubei Province Key Laboratory of Oil and Gas Drilling Engineering，Yangtze University，W uhan430100，China）

T urbo drillis fast drilling toolsmature in abroad，w hile its use is quite restricted in China，especially by equipment pump pressure conditions，but also the industrial application has not been formed．Formation lithology in G uangyuan in N ortheast Sichuan block using the inclusion of quartz sandstone shale，quartz contentis high，the formation of grinding resistance，poor drill ability，long-term since themain use of roller bit，drilling speed is low，long drilling cycle，restricting the area of oil and gas development speed．T he turbine drill in the block use effect and existin gproblem are analyzed to prove the turbo drill with speed and efficiency in N ortheast Sichuan area effect．In the permit conditions，suggestions are given to turbine drilling system as an effective technology at G uangyuan in N ortheast Sichuan area to increase formationmechanical drilling speed．

turbo drilling；northeastern Sichuan；application analysis

T E921．207

B

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．05．019