順北區(qū)塊I號斷裂帶鉆井分層提速技術

陳養(yǎng)龍，席寶濱，晁文學 ，朱偉厚

（1.中國石化中原石油工程有限公司塔里木分公司，新疆 庫爾勒 841000；2.中國石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術研究院，河南 濮陽 457001；3.中國石化中原油田分公司工程技術管理部，河南 濮陽 457001）

0 引言

順北油氣田位于塔里木盆地順托果勒隆起構(gòu)造帶，包含順托果勒北、順托果勒、順托果勒西與阿瓦提東4個區(qū)塊，面積19 979 km2，共探明13條主干斷裂帶，資源量 17×108t，展現(xiàn)了大型油氣田的勘探前景［1-2］。

繼2015年X-1H井在奧陶系一間房組測試獲高產(chǎn)工業(yè)油氣流后，順托果勒北區(qū)塊（簡稱順北區(qū)塊）I號斷裂帶已完鉆10余口井，但由于目的層一間房組、鷹山組埋深超過7 400 m，工程地質(zhì)特征復雜，鉆頭選型及提速技術與地層匹配性差等問題［3-8］，已完鉆井的平均機械鉆速只有5.40 m/h，平均鉆井周期178.50 d，超設計周期6.68%。已完鉆井大都采用成熟的普通螺桿與常規(guī)PDC鉆頭結(jié)合的方式進行鉆進，沒有深入分析該區(qū)塊不同地層之間的差異性，提速技術與地層匹配性差，針對性弱，嚴重影響了該區(qū)塊的勘探開發(fā)進程。因此，為了實現(xiàn)區(qū)塊的高效勘探開發(fā)，實現(xiàn)鉆井提速提效，開展了適用于順北區(qū)塊I號斷裂帶的鉆井分層提速技術研究。

1 鉆井提速難點

1.1 工程地質(zhì)特征復雜

順北區(qū)塊I號斷裂帶縱向發(fā)育新生界第四系—古生界奧陶系全套地層，地層跨度廣，巖性種類多。其中：第四系、新近系、古近系、三疊系以砂泥巖為主，地層疏松，可鉆性較好，但由于井眼尺寸大，水力能量利用率低，已完鉆井的平均機械鉆速只有20.00 m/h，較25.00 m/h的油田目標尚有較大差距；二疊系為提速關鍵層位，系頂平均埋深4 478 m，厚度480 m，火成巖地層，英安巖體積分數(shù)為16%，凝灰?guī)r體積分數(shù)為64%，抗壓強度、可鉆性級值高（見圖1）；石炭系、泥盆系、志留系，砂泥巖互層，壓實程度高，抗壓強度、可鉆性級值變化大；奧陶系桑塔木組為存在火成巖侵入體的泥巖，坍塌應力大，輝綠巖密度大（3.02 g/cm3）、硬度高（7級以上），研磨性超強。

圖1 二疊系抗壓強度及可鉆性級值

1.2 鉆頭與地層匹配性差

正確的鉆頭選型是提高機械鉆速、縮短鉆井周期的重要保證。關鍵層位二疊系，由于含火成巖的特殊性，使用常規(guī)PDC鉆頭磨損快，進尺短，單只鉆頭無法鉆穿該層；使用牙輪鉆頭機械鉆速低，如X-1H井鉆穿該層共使用7趟鉆，平均機械鉆速只有1.86 m/h。石炭系、泥盆系、志留系，常規(guī)鉆頭吃入難度大，扭矩輸出低，PDC鉆頭的剪切效率低，平均機械鉆速只有3.40 m/h。奧陶系由于輝綠巖的存在，所用常規(guī)鉆頭抗研磨能力弱，平均機械鉆速為2.03 m/h，最低機械鉆速只有1.31 m/h。

1.3 提速工具適應性弱

二疊系以淺地層井眼尺寸大，相應環(huán)空面積大，需要較大排量才能滿足攜巖要求，循環(huán)壓耗高；常規(guī)螺桿由于定子橡膠線型的影響，易產(chǎn)生應力集中，輸出效率及扭矩低，導致水力能量利用率只有30%左右。

二疊系火成巖地層存在微裂縫，鉆進期間易漏失，常采用竹纖維進行隨鉆封堵，而沖擊類提速工具由于水眼較小容易堵塞，不宜使用；同時，二疊系鉆進過程中，排量一般在35 L/s左右，較小的排量使得現(xiàn)有沖擊類提速工具也無法進行有效工作。

二疊系以深、目的層以淺地層，沖擊類提速工具的使用效果與螺桿+PDC鉆頭常規(guī)手段相當，無明顯提速效果。如X-2H井和X-3井使用螺桿+PDC鉆頭，機械鉆速可達到3.38，3.09 m/h；而使用扭力沖擊器，機械鉆速分別為3.62，3.09 m/h，機械鉆速相差不大，但風險高，性價比低。

