惠州區(qū)塊深層火成巖地層鉆井提速技術(shù)

張偉國 嚴德 陳彬 王堂青

1. 中海石油(中國)有限公司深圳分公司；2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司

中國南海東部惠州區(qū)塊深層前古近系為火成巖地層，主要為閃長巖和花崗巖等罕見的復(fù)合型巖性基底，巖石抗壓強度高、可鉆性極差［1］。區(qū)域探井作業(yè)中機械鉆速低、鉆頭進尺短、鉆頭磨損嚴重，惠州A井作業(yè)工期超100 d，作業(yè)費用超1億元。此外，鉆速低導(dǎo)致頻繁起下鉆更換鉆頭，延長了裸眼浸泡時間，增加了鉆具疲勞、井壁失穩(wěn)、卡鉆等井下風(fēng)險［2］。前期作業(yè)井中，嘗試了國內(nèi)外主流鉆頭，均未取得理想效果。如無法實現(xiàn)深層鉆井提速技術(shù)的突破，則將大幅度延長勘探和開發(fā)建井周期，推遲油氣上產(chǎn)時間，并增加井下風(fēng)險和作業(yè)費用。此外，隨著海域油氣勘探逐步走向深層，將面臨越來越多的火成巖地層鉆井提速難題。開展了火成巖地層鉆井提速技術(shù)研究，為區(qū)域鉆井提速提效、井下作業(yè)安全和油氣增儲上產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1 鉆井提速難點

1.1 巖石抗壓強度高導(dǎo)致地層可鉆性差

惠州區(qū)塊的火成巖地層主要為蝕變閃長巖、花崗巖和安山巖等，返出巖屑呈塊狀、性硬、部分堅硬?；葜軦井是該區(qū)域一口探井，從3 585 m進入火成巖地層，完鉆井深4 276 m。3 585～4 185 m巖性主要為蝕變閃長巖，4 185～4 230 m為輝綠巖，4 230～4 276 m為蝕變花崗巖。根據(jù)巖石力學(xué)計算結(jié)果，進入火成巖后，巖石抗壓強度從68.9 MPa迅速升高到206.8 MPa以上，在137.9～310.3 MPa之間波動，峰值超過413.7 MPa。在輝綠巖段，抗壓強度從310.3 MPa下降到206.8 MPa；輝綠巖以下蝕變花崗巖段抗壓強度在206.8 MPa左右，巖石抗壓強度處于極硬級別導(dǎo)致地層可鉆性極差，研磨性能強。

1.2 鉆頭攻擊力不足導(dǎo)致機械鉆速低

惠州A井?215.9 mm井段全部在火成巖地層內(nèi)鉆進，累計使用6只人造聚晶金剛石復(fù)合片(PDC)鉆頭，第1只、2只、6只鉆頭特征為6刀翼、單排13 mm異型齒(忍者齒)、配合扭力提速工具。第3只、5只鉆頭特征為6刀翼、雙排齒13 mm異型齒(內(nèi)排斧型齒、外排尖錐齒)，配合扭沖提速工具。第4只鉆頭特征為6刀翼、雙排16 mm齒，肩部有14顆可旋轉(zhuǎn)平面齒。該井的深度為3 744.26～4 276 m，最高機械鉆速7 m/h、最低機械鉆速3 m/h、平均機械鉆速僅為3.5 m/h。惠州B井從3 570 m進入前古近系，地層巖性為花崗巖。該井?311.15 mm井段第6只PDC鉆頭在前古近系頂部3 575 m入井，鉆至3 586 m完鉆，鉆頭特征為6刀翼、單排13 mm異型齒(忍者齒)，配合扭力提速工具，平均機械鉆速僅為1.08 m/h。惠州C井四開4 167～4 550 m為火成巖地層，巖性主要為蝕變安山巖(4 160～4 460 m)、蝕變花崗巖(4 460～4 465 m)、花崗巖(4 465～4 550 m)，部分地層風(fēng)化嚴重，可鉆性相對較好，采用PDC鉆頭，平均機械鉆速7.71 m/h，鉆頭特征為6刀翼、16 mm常規(guī)齒。

1.3 抗沖擊性能弱導(dǎo)致鉆頭進尺短

由于鉆頭抗沖擊性能弱，導(dǎo)致鉆頭發(fā)生了磨損破壞而失去攻擊力，無法獲得足夠的進尺，單只鉆頭進尺普遍小于100 m?；葜軦井?215.9 mm井段6只鉆頭累計進尺531.74 m，最大進尺156.24 m、最短進尺40 m、平均單只鉆頭進尺88.62 m?；葜軧井311.15 mm井段第6只鉆頭在火成巖地層進尺僅為11 m?；葜軨井由于地層風(fēng)化程度較好，鉆頭進尺383 m。

