新型鉆井提速技術在南海東部古近系地層應用

薛 亮，張偉國，肖 夏，王堂青，魏裕森

（中海石油(中國)有限公司深圳分公司深水工程技術中心，廣東深圳 518067）

南海東部地區(qū)油氣勘探前景較為廣闊，具有形成大中型油氣田的地質(zhì)條件[1]，近年來的研究發(fā)現(xiàn)，南海東部海域古近系領域具有較大勘探潛力[2]。但從現(xiàn)場鉆井作業(yè)實際表明，恩平組、文昌組及以下古近系等深部地層存在巖石抗壓強度高、研磨性強、地層夾層多、可鉆性差等難題[3]，使用常規(guī)鉆具作業(yè)時，易出現(xiàn)黏滑、鉆頭齒過早崩壞的現(xiàn)象[4-5]，直接影響機械鉆速，導致鉆井效率低下。另外，在夾層段應用常規(guī)PDC鉆頭鉆進時易出現(xiàn)蹩跳，影響定向井軌跡，對今后幾年中國海油加強油氣勘探技術攻關[6]產(chǎn)生挑戰(zhàn)，因此探索合理的鉆井提速技術尤為必要。

1 南海東部古近系地層難點

南海東部海域X區(qū)塊埋深超過2 800 m及恩平組以下深部古近系地層的巖性性質(zhì)硬，巖石強度高。根據(jù)現(xiàn)場應用測井數(shù)據(jù)對可鉆性數(shù)據(jù)統(tǒng)計（圖1），該地層的巖石單軸抗壓強度（UCS）多在8 000～30 000 psi范圍，內(nèi)摩擦角（IAF）多在36°～45°范圍，可鉆性極差。

圖 1 南海東部某區(qū)塊古近系地層巖石抗壓強度（UCS）及內(nèi)摩擦角（IAF）舉例Fig. 1 Examples of rock compressive strength (UCS) and internal friction angle (IAF) of Paleogene formation in a block in the eastern South China Sea

常用的PDC鉆頭難以吃入，影響機械鉆速。圖2為南海東部某區(qū)塊鉆頭出井狀況，即使應用“16 mm齒、6刀翼”研磨性更強的的PDC鉆頭，依然存在崩齒和PDC鉆頭齒碎裂、脫落的現(xiàn)象。

圖 2 南海東部某區(qū)塊鉆頭出井狀況Fig. 2 Outgoing status of drilling bit in a block in the eastern South China Sea

表1為南海東部海域該區(qū)塊古近系地層使用常規(guī)鉆頭的應用統(tǒng)計。由表1可知，該地層當前使用常規(guī)PDC或牙輪鉆頭鉆進時多使用3趟鉆以上（最多高達6趟鉆）鉆至設計深度，且鉆頭磨損整體嚴重，機械鉆速ROP低，存在鉆頭進尺少、磨損嚴重（磨損狀況參照鉆頭磨損評價[7]）、起下鉆頻率高、作業(yè)周期長等問題，影響鉆井鉆井速率和鉆井時效。

2 新型鉆井提速技術方案

針對南海東部海域該區(qū)塊恩平組及以下古近系難鉆地層巖性強度高、密度大，尤其是硬夾層研磨性較強、對鉆頭磨損及沖擊破壞大、可鉆性差的難題，本文從提高鉆頭的沖擊性和研磨性出發(fā)，優(yōu)選出一套復合沖擊器提速工具配合專用PDC鉆頭組合的新型鉆井提速技術方案。

2.1 復合沖擊器提速工具優(yōu)選

常規(guī)提速工具主要為鉆頭傳遞周向沖擊或軸向沖擊作用[6-10]，并且主要輸出扭矩和鉆壓以達到破碎巖層的目的[11]。新型鉆井提速技術應用的復合沖擊器具有周向沖擊和軸向沖擊的雙重作用，其通過其內(nèi)部的能量發(fā)生裝置、頻率發(fā)生裝置將鉆井液的水力能量轉(zhuǎn)化為高頻、穩(wěn)定的機械脈沖能量，再經(jīng)過其內(nèi)部的能量分配裝置（圖3），按一定的比例同時輸出高頻的周向沖擊及軸向沖擊并傳遞到下部與之相連接的專用PDC鉆頭上，使鉆頭對地層形成復合沖擊效果?？蓪εぞ禺a(chǎn)生減緩作用，減輕或避免夾層段應用常規(guī)PDC鉆頭鉆進易出現(xiàn)蹩跳或黏滑現(xiàn)象，間接提高機械鉆速且保證定向井軌跡平滑。

表 1 南海東部某區(qū)塊古近系地層鉆頭使用現(xiàn)狀舉例Table 1 Examples of current status of drilling bits used in Paleogene strata in the eastern South China Sea

2.2 專用PDC鉆頭優(yōu)選

（1）冠部形狀及刀翼設計

PDC鉆頭需承受較高的地層沖擊載荷，專用PDC鉆頭的冠部應設計得較常規(guī)PDC鉆頭更扁平，冠部剖面采用平頂或短拋物線設計[12]有利于弱化沖擊力。刀翼采用微螺旋設計，更有利于鉆頭穩(wěn)定性；刀翼數(shù)量采用6刀翼（圖4），使得鉆頭面切削齒覆蓋率適中，從而兼顧了鉆頭的攻擊力和抗沖擊、抗研磨能力。

圖 3 復合沖擊器提速工具工作原理Fig. 3 Working principle of speed-up tools for compound impactor