2 分層提速技術

針對順北區(qū)塊I號斷裂帶的鉆井提速難點，結(jié)合鉆頭和提速工具研發(fā)新進展，分地層提出了3項技術：二疊系以淺地層開展大扭矩快速鉆進技術，二疊系開展“破碎+釋放+剪切”鉆頭選型技術，二疊系以深、目的層以淺地層開展減振穩(wěn)扭技術，并完成了提速關鍵技術措施的制定。

2.1 大扭矩快速鉆進技術

針對二疊系以淺地層，綜合考慮適用性、經(jīng)濟性及可行性，從提高螺桿水力能量利用率入手，對比了不同結(jié)構(gòu)螺桿相同條件下的輸出扭矩情況。

在常規(guī)螺桿輸出扭矩只有7 000～8 000 N·m情況下，等壁厚螺桿輸出扭矩高達 13 600 N·m，提高70%左右。同時，等壁厚螺桿最大應力降低30%左右，相應效率提高8%以上。因此，提出等壁厚大扭矩螺桿+5刀翼φ19 mm齒高效PDC鉆頭的大扭矩快速鉆進技術，預期機械鉆速可達25.00 m/h以上。

2.2 “破碎+釋放+剪切”鉆頭選型技術

二疊系巖石強度大、硬度高，一定鉆壓下，鉆頭與井底接觸面積大，單位面積上的鉆壓小，導致常規(guī)PDC鉆頭難以吃入，無法實現(xiàn)有效剪切破巖，能量利用率低。因此，以提高破巖能量利用率為切入點，提出“破碎+釋放+剪切”鉆頭選型技術，如圖2所示。

圖2 “破碎+釋放+剪切”技術示意

首先，減小鉆頭與地層接觸面積，變相增加接觸鉆壓，提高鉆頭吃入能力。針對高硬度地層，采用沖擊方式實現(xiàn)鉆頭吃入；針對強塑性地層，采用犁削方式實現(xiàn)鉆頭吃入。配合轉(zhuǎn)盤和螺桿動力鉆具，最終完成井底巖石預破碎（見圖2a）。

其次，釋放井底巖石水平應力，降低剪切強度。預破碎后，井底巖石水平應力得到釋放，根據(jù)庫侖定律（見式（1）、式（2）），應力釋放后剪切面上的法向總應力只受井底壓差（△p）的影響，總應力值較應力釋放前小得多，從而導致剪切面上的極限剪切強度較應力釋放前大幅度降低，最終表現(xiàn)為預破碎后井底巖石剪切強度低，易于剪切（見圖2b）。

式中：τf為剪切面上的極限剪切強度，MPa；c為井底巖石黏聚力，MPa；σ為剪切面上的法向總應力，MPa；φ為井底巖石內(nèi)摩擦角，（°）；σ1，σ3分別為最大、 最小主應力，MPa。

最后，高效限位剪切。剪切強度降低后，PDC鉆頭實現(xiàn)有效剪切，提高破巖能量利用率；同時，配合適當限位技術，可有效防止鉆頭剪切過深帶來的鉆頭破壞，最終實現(xiàn)機械鉆速的提高以及鉆頭進尺的增加（見圖2c）。

“破碎+釋放+剪切”技術在二疊系具體表現(xiàn)為螺桿+混合鉆頭。混合鉆頭滾動牙輪對井底巖石進行沖擊破碎，實現(xiàn)預破碎，釋放井底巖石應力，并起到一定限位功能；然后，混合鉆頭固定PDC刀翼完成高效剪切破巖。

當混合鉆頭無法鉆穿二疊系時，考慮二疊系下部為凝灰?guī)r及泥巖，推薦第2趟鉆采用螺桿+尖圓齒PDC鉆頭。尖形PDC齒對井底巖石進行犁削破碎，實現(xiàn)預破碎并釋放井底巖石應力；然后，圓形PDC齒完成高效剪切破巖。通過“破碎+釋放+剪切”技術的使用，預期可實現(xiàn)1～2趟鉆鉆穿二疊系。

2.3 減振穩(wěn)扭技術

二疊系以深、目的層以淺地層，強度較大且變化劇烈，容易引起鉆頭黏滑振動和橫向振動，造成破巖能量損耗及鉆頭使用壽命縮短。因此，從減輕惡性振動提高能量利用率出發(fā)，以穩(wěn)定鉆頭剪切地層為目的，提出適應該層段的減振穩(wěn)扭技術。

