塔里木油田深層寒武系白云巖鉆井提速技術(shù)研究與應(yīng)用

何仁清，徐代才，依力哈木江·塔依爾，王壇，吳佳杭

中國石油塔里木油田分公司 安全環(huán)保與工程監(jiān)督中心（新疆 庫爾勒 841000）

鹽下碳酸鹽巖、白云巖是全球范圍內(nèi)油氣勘探的重要領(lǐng)域。塔里木盆地寒武系鹽下油氣藏勘探程度低[1]，作為塔里木油田重點勘探目標(biāo)，寒武系鹽下油氣藏普遍埋深超6 000 m，其中下奧陶系統(tǒng)、上寒武系發(fā)育大套白云巖，壓實程度高，部分層段發(fā)育燧石結(jié)核和硅質(zhì)，可鉆性極差，單只進(jìn)尺低。輪探1井獲勘探突破之前，寒武系鹽下油氣藏井鉆井周期普遍超300 d，奧陶系、寒武系白云巖層段單只常規(guī)鉆頭平均進(jìn)尺僅105 m，機(jī)械鉆速不足1.5 m/h。以CT1 井為例，該井5 877 ～7 103 m 段白云巖地層平均單只鉆頭進(jìn)尺87.6 m，機(jī)械鉆速1.03 m/h，僅白云巖地層鉆井周期長達(dá)110 d，嚴(yán)重制約寒武系鹽下油氣藏的勘探進(jìn)程。

1 白云巖地層鉆井提速難點

1.1 常規(guī)鉆頭進(jìn)尺低，鉆頭及提速工具選型困難

寒武系白云巖已鉆井中，YL6、CT1 等井采用的攻擊性PDC 鉆頭和IADC537、617 系列牙輪鉆頭崩齒嚴(yán)重；ZS5、YL6 等井采用的高布齒密度PDC 鉆頭機(jī)械鉆速低，肩部磨損嚴(yán)重；IADC737系列牙輪單只進(jìn)尺無明顯提高，且機(jī)械鉆速低。

5 刀翼16 mm 齒PDC 鉆頭因布齒密度低，單齒載荷大，攻擊性強(qiáng)，機(jī)械鉆速達(dá)2.1 m/h，但內(nèi)外錐部分崩齒嚴(yán)重。如圖1（a）所示：內(nèi)錐崩齒后成環(huán)形槽，肩部崩齒，鉆頭縮徑，單只鉆頭進(jìn)尺僅69 m。為提高鉆頭壽命，ZS5井采用6刀翼13 mm或16 mm齒PDC鉆頭，鼻肩部采用雙排或三排設(shè)計，如圖1（b）、（c）所示：布齒密度增加，鉆頭磨損改善，單只進(jìn)尺提高，三排齒PDC鉆頭進(jìn)尺達(dá)到130 m，但平均機(jī)械鉆速僅1.1 m/h，肩部仍見崩齒。

圖1 PDC鉆頭磨損情況

因PDC 鉆頭磨損嚴(yán)重，ZS5、YL6 等井采用了各類型的牙輪鉆頭。如圖2 所示，IADC537 系列牙輪鉆頭的楔形齒出露高、攻擊性較強(qiáng)，但內(nèi)外錐崩齒嚴(yán)重，采用球型齒的IADC737系列鉆頭崩齒有所改善，但機(jī)械鉆速不足1 m/h，受限于軸承壽命，單只進(jìn)尺無明顯提高。

圖2 牙輪鉆頭磨損情況

為探索白云巖地層新型破巖方式，ZS5 井在下奧陶系統(tǒng)試驗使用旋沖鉆具提速，進(jìn)尺僅4 m，因機(jī)械鉆速低起鉆，配套鉆頭的內(nèi)外錐部分多個切削齒崩落，如圖3 所示。此外，由于深井超深井泵壓限制、井漏風(fēng)險等原因，渦輪等提速工具使用受限。

圖3 旋沖配套鉆頭磨損情況

1.2 扭矩波動大，穩(wěn)定切削困難

白云巖可鉆性差，鉆頭布齒密度增加或切削齒磨損均會導(dǎo)致切削齒吃入困難，此外因深井鉆柱能量傳遞不足，切削齒吃入后剪切破巖困難，以上均會導(dǎo)致鉆進(jìn)時扭矩波動，頻繁憋停，起出鉆頭肩部外側(cè)崩齒嚴(yán)重。

因井底鉆頭工作狀態(tài)難以獲取，采用地面黏滑指數(shù)[2]反應(yīng)鉆頭在井底的扭矩波動情況。以CT1 井寒武系白云巖段鉆井參數(shù)為例，如圖4 所示，井段5 980～6 420 m、5 180～5 340 m黏滑指數(shù)較其余井段明顯升高，單只鉆頭進(jìn)尺明顯低于同層段其他鉆頭，且機(jī)械鉆速低，起出鉆頭肩部外側(cè)磨損嚴(yán)重。鉆井參數(shù)（高鉆壓低轉(zhuǎn)速）、鉆頭磨損情況及黏滑指數(shù)均表明鉆頭在井底工作狀態(tài)不平穩(wěn)。