（2）切削齒選用及布齒設計

為兼顧鉆頭攻擊力及抗沖擊、抗研磨能力，并結(jié)合所鉆井具體巖性及井深情況，主切削齒大小選用16 mm或13 mm，齒形選用圓柱齒或斧形齒，且專用PDC鉆頭每刀翼肩部設置2～4顆新技術后排錐形齒輔助破巖，可提高鉆頭吃入深度及切削效率[13]。

圖 4 專用PDC鉆頭外觀Fig. 4 Appearance of special PDC bit

（3）保徑及力平衡設計

專用PDC鉆頭保徑長1.5″～2″，短保徑設計，鉆頭導向性好，有利于配合定向工具實現(xiàn)軌跡控制[14]；鉆頭滿足力平衡設計要求，不平衡力小于3%，以確保整體具備較好的穩(wěn)定性。

4）其它優(yōu)化設計

如圖4（b），鉆頭采用側(cè)向切削齒及短保徑（保徑長1.5″～2″）設計，提高鉆頭導向性，有利于配合定向工具控制軌跡；鉆頭面流道較常規(guī)鉆頭更為開闊，更有利于提速后的返屑；力平衡設計要求及水利設計要求，確保鉆頭穩(wěn)定性好，水力性能優(yōu)。

3 現(xiàn)場應用

3.1 應用概況

優(yōu)選出的“復合沖擊器提速工具+專用PDC鉆頭”新型鉆井提速技術在南海東部X區(qū)塊多口井恩平組及以下古近系難鉆地層的應用效果良好，實鉆數(shù)據(jù)見表2。

表 2 復合沖擊器在南海東部某區(qū)塊地層應用舉例Table 2 Examples of application of composite impactor in a block in the eastern South China Sea

3.2 應用效果

（1）與鄰井相同垂直深度的機械鉆速對比

A7井四開φ215.9 mm井段第四趟鉆鉆具組合如下：φ215.9 mm專用PDC鉆頭&復合沖擊器+φ171.5 mm雙母接頭+φ203.2 mm鉆鋌+φ171.5 mm扶正器+X/O+φ171.5 mmF/V+φ165.1 mm鉆鋌×10 +φ165.1 mm震 擊 器+φ165.1 mm鉆 鋌×2 + X/O+φ139.7 mm加重鉆桿×12。優(yōu)選鉆井參數(shù)為：鉆壓3～12 t，排量1 800～2 500 L/min，頂驅(qū)轉(zhuǎn)速80～160 r/min。

鉆珠江組至文昌組地層，進尺高達1 524 m，平均ROP達到25.25 m/h（表2）。鄰井A2井相同垂直深度使用了4只“常規(guī)PDC鉆頭+超級馬達或旋轉(zhuǎn)導向”，平均ROP為7.52 m/h；另一鄰井A4井在相同垂直深度使用了3只“常規(guī)PDC鉆頭+馬達或旋轉(zhuǎn)導向”，平均ROP為17.61 m/h（圖5）。對比鄰井相同垂直深度，使用新型提速技術的平均ROP分別提高235.8%和43.3%，并且對比鄰井A2、A4井分別節(jié)省3趟和2趟起下鉆時間，鉆井效率顯著提高。

（2）與鄰井相同層位的ROP對比

A7井恩平組、文昌組古近系地層使用“復合沖擊器+專用PDC鉆頭”新型提速技術平均ROP分別為25.49 m/h和16.77 m/h。鄰井A2井在使用常規(guī)PDC配合超級馬達或旋轉(zhuǎn)導向，同層位平均ROP分別為14.32 m/h和3.81 m/h；鄰井A4井使用常規(guī)PDC配合馬達或旋轉(zhuǎn)導向，同層位平均ROP分別為14.65 m/h和8.81 m/h。與鄰井A2、A4井相比，在恩平組A7井使用新型提速技術平均ROP分別提高78%和74%，在文昌組分別提高340.2%和90.36%，鉆速顯著提高（表3）。

圖 5 與鄰井同垂深段使用效果對比圖Fig. 5 Comparison diagram of application effect of the same vertical depth section with adjacent wells

表 3 與鄰井在恩平組、文昌組地層使用情況分析表Table 3 Analysis of usage with adjacent wells in Enping and Wenchang formations

專用PDC鉆頭在恩平組、文昌組古近系地層完鉆后出井狀況如圖6，鉆頭正常磨損，整體狀況良好，未出現(xiàn)崩齒、牙齒碎裂及脫落等現(xiàn)象，表現(xiàn)出與古近系地層良好的適配性。

圖 6 專用PDC鉆頭出井照片F(xiàn)ig. 6 Photo of the special PDC bit out of the well

4 結(jié)論及建議

（1）由“復合沖擊器+專用PDC鉆頭”組合的鉆井提速技術在南海東部某區(qū)塊古近系難鉆地層成功應用，有效地應對了恩平組、文昌組及古近系難鉆地層巖石抗壓強度高、研磨性強、地層夾層較頻繁等難題，機械鉆速顯著提高。

（2）新型鉆井提速技術專用PDC鉆頭與古近系地層適配性較好，為今后其它區(qū)塊難鉆地層的井下工具選擇及鉆井提質(zhì)增效提供了技術參考。

（3）建議在其他區(qū)塊難鉆地層對該新型鉆井提速技術進行應用，并通過應用效果總結(jié)出更合理的鉆井參數(shù)，進一步挖掘該新型鉆井提速技術的應用潛力。