塔里木泛哈拉哈塘地區(qū)扭力沖擊鉆井技術(shù)

程天輝王維韜王樹(shù)超

1. 渤海鉆探工程有限公司塔里木鉆井分公司；2. 重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院

塔里木泛哈拉哈塘地區(qū)扭力沖擊鉆井技術(shù)

程天輝1王維韜2王樹(shù)超1

1. 渤海鉆探工程有限公司塔里木鉆井分公司；2. 重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院

針對(duì)塔里木泛哈拉哈塘地區(qū)油氣藏埋藏深，二開(kāi)裸眼段長(zhǎng)，深部地層研磨性強(qiáng)，軟硬交錯(cuò)，鉆頭吃入地層效果差，PDC鉆頭失效快，鉆井機(jī)械鉆速以及中標(biāo)費(fèi)用低等特點(diǎn)和難點(diǎn)，引進(jìn)扭力沖擊鉆井技術(shù)，力求通過(guò)高效破巖技術(shù)提高機(jī)械鉆速、降低成本。2012—2015年進(jìn)行了36口井試驗(yàn)與應(yīng)用，結(jié)果表明，試驗(yàn)與應(yīng)用井段平均機(jī)械鉆速達(dá)到5.74 m/h，是轉(zhuǎn)盤鉆井技術(shù)的2倍以上，是復(fù)合鉆井技術(shù)的1倍以上，平均單井縮短鉆井周期25.87 d，提速效果和經(jīng)濟(jì)效益顯著，為塔里木臺(tái)盆區(qū)深井、超深井鉆井提速降本提供技術(shù)支持。

泛哈拉哈塘地區(qū)；扭力沖擊鉆井；深部地層；破巖工具；鉆井提速

泛哈拉哈塘地區(qū)主要包括哈拉哈塘、金躍、躍滿、熱普等區(qū)塊，是塔里木油田油氣勘探開(kāi)發(fā)的重要區(qū)域之一。該地區(qū)油氣藏埋藏深度超過(guò)7 000 m，二開(kāi)裸眼段長(zhǎng)5 500 m以上，深部地層研磨性強(qiáng)，軟硬交錯(cuò)，具有鉆頭吃入地層效果差，PDC鉆頭失效快、壽命短，鉆井機(jī)械鉆速低以及低油價(jià)導(dǎo)致的投資減少，中標(biāo)周期短費(fèi)用低等特點(diǎn)和難點(diǎn)。為了加快鉆井速度，降低成本，在泛哈拉哈塘地區(qū)引進(jìn)了扭力沖擊鉆井技術(shù)［1-9］，力求通過(guò)高效破巖技術(shù)有效地消除PDC鉆頭在深井、超深井等難鉆地層的黏滑效應(yīng)，提高PDC鉆頭破巖的機(jī)械鉆速，延長(zhǎng)鉆頭的使用壽命，實(shí)現(xiàn)深井、超深井安全、優(yōu)質(zhì)、快速鉆井。

1 地層性質(zhì)

Stratigraphic characteristics

泛哈拉哈塘地區(qū)整體是在前震旦變質(zhì)基底上形成的長(zhǎng)期發(fā)育的巨型古隆起，發(fā)育震旦系至泥盆系海相沉積地層、石炭系至二疊系海陸交互相沉積地層和三疊系至第四系陸相沉積地層。三疊系（T）主要以灰、深灰色泥巖為主，間夾灰色細(xì)砂巖、粉砂巖及薄層泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖。二疊系（P）主要以灰、深灰色凝灰?guī)r及深灰色玄武巖為主，與砂泥巖互層。石炭系（C）主要為兩套褐灰色厚層泥晶灰?guī)r夾一套灰色中厚層泥巖。泥盆系（D）以淺灰色細(xì)砂巖及灰色細(xì)砂巖與褐色泥巖互層。志留系（S）以深灰、褐灰色含瀝青、瀝青質(zhì)細(xì)砂巖及淺灰、灰色細(xì)砂巖為主，間夾薄層灰綠及灰紫色泥巖，底部發(fā)育一套巨厚層狀泥巖。二疊系至志留系地層是制約鉆井速度的主要井段。

2 扭力沖擊鉆井技術(shù)

Torsion-impact drilling technology

扭力沖擊鉆井技術(shù)是依靠轉(zhuǎn)盤扭轉(zhuǎn)力和扭力沖擊發(fā)生器的扭轉(zhuǎn)沖擊力的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，共同驅(qū)動(dòng)PDC鉆頭破巖，提高PDC鉆頭破巖效率的一種鉆井技術(shù)。