圖4 鉆井參數(shù)分析

2 深層寒武系白云巖鉆井提速研究

為解決深層奧陶系、寒武系白云巖鉆井提速難題，塔里木油田開展了基于巖石力學(xué)研究、鉆頭磨損分析的白云巖鉆井提速攻關(guān)，形成了以“預(yù)破碎+穩(wěn)定切削”為核心的深層寒武系白云巖鉆頭和提速工具優(yōu)選方法。

2.1 巖石力學(xué)分析

塔里木盆地寒武系-中下奧陶統(tǒng)是一套以碳酸鹽巖為主體的海相沉積層系，上寒武系下丘里塔格組和下奧陶系統(tǒng)蓬萊壩組發(fā)育埋藏類白云巖[3]，即灰?guī)r被成巖物質(zhì)交代，發(fā)生白云石化，形成具有不同級次結(jié)晶結(jié)構(gòu)的白云巖，如圖5（a）所示，鏡下觀察白云石的結(jié)晶度高、有序度好、巖性純。

因為沉積環(huán)境中成熟有機(jī)質(zhì)、熱液活動等原因，奧陶系-寒武系碳酸鹽巖硅化作用發(fā)育，具體表現(xiàn)為與圍巖呈突變接觸的燧石結(jié)核，如圖5（b）所示；以及沿裂縫、孔洞發(fā)育的隱晶質(zhì)硅質(zhì)和自生石英，如圖5（c）所示。XRD 分析證明，燧石結(jié)核成分仍以石英為主，見表1。

圖5 硅質(zhì)白云巖、燧石結(jié)核白云巖和白云巖

表1 燧石結(jié)核XRD分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） /%

由于構(gòu)造縫、成巖縫、溶蝕縫等原因，白云石除具有高結(jié)晶度特征外，還具有縱橫向不均質(zhì)性。刻劃實驗顯示，由于縫隙充填物不同，巖樣刻劃強(qiáng)度范圍105～280 MPa，巖心表面刻劃強(qiáng)度波動幅度大，均值約為214 MPa。白云巖在埋藏條件下，比灰?guī)r更脆，易產(chǎn)生破裂作用，這也是白云巖儲集層特征之一。三軸巖石力學(xué)實驗揭示了白云巖的脆性特征，如圖6所示，含燧石結(jié)核白云巖抗壓強(qiáng)度最高超過200 MPa，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈明顯的階梯狀，應(yīng)力應(yīng)變曲線及巖石破碎狀態(tài)均表現(xiàn)出脆性特征。

圖6 三軸巖石力學(xué)實驗

2.2 鉆頭優(yōu)選

根據(jù)鉆頭磨損特征和巖石力學(xué)實驗，奧陶-寒武系地層鉆頭磨損特表現(xiàn)為崩齒，其主要原因是（白云巖、燧石結(jié)核、硅質(zhì)的）高抗壓強(qiáng)度、（裂縫充填物不同造成的）地層不均質(zhì)性、（黏滑引起的）井下振動等導(dǎo)致的沖擊損傷；硅質(zhì)白云巖、燧石結(jié)核研磨性強(qiáng)，但其對切削齒的研磨性損傷后發(fā)于沖擊損傷。

因地層的高抗沖擊性特征，傳統(tǒng)PDC鉆頭以降低布齒密度、減小切削齒后傾角等方式只能單方面解決鉆頭攻擊性問題，無法保證單只鉆頭進(jìn)尺。在牙輪鉆頭和常規(guī)PDC鉆頭應(yīng)用受限的情況下，要提高白云巖地層的機(jī)械鉆速，一是優(yōu)選白云巖新型破巖方式，二是解決穩(wěn)定切削難題。而提高單只鉆頭進(jìn)尺，關(guān)鍵是優(yōu)選高抗沖擊切削齒,提高鉆頭抗沖擊性，解決思路如圖7所示。

圖7 提高機(jī)械鉆速解決思路

2.2.1 切削齒優(yōu)選

對于傳統(tǒng)平面PDC 齒，研究結(jié)果表明，可通過調(diào)整后傾角、控制切削深度、提高布齒密度、降低切削速度即轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速等方式減輕對切削齒的沖擊，但上述方式常以犧牲鉆頭攻擊性為代價，不能從根本上解決非均質(zhì)地層引起高沖擊性難題。ZS5井采用的三排齒PDC 鉆頭，通過增加布齒密度、調(diào)整后傾角，抗沖擊性有所提高，但肩部外側(cè)因井下振動崩齒嚴(yán)重，且機(jī)械鉆速低。

近幾年興起的非平面PDC 齒為抗沖擊性切削齒優(yōu)選提供了新的思路[4-6]。非平面齒以多平面分散不均質(zhì)地層沖擊力，避免切削齒正面受力：斧型齒、三棱齒等非平面齒鉆遇燧石或硅質(zhì)時，如圖8所示。非均質(zhì)地層不再直接沖擊金剛石復(fù)合片平面，燧石或硅質(zhì)與凸脊產(chǎn)生線接觸，產(chǎn)生的沖擊力由多個平面分擔(dān)，切削齒抗沖擊力增強(qiáng)，同時凸脊以線接觸即應(yīng)力集中方式擠壓地層，破巖效率提高。三棱齒使用已在塔里木油田庫車山前的礫石層取得良好的提速進(jìn)尺效果。