針對石炭系、泥盆系、志留系及奧陶系（桑塔木組除外）軟硬交錯地層，控制PDC齒吃入深度，防止吃入過深引起鉆頭黏滑振動，同時控制PDC鉆頭橫向振動，防止劇烈橫向振動下鉆頭撞擊井壁造成鉆頭損壞，實現(xiàn)鉆頭穩(wěn)定剪切（見圖2c）。針對含有輝綠巖侵入體的桑塔木組，由于輸出扭矩不足，無法連續(xù)有效地克服巖石強度完成破巖，可采用鉆頭周向高頻沖擊對PDC鉆頭破巖所需剪切力進行有效微分，實現(xiàn)PDC鉆頭平穩(wěn)扭矩下對輝綠巖的穩(wěn)定剪切。

減振穩(wěn)扭技術在二疊系以深、目的層以淺地層具體表現(xiàn)為螺桿+球形限位齒PDC鉆頭、扭力沖擊器+PDC鉆頭。后排球形限位齒可以有效控制前排圓形齒吃入地層的深度，防黏滑振動能力明顯；同時，球形限位齒可使鉆頭居中，具有一定減小橫向振動的能力。扭力沖擊器通過將鉆井液水力能量轉(zhuǎn)化為周向高頻沖擊能量，有效完成對破巖剪切能量的微分，實現(xiàn)了鉆頭平穩(wěn)工作。

3 現(xiàn)場應用

分層提速技術在2017年部署的X-8H井進行了現(xiàn)場應用。較順北區(qū)塊I號斷裂帶前期完鉆井，各層段鉆井效率大幅提高，全井機械鉆速明顯提高，鉆井周期顯著縮短，創(chuàng)區(qū)塊同類井身結(jié)構(gòu)鉆井最快紀錄。

X-8H井位于沙雅縣境內(nèi)，處于塔里木盆地順托果勒低隆北緣，采用四級井身結(jié)構(gòu)：一開φ444.5 mm鉆頭鉆至1 502 m，二開φ311.2 mm鉆頭鉆至5 126 m，三開φ215.9 mm鉆頭鉆至7 415 m，四開φ149.2 mm鉆頭鉆至7 844 m。

3.1 各層段鉆井效率大幅提高

分層提速技術在X-8H井的應用情況見表1。

表1 分層提速技術在X-8H井的應用情況

應用效果分析如下：

1）二疊系以淺地層，鉆遇第四系、新近系、古近系、三疊系，采用等壁厚螺桿+高效PDC鉆頭的大扭矩快速鉆進技術。鉆進井段50～4 540 m，進尺4 490 m，純鉆時間167.0 h，平均機械鉆速26.89 m/h，較預期增加1.89 m/h，較該斷裂帶已完鉆井平均機械鉆速提高34.45%，提速效果明顯。

2）二疊系，采用混合鉆頭及尖圓齒PDC鉆頭的“破碎+釋放+剪切”技術。鉆進井段 4 540～5 126 m，進尺586 m，純鉆時間165.5 h，平均機械鉆速3.54 m/h，較該斷裂帶已完鉆井平均機械鉆速提高37.74%，實現(xiàn)2趟鉆無復雜事故，順利鉆穿二疊系，達到預期目標。

3）二疊系以深、目的層以淺地層，鉆遇石炭系、泥盆系、志留系、奧陶系，采用球形限位齒PDC鉆頭及扭力沖擊器的減振穩(wěn)扭技術。鉆進井段5 126～7 415 m，進尺2289m，純鉆時間431.0h，平均機械鉆速5.31m/h，較未使用該技術的X-7H井提高50.42%。

3.2 全井機械鉆速明顯提高

X-8H井全井機械鉆速高達8.83 m/h，較順北區(qū)塊I號斷裂帶已完鉆井平均機械鉆速提高63.52%，提速效果明顯。

X-8H井設計鉆井周期129.00 d，實際鉆井周期111.83 d，節(jié)約17.17 d，周期節(jié)約率13.31%，較順北區(qū)塊I號斷裂帶已完鉆井平均鉆井周期縮短37.35%，鉆井周期縮短明顯。

4 結(jié)論

1）順北區(qū)塊I號斷裂帶工程地質(zhì)特征復雜，特別是古生界地層壓實程度高，二疊系火成巖巨厚，奧陶系桑塔木組含有“高硬脆”的輝綠巖，導致鉆頭選型困難，輔助破巖提速工具適應性弱，嚴重影響了順北區(qū)塊的勘探開發(fā)進程。

2）根據(jù)地層特征，以二疊系為界，形成了分層提速技術：大扭矩快速鉆進技術、“破碎+釋放+剪切”鉆頭選型技術及減振穩(wěn)扭技術。該技術針對性強，現(xiàn)場應用效果顯著。

3）針對其他斷裂帶，建議結(jié)合自身地質(zhì)特征，參考國內(nèi)外相關技術，開展分層提速關鍵技術研究，完成提速工具及工藝的引進與改進，實現(xiàn)順北油氣田的高效開發(fā)。