2.1 扭力沖擊發(fā)生器

Torque generator

扭力沖擊發(fā)生器是一種純機(jī)械動(dòng)力工具，抗溫210 ℃以上（圖1）。在鉆進(jìn)時(shí)扭力沖擊發(fā)生器的特殊結(jié)構(gòu)將鉆柱內(nèi)流動(dòng)的鉆井液能量轉(zhuǎn)換成扭轉(zhuǎn)、高頻、均勻穩(wěn)定且足夠的機(jī)械沖擊能量并直接傳遞給PDC 鉆頭，以實(shí)現(xiàn)瞬間沖擊破巖，就相當(dāng)于PDC 鉆頭750～1 500次/min切削地層，這就使鉆頭不需要等待積蓄足夠的能量就可以連續(xù)切削地層，從而克服PDC鉆頭的黏滑效應(yīng)，提高機(jī)械鉆速，同時(shí)還具有延長(zhǎng)鉆頭壽命的特點(diǎn)。

圖1 扭力沖擊發(fā)生器Fig. 1 Torque generator

2.2 扭力沖擊發(fā)生器專用PDC鉆頭

PDC bit dedicated to torque generator

扭力沖擊發(fā)生器產(chǎn)生高頻周向振動(dòng)，瞬時(shí)周向線速度非常大，常規(guī)PDC鉆頭并不適應(yīng)此工具的工作特性，甚至?xí)焖偈?。這就對(duì)配套的PDC鉆頭提出了新的要求，要求其具有良好的耐磨性和非常高的抗沖擊性。從胎體形狀，布齒方式，布齒數(shù)目，齒的選材與形態(tài)（直徑、仰角等）都需要進(jìn)行全新設(shè)計(jì)，所以在使用扭力沖擊發(fā)生器時(shí)必須使用與之相配套的專用PDC鉆頭（圖2），才能獲得理想的提速效果和經(jīng)濟(jì)效益。

圖2 扭力沖擊發(fā)生器專用PDC鉆頭Fig. 2 PDC bit dedicated to torque generator

2.3 技術(shù)特點(diǎn)

Technical characteristics

常規(guī)鉆井方式對(duì)于高研磨性、高硬度、高塑性、非均質(zhì)地層的鉆進(jìn)效率很低，甚至可能導(dǎo)致鉆具失效，在深井情況下往往造成頻繁起下鉆，浪費(fèi)鉆井成本。

扭力沖擊發(fā)生器可以消除鉆頭黏滑現(xiàn)象，減少反沖扭力，減少鉆柱上的扭力振蕩，增加了周期性回轉(zhuǎn)振動(dòng)，改良了傳統(tǒng)牙輪鉆頭和PDC鉆頭常規(guī)鉆井的方法，使PDC鉆頭鉆進(jìn)更適應(yīng)堅(jiān)硬的巖層，因而扭力沖擊鉆井技術(shù)在高研磨性、高硬度、高塑性、非均質(zhì)地層中有較快的機(jī)械鉆速，鉆頭的耐久性和壽命也得到了提高。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

Field test

3.1 哈15-19井

Well Ha 15-19

（1）應(yīng)用井段：5 005～6 226 m。

（2）鉆具組合：?241.3mmPDC鉆頭+?197 mm扭力沖擊器+?177.8 mm無(wú)磁鉆鋌×9.2 m + ?177.8 mm螺旋鉆鋌×9.46 m + ?239 mm螺旋穩(wěn)定器×1.56 m+?177.8 mm鉆鋌×132.75 m +?127 mm 加重鉆桿×85.14 m+?127 mm非標(biāo)斜坡鉆桿。

（3）鉆井參數(shù)：鉆壓120～140 kN，排量33 L/s，立壓15～17 MPa，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速60 r/min。

（4）鉆井液性能：密度1.27 g/cm3，黏度47 s，初/終切2/6 Pa。

3.2 熱普301-4井

Well Repu 301-4

（1） 應(yīng)用井段：4 991～6 701 m。

（2）鉆具組合：?241.3 mmPDC鉆頭+ ?197 mm扭力沖擊器+?178 mm鉆鋌×57.2 m +?241.3 mm螺旋穩(wěn)定器×1.57 m +?177.8 mm無(wú)磁鉆鋌×8.57 m+?178 mm鉆鋌×102.28 m + ?127 mm 加重鉆桿×85.13 m+?127 mm 斜坡鉆桿×4 100 m+?139.7 mm斜坡鉆桿。