1.4 心部強度不夠?qū)е裸@頭磨損嚴重

惠州區(qū)塊火成巖地層出井鉆頭主要磨損特征表現(xiàn)為心部磨損，鉆頭心部強度不夠?qū)е裸@頭磨損嚴重?；葜軦井?215.9 mm井段火成巖地層6只鉆頭磨損特征主要是心部磨損，第2只鉆頭磨出了環(huán)形槽，磨損評級為4-6-RO-C-X-1/16-CT-PR；第4只旋轉(zhuǎn)齒鉆頭掉齒嚴重，14顆旋轉(zhuǎn)齒掉落12顆，磨損評級為6-6-CT-A-I-1/16-LT-PR；第5只鉆頭心部齒磨損嚴重，磨損評級為5-3-WT-A-X-1/16-CT-RP?；葜軧井出井鉆頭磨損嚴重，內(nèi)外排齒全部被磨掉，鉆頭頂部被磨平，磨損評級達到了8-8-FC-A-X-1/16-CT-TD?；葜軨井出井鉆頭內(nèi)排齒嚴重磨損呈“取心”狀，且磨損至水眼處，磨損評價達到了8-4-CRA-X-1/16-CT-TD。

2 鉆井提速對策

針對惠州區(qū)塊火成巖地層存在的鉆井提速難題，基于測井資料進行巖石力學(xué)分析，并通過錄井和取心資料，掌握地層巖性特征，結(jié)合鉆頭作業(yè)數(shù)據(jù)，綜合分析評價地層巖性特點和巖石力學(xué)參數(shù)，以及對鉆頭的性能要求，并結(jié)合區(qū)域勘探作業(yè)經(jīng)驗，探索解決區(qū)域鉆井提速的基本對策。

2.1 巖石力學(xué)分析

測井資料中的聲波時差、巖石密度、自然伽馬等參數(shù)能夠反映地層巖石的抗壓強度、研磨性和可鉆性等力學(xué)特性，基于測井?dāng)?shù)據(jù)計算巖石抗壓強度的模型為

式中，Sa為巖石抗壓強度，MPa；Es為巖石動彈性模量，MPa；Vsh為地層泥質(zhì)含量，%；Es、Vsh均可通過測井?dāng)?shù)據(jù)求得。

基于地層巖性特點和巖石力學(xué)分析，優(yōu)選提速工具和優(yōu)化設(shè)計鉆頭［3］，優(yōu)化鉆井作業(yè)參數(shù)，包括鉆壓、轉(zhuǎn)速、排量，以及采用欠平衡鉆井工藝，包括空氣鉆井、控壓鉆井等［4-5］，都有利于鉆井提速。

2.2 提速工具優(yōu)選

常見的提速工具類型有螺桿馬達、渦輪鉆具、周向旋轉(zhuǎn)沖擊、軸向沖擊和復(fù)合沖擊提速工具［6］。螺桿馬達和渦輪鉆具基本原理是通過增加鉆頭轉(zhuǎn)速提高切削破巖效率。周向旋轉(zhuǎn)沖擊提速工具通過增加鉆頭周向振動實現(xiàn)高頻切削，提高了鉆頭破巖效率，且能平滑扭矩波動，對鉆頭有一定保護效果［7-8］。軸向沖擊提速工具通過產(chǎn)生高頻縱向沖擊振動，增加了鉆頭沖擊破巖能力［9］。復(fù)合沖擊提速工具則結(jié)合了周向和軸向沖擊提速工具的功能和特點,通過給鉆頭施加高頻穩(wěn)定的周向和軸向的復(fù)合沖擊力，提高鉆頭破巖效率，并可解決鉆進過程中的黏滑、托壓現(xiàn)象，從而達到提速的目［10］。

