深部難鉆地層提速工具現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

李相勇，王春華，楊決算，李玉海，萬發(fā)明，紀(jì) 博，李 博

(大慶鉆探鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413)

深部難鉆地層巖石具有硬度大、可鉆性級(jí)值高等特性，造成機(jī)械鉆速低，起下鉆頻繁，為了縮短鉆井周期，達(dá)到降本增效的目的，本文在分析該地層鉆井提速技術(shù)難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，考慮到礫巖和火山巖的巖石特性，在鉆井提速工具研制等方面進(jìn)行了研究，開展大量現(xiàn)場應(yīng)用，提速效果顯著，縮短了鉆井周期。

1 深部難鉆地層提速技術(shù)難點(diǎn)分析

1.1 深部難鉆地層巖石堅(jiān)硬，鉆頭磨損嚴(yán)重

深部難鉆地層巖石可鉆性級(jí)值大、研磨性強(qiáng)、硬度高，其中泉頭組為棕紅、暗紫色泥巖與紫灰、灰綠砂泥巖；登婁庫組為灰色、灰綠色砂泥巖互層，夾雜色泥巖；營城組為安山巖、角礫巖、凝灰?guī)r、流紋巖、礫巖；沙河子組為灰白色砂巖、泥巖夾凝灰?guī)r。硬度2000～5000MPa，可鉆性級(jí)值8～10.38級(jí)，營城組可鉆性級(jí)值大于10級(jí)，沙河子組可鉆性8～9級(jí)，鉆頭磨損較為嚴(yán)重，存在砂泥巖互層、礫石層、區(qū)域橫向差異大等特性。

1.2 鉆頭適應(yīng)性差，無法滿足深部難鉆地層提速要求

由于深部難鉆地層巖性特性，要求鉆頭必須具有良好的耐磨性及抗沖擊能力，所以鉆頭的選擇和使用受到很大限制，常規(guī)PDC鉆頭還不適合該層位鉆進(jìn)，通常使用牙輪鉆頭鉆進(jìn)，國內(nèi)外牙輪鉆頭也多出現(xiàn)鉆頭斷齒、掉齒、縮徑、磨尖等現(xiàn)象。

2 深部難鉆地層鉆井提速技術(shù)研究

2.1 常規(guī)提速技術(shù)分析

深部堅(jiān)硬地層單只鉆頭進(jìn)尺少，嚴(yán)重影響了勘探開發(fā)進(jìn)度，使用螺桿配合PDC鉆頭復(fù)合鉆進(jìn)提速，目前還只在泉頭組以上地層應(yīng)用，登婁庫組以下地層沒有開展，而且由于深井溫度較高，使得螺桿壽命降低，使用效果不理想。采用氣體鉆井技術(shù)鉆進(jìn)可較大提高機(jī)械鉆速，但由于地層出水預(yù)測技術(shù)還不準(zhǔn)確，出水后易引起鉆頭泥包、卡鉆的事故，并且氣液轉(zhuǎn)換后井壁不穩(wěn)定，此外氣體鉆井設(shè)備復(fù)雜，成本相對較高。

深部地層多采用牙輪鉆頭鉆進(jìn)，但牙輪鉆頭壽命較低多為60～80h，且存在軸承失效、斷齒、掉齒、掉牙輪等風(fēng)險(xiǎn)，深部堅(jiān)硬地層600m的井段一般需要8～12只牙輪鉆頭，平均單只進(jìn)尺50m，機(jī)械鉆速1.2m/h左右，個(gè)別井段單只進(jìn)尺不足15m，機(jī)械鉆速0.6～0.8m/h。單只鉆頭進(jìn)尺少，需要多次起下鉆作業(yè)，嚴(yán)重影響了深部地層勘探開發(fā)進(jìn)度。

2.2 沖擊輔助破巖技術(shù)