（3）機(jī)械參數(shù)：鉆壓120～140 kN，排量30～32 L/ s，立壓15～17 MPa，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速60～70 r/min。

（4）鉆井液性能：密度1.26 g/cm3，黏度51～53 s，塑性黏度20 mPa·s，初/終切2/9 Pa。

3.3 工具操作技術(shù)

Tool operating technology

（1）入井前準(zhǔn)備。①了解試驗(yàn)井的基本情況：地層特性、復(fù)雜情況、鉆頭情況、機(jī)械鉆速、鉆井液參數(shù)等；②鉆井液含砂量小于0.3%和固相含量小于15%，鉆井液密度不大于1.40 g/cm3；③根據(jù)工具的尺寸，準(zhǔn)備相應(yīng)的打撈工具。

（2）入井前測(cè)試操作。①上扣時(shí)必須在工具上端小徑端，禁止其他位置使用大鉗，工具緊扣扭矩參考數(shù)據(jù)表；②鉆桿中必須使用濾子，保證工具內(nèi)部無(wú)雜物進(jìn)入；③泵排量28～34 L/s，記錄工具壓耗情況。

（3）井下造型操作。①確保井眼通暢，下鉆過(guò)程防止出現(xiàn)大段劃眼，保證一次下至井底；②距離井底10～20 m開(kāi)泵，先大排量循環(huán)一周，避免鉆頭直接接觸井底或井底沉砂，防止堵塞水眼；③檢查泵壓、排量是否正常，如果正常則繼續(xù)下鉆，禁止低排量情況下接觸井底；④造型參數(shù)：轉(zhuǎn)速50～60 r/min、鉆壓20～40 kN，造型長(zhǎng)度1 m。

（4）鉆進(jìn)操作。①造型后恢復(fù)正常鉆進(jìn)參數(shù)，鉆壓80～160 kN，轉(zhuǎn)速50～70 r/min，排量28～32 L/s；②在鉆進(jìn)過(guò)程中，根據(jù)地層情況適當(dāng)調(diào)整鉆井參數(shù)，確定工具的最優(yōu)工作參數(shù)；③根據(jù)地層數(shù)據(jù)、鉆井參數(shù)，判斷工具和鉆頭的工作情況；④定時(shí)觀察返出巖屑，是否有大量掉塊、脫落、鐵屑、石英等復(fù)雜情況，并注意觀察鉆井參數(shù)；⑤精心平穩(wěn)操作，防止頓、溜鉆，均勻送鉆。

（5）井下復(fù)雜及處理。①鉆頭磨損的表現(xiàn)特征是機(jī)械鉆速持續(xù)變慢，轉(zhuǎn)盤扭矩變大，應(yīng)立即起鉆換鉆頭；②憋壓得表現(xiàn)特征是井下壓耗增大，機(jī)械鉆速變慢后穩(wěn)定，應(yīng)立即起鉆換工具；③鉆具井下刺穿，立即起鉆換刺穿工具；④斷鉆具，立即起鉆打撈落魚(yú)；⑤如中途遇阻，需要進(jìn)行劃眼作業(yè)，參數(shù)：鉆壓0～10 kN，轉(zhuǎn)速40～50 r/min，排量22～25 L/min。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

Experimental result analysis

4.1 哈15-19井

Well Ha 15-19

哈15-9井二開(kāi)進(jìn)入白堊系后使用1套扭力沖擊器，試驗(yàn)井段5 005～6 226 m，進(jìn)尺1 221 m，平均機(jī)械鉆速8.66 m/h，創(chuàng)哈15區(qū)塊最快機(jī)械鉆速紀(jì)錄，比鄰井常規(guī)轉(zhuǎn)盤鉆井技術(shù)平均提速348.7%，比鄰井復(fù)合鉆井技術(shù)平均提速174 %。二開(kāi)用時(shí)60.04 d鉆至中完井深6 556 m，對(duì)比鄰井節(jié)約30.21～78.38 d，創(chuàng)造哈15區(qū)塊二開(kāi)最快鉆井周期記錄（見(jiàn)表1）。

表1 哈15-19井與鄰井機(jī)械鉆速周期對(duì)比Table 1 Comparison of ROP and drilling period between Well Ha 15-19 and its neighboring wells