2.3 鉆頭優(yōu)化設(shè)計

造成鉆頭進尺短的原因主要有2點：一是鉆頭吃入地層困難，無法獲得有效進尺，主要發(fā)生在硬塑性地層，這種情況下鉆頭出井后通常完好無磨損；二是因鉆頭磨損破壞嚴重，失去攻擊力而無法獲得進尺，主要發(fā)生在硬脆地層或含礫和粗砂地層。因此，提高鉆頭吃入地層能力和抗沖擊能力是解決鉆頭進尺短的方法，常用方法包括適當(dāng)減少刀翼數(shù)量，選用大直徑高性能復(fù)合切削片(16 mm、13 mm聚晶金剛石復(fù)合片)，以及采用尖或錐形的異型齒(斧型齒、尖齒、忍者齒等)提高鉆頭吃入地層和破巖能力［3］。斧型齒不僅具有常規(guī)金剛石復(fù)合片的剪切性能，而且具有牙輪鉆頭硬質(zhì)合金齒的破巖性能，室內(nèi)試驗結(jié)果表明，相同鉆壓條件下，斧型齒鉆頭機械鉆速相比常規(guī)平面齒能提高30%。此外，斧型齒端部呈屋脊狀突出，切削齒接觸地層的復(fù)合片厚度比常規(guī)平面齒厚，具有更好的抗沖擊性能。因此將鉆頭主刀翼上常規(guī)平面齒優(yōu)化設(shè)計為斧型齒，并將主刀翼設(shè)計為雙排齒方式，提高鉆頭整體抗沖擊性能。最后，增加心部布齒密度，縮短刀翼中心距，提高鉆頭心部強度解決鉆頭心部位置磨損嚴重問題。

3 工程實踐

惠州D井為惠州A井的鄰井，距離1.87 km，該井?215.9 mm井段從4 134 m進入前古近系，巖性主要為蝕變閃長巖和蝕變花崗巖，地層巖性與惠州A井對比性較好。根據(jù)鄰井測井?dāng)?shù)據(jù)，由式(1)求得地層巖石抗壓強度參數(shù)，進入火成巖地層后抗壓強度從68.9 MPa迅速升高到206.8 MPa，然后在137.9～310.3 MPa之間波動，峰值超過310.3 MPa，巖石抗壓強度高，屬于可鉆性極差地層。

對扭沖復(fù)合提速工具進行優(yōu)化設(shè)計，在保持現(xiàn)有較大沖擊力情況下，提高沖擊頻率，從28 Hz增加到33 Hz，增加提速工具施加給鉆頭周向和軸向的額外沖擊力，鉆頭切削和沖擊破巖頻率更快，提高了攻擊力。采用強抗沖擊性斧型齒和雙排齒鉆頭增加進尺和抗沖擊性能。優(yōu)選設(shè)計6刀翼、雙排13 mm斧型齒；將短刀翼向心部延伸，短刀翼中心距從43.81mm降低至38.2 mm，并增加心部布齒密度，齒間距從3 mm減少至2 mm。在鉆頭中心位置布置1顆錐形齒，有效減少巖屑在中心位置堆積磨損鉆頭。

以上設(shè)計在惠州D井?215.9 mm井段后2趟鉆中進行了成功應(yīng)用，2只鉆頭鉆進深度3 838～4 367 m，并從4 134 m進入前古近系，鉆頭使用記錄如表1所示，火成巖地層機械鉆速與惠州A井對比結(jié)果如表2所示?；葜軦井火成巖地層使用了6只鉆頭，平均單只鉆頭進尺為88.62 m?；葜軩井2只鉆頭完成火成巖地層233 m進尺，平均單只鉆頭進尺116.5 m，單只鉆頭進尺提升31.5%，2只鉆頭出井鉆頭狀態(tài)較好，未出現(xiàn)鉆頭心部磨損嚴重的情況。在機械鉆速方面，在火成巖地層閃長巖段和花崗巖段中，惠州D井的機械鉆速比惠州A井分別提高了88%和69%。

表1 惠州D井?215.9 mm井段鉆頭使用記錄Table 1 Operation records of the bit in ?215.9 mm hole section of Well D in Huizhou Block

表2 不同巖性段長及平均機械鉆速Table 2 Length of different lithology intervals and average ROP

4 結(jié)論及建議

(1)惠州區(qū)塊深層前古近系火成巖抗壓強度高，地層呈均質(zhì)、硬脆性特點，可鉆性極差。鉆頭攻擊力不足、抗沖擊能力弱、心部強度不夠是造成鉆速低、鉆頭進尺短和磨損嚴重的原因，從而導(dǎo)致火成巖井段鉆井效率低。

(2)通過設(shè)計高攻擊力提速工具和鉆頭提高機械鉆速，采用強抗沖擊性的斧型齒和雙排齒鉆頭增加進尺和抗沖擊性能，提高鉆頭心部位置強度減輕磨損，有效解決了惠州區(qū)塊火成巖地層抗壓強度高、可鉆性極差導(dǎo)致的機械鉆速低、鉆頭進尺短和磨損嚴重的難題，實現(xiàn)了鉆井提速提效的目的。

(3)南海東部深層巖性差異較大，除火成巖地層外，還有硬塑性泥巖、致密砂巖和含灰質(zhì)地層，需針對不同的地層巖性特點，進一步優(yōu)化和豐富提速工具、鉆頭設(shè)計以及鉆井工藝，提高深層鉆井效率。