2.2.1 周向沖擊輔助破巖工具

周向沖擊輔助破巖工具通過鉆井液驅(qū)動(dòng)動(dòng)力機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)沖擊機(jī)構(gòu)對錘頭做功，在傳統(tǒng)鉆井方式的基礎(chǔ)上，在鉆頭周向上產(chǎn)生均勻穩(wěn)定的高頻沖擊力，在軸向上產(chǎn)生高頻水力加壓脈沖，使鉆頭和井底始終保持連續(xù)的高頻切削，減少扭矩波動(dòng)，提高鉆頭切削效率。鉆頭隨鉆柱旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過程中，在鉆壓、旋轉(zhuǎn)和脈動(dòng)沖擊下聯(lián)合作用破碎巖石，使鉆頭在傳統(tǒng)刮削破巖的基礎(chǔ)上，增加了機(jī)械沖擊和水力脈沖的輔助作用，有效解決了PDC鉆頭在深井硬地層、軟硬交錯(cuò)地層鉆進(jìn)時(shí)，鉆柱縱向彈跳以及周向粘滑問題。此外利用井底水力脈動(dòng)，可有效減少壓持效應(yīng)引起的巖石重復(fù)切削，一定程度上改善井底附近的巖石受力狀況，提高鉆頭的破巖效率。

2.2.2 軸向沖擊輔助破巖工具

軸向沖擊輔助破巖工具的動(dòng)力機(jī)構(gòu)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子在鉆井液驅(qū)動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)沖擊機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生高頻的機(jī)械沖擊傳遞給沖擊工具下本體，沖擊工具下本體連接鉆頭，使高頻機(jī)械沖擊傳遞給鉆頭輔助鉆頭破巖，由于沖擊載荷在極短的時(shí)間內(nèi)變化幅度很大，在這種急劇變化的載荷作用下，沖擊能量將以應(yīng)力波的形式和一定的波速傳播到鉆頭齒表面，最終作用在井底巖石上，破碎巖石，最終實(shí)現(xiàn)沖擊鉆井提速的目的。

3 提速工具現(xiàn)場應(yīng)用效果

到目前為止周向沖擊輔助破巖工具已在大慶、新疆、吉林、內(nèi)蒙等區(qū)塊共應(yīng)用83口井，總進(jìn)尺53143m，平均機(jī)械鉆速2.84m/h，與常規(guī)鉆進(jìn)方式相比平均提速126%，單井鉆井周期平均縮短鉆10～20d，提速效果明顯。

軸向沖擊輔助破巖工具也已開展了現(xiàn)場試驗(yàn)，單趟鉆進(jìn)尺349m，平均機(jī)械鉆速4.53m/h，累計(jì)工作時(shí)間102h，與上一趟鉆牙輪鉆頭鉆進(jìn)相比機(jī)械鉆速提高了127%，進(jìn)尺提高190%。與臨井同層位平均機(jī)械鉆速提高144%，平均單只鉆頭進(jìn)尺提高223%，提速效果顯著。

4 新型提速工具研究

隨著油田深部油氣藏的勘探和開發(fā)的深入，新的勘探領(lǐng)域內(nèi)地層巖石硬度高、可鉆性差的特點(diǎn)日益突出，在石英含量高、軟硬交錯(cuò)等難鉆地層，常規(guī)提速工具效果并不明顯。

目前研制的周向和軸向沖擊輔助破巖這2種工具在營城組以下的含礫、石英含量高等難鉆地層提速效果不明顯。為了發(fā)揮2種鉆井技術(shù)破巖方式的優(yōu)勢，未來提速工具的發(fā)展方向?qū)⒔Y(jié)合軸向和周向沖擊振動(dòng)的特點(diǎn)，提出復(fù)合沖擊鉆井技術(shù)。目前正在開展復(fù)合沖擊鉆井技術(shù)研究，此項(xiàng)技術(shù)是將流體的能量轉(zhuǎn)換成工具的周向和軸向高頻往復(fù)的沖擊機(jī)械能，周向沖擊振動(dòng)可使鉆桿的旋轉(zhuǎn)破巖能量傳遞到鉆頭上，降低粘滑效應(yīng)；軸向沖擊振動(dòng)則給鉆頭提供軸向破巖的能量，從而提高鉆頭吃入地層深度，提高破巖效率，達(dá)到提速的目的。

5 結(jié)論

（1）深部難鉆地層存在巖石堅(jiān)硬、鉆頭適應(yīng)性差等技術(shù)難點(diǎn)，嚴(yán)重影響鉆井機(jī)械鉆速。

（2）采用周向和軸向沖擊輔助破巖工具，能夠產(chǎn)生高頻沖擊輔助鉆頭破巖，可在深部難鉆地層中取得較好的提速效果，能夠大幅提高機(jī)械鉆速，提高單只鉆頭進(jìn)尺，減少起下鉆次數(shù)，降低鉆井成本。

（3）通過復(fù)合沖擊鉆井新技術(shù)的研發(fā)，可為深部難鉆地層提速提供新的技術(shù)支持。