4.2 熱普301-4井

Well Repu 301-4

熱普301-4井二開(kāi)進(jìn)入二疊系后下入2套扭力沖擊器，試驗(yàn)井段4 991～6 701 m，單套工具進(jìn)尺1267 m，純鉆時(shí)間178 h，機(jī)械鉆速達(dá)到7.11 m/h，創(chuàng)熱普區(qū)塊最快機(jī)械鉆速紀(jì)錄。2套扭沖工具平均機(jī)械鉆速達(dá)到6.51 m/h，與鄰井常規(guī)轉(zhuǎn)盤鉆井技術(shù)對(duì)比平均提速261%，與鄰井復(fù)合鉆井技術(shù)對(duì)比平均提速102.8%。二開(kāi)用時(shí)49 d鉆至中完井深7 049 m，對(duì)比鄰井節(jié)約40.79～70.25 d （見(jiàn)表2）。

4.3 應(yīng)用效果

Application result

扭力沖擊鉆井技術(shù)攻克了二疊系玄武巖，實(shí)現(xiàn)一趟鉆穿越三疊系、二疊系、石炭系、泥盆系和志留系等5套層系進(jìn)入奧陶系中完，減少了起下鉆時(shí)間，節(jié)約了鉆頭成本。

表2 熱普301-4井與鄰井機(jī)械鉆速周期對(duì)比Table 2 Comparison of ROP and drilling period between Well Repu 301-4 and its neighboring wells

2012—2015年通過(guò)36口井試驗(yàn)與應(yīng)用，結(jié)果表明，泛哈拉哈塘地區(qū)應(yīng)用扭力沖擊鉆井技術(shù)鉆進(jìn)井段平均機(jī)械鉆速達(dá)到5.74 m/h，行程鉆速3.22 m/h，與常規(guī)轉(zhuǎn)盤鉆井技術(shù)對(duì)比平均提速2倍以上，與復(fù)合鉆井技術(shù)對(duì)比平均提速1倍以上，平均口井節(jié)約周期25.87 d，提速效果和經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5 結(jié)論

Conclusions

（1）扭力沖擊鉆井技術(shù)飛扭沖工具克服了PDC鉆頭的黏滑效應(yīng)，使鉆頭和井底始終保持連續(xù)性，從而能夠明顯提高機(jī)械鉆速。

（2）建議在臺(tái)盆區(qū)深井、超深井高研磨、軟硬交錯(cuò)、鉆頭吃入效果差的地層大力推廣使用扭力沖擊鉆井技術(shù)。

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（修改稿收到日期 2016-11-26）

〔編輯 薛改珍〕

Torsion-impact drilling technology in general Hanilcatam area, the Tarim Basin

CHENG Tianhui1, WANG Weitao2, WANG Shuchao1

1. Tarim Drilling Company, CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited, Korla 841000, Xinjiang, China; 2. School of Petroleum Engineering, Chongqing University of Science & Technology, Chongqing 400030, China

In general Hanilcatam area of the Tarim Basin, oil and gas reservoirs are deep, the open hole section of second spud is long, and the deep layers are of strong abrasivity with the crossing of competent and incompetent beds. Therefore, the drilling in this area is faced with multiple difficulties, e.g. poor penetration of bits, rapid failure of PDC bits, low ROP and low bid price. To solve these problems, the torsion-impact drilling technology was introduced to increase the ROP and decrease the cost by using high-efficiency rock breaking technology. This technology was tested and applied in 36 wells from 2012 to 2015. It is indicated that it is remarkable in ROP improvement results and economic benefit. The average ROP of hole sections where this technology was tested and applied is 5.74 m/h, which is over 2 folds that of rotary drilling technology and over one fold that of combined drilling technology. And the drilling period of each well is reduced by 25.87 days on average. It provides the technical support for ROP increase and cost decrease of deep and ultra deep well drilling in the platform-basin area of the Tarim Basin.

general Hanilcatam area; torsion-impact drilling; deep layer; rock breaking tool; ROP improvement

程天輝，王維韜，王樹(shù)超.塔里木泛哈拉哈塘地區(qū)扭力沖擊鉆井技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2017，39（1）：53-56.

TE242

B

1000 – 7393（ 2017 ） 01 – 0053 – 04

10.13639/j.odpt.2017.01.010

:CHENG Tianhui, WANG Weitao, WANG Shuchao. Application of torsion-impact drilling technology in general Hanilcatam area, the Tarim Basin［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(1): 53-56.

程天輝 (1978-），2008年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程專業(yè)，現(xiàn)從事技術(shù)管理和新技術(shù)推廣應(yīng)用工作，工程師。通訊地址：（841000）新疆庫(kù)爾勒市塔里木石油勘探開(kāi)發(fā)指揮部第四勘探公司。電話：0996-2173405。E-mail：chength@cnpc.com.cn