史密斯發(fā)明的錐形齒、斧型齒同樣具有多平面分散抗沖擊力的特性，如圖8（b）、（c）所示，兩者的金剛石層厚度分別是常規(guī)PDC 平面齒的2 倍、1.7倍，加之通過優(yōu)化金剛石粒度分布等方式，錐形齒、斧型齒抗沖擊性相應(yīng)增強(qiáng)，同時兩者均以應(yīng)力集中方式接觸地層，吃入性高于常規(guī)平面齒。

圖8 非平面齒

綜上，白云巖地層PDC切削齒選擇應(yīng)以非平面齒為主，通過多平面設(shè)計、增加金剛石層厚度、優(yōu)化金剛石粒度等方式解決切削齒抗沖擊性難題。

2.2.2 白云巖破巖方式及鉆頭優(yōu)選

牙輪進(jìn)尺受活動部件限制且機(jī)速低，不能滿足深井超深井鉆井需要；而白云巖埋藏深、抗壓強(qiáng)度高特點，傳統(tǒng)PDC 鉆頭剪切破巖效率低、不耐沖擊。優(yōu)選白云巖地層破巖新方式，滿足提高進(jìn)尺和機(jī)速需要，基礎(chǔ)是利用白云巖的巖性特征，關(guān)鍵在于發(fā)揮各切削結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。

基于對白云巖脆性特征的認(rèn)識，塔里木油田早在2013年開展了旋沖鉆井實驗，探尋通過體積破巖的方式提高白云巖地層的機(jī)械鉆速。因白云巖地層高抗壓強(qiáng)度以及PDC 鉆頭抗沖擊性不足的天然劣勢，利用PDC鉆頭的沖擊鉆井被證明不適用于白云巖地層。

在沖擊鉆井未取得效果的情況下，塔里木油田繼續(xù)探索了利用白云巖脆性特征以及復(fù)合鉆頭“碾壓沖擊+剪切”破巖方式的現(xiàn)場試驗：復(fù)合鉆頭牙輪結(jié)構(gòu)沖擊碾壓井底巖石產(chǎn)生破碎坑，破碎坑周圍巖石產(chǎn)生裂紋，預(yù)先形成的破碎坑和裂紋降低了巖石強(qiáng)度，提高了PDC 切削齒剪切效率[7-9]。此外，牙輪切削結(jié)構(gòu)可承受較大的沖擊載荷，避免PDC齒因受沖擊而提前失效。2017年，ZH1井在白云巖地層試驗了3只復(fù)合鉆頭，平均機(jī)械鉆速1.9 m/h，進(jìn)尺222 m，進(jìn)尺和機(jī)械鉆速提高明顯，證明了“預(yù)破碎”破巖方式在白云巖類脆性硬地層提速的可行性。

因復(fù)合鉆頭現(xiàn)場應(yīng)用仍受活動部件限制，塔里木油田進(jìn)一步探索了利用PDC 鉆頭實現(xiàn)“預(yù)破碎”的提速現(xiàn)場試驗。尖圓混合齒（尖錐齒與三棱齒、斧型齒、常規(guī)平面齒等混合）PDC鉆頭通過合理設(shè)計切削結(jié)構(gòu)，以尖錐齒實現(xiàn)預(yù)破碎功能，通過設(shè)計尖錐齒、圓齒同軌切削，尖錐齒先吃入地層。如圖9所示，白云巖在尖錐齒點接觸下形成裂紋，地層強(qiáng)度降低，跟隨切削的圓齒剪切破巖難度相應(yīng)降低。此外，因沖擊性顯著優(yōu)于平面齒，尖錐齒布置于肩部外側(cè)，可減輕鉆頭渦動損傷，提高鉆頭穩(wěn)定性，延長鉆頭使用壽命。

2.3 提速工具優(yōu)選

根據(jù)寒武系白云巖鉆頭磨損特征及工作狀態(tài)，該層段提速工具應(yīng)以提供切削動力、穩(wěn)定鉆頭工作狀態(tài)為主要功能，以達(dá)到提高PDC 鉆頭剪切效率、降低鉆頭振動損傷的目的。

螺桿鉆具將水馬力轉(zhuǎn)化為扭矩、轉(zhuǎn)速輸出，驅(qū)動鉆頭實現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定切削?？紤]寒武系白云巖地層中硅質(zhì)、燧石等研磨性強(qiáng)，該層段螺桿選擇應(yīng)以大扭矩、相對低轉(zhuǎn)速的螺桿為宜，防止鉆頭因轉(zhuǎn)速過高而發(fā)生早期磨損。

扭力沖擊器[10]將水力能量轉(zhuǎn)換為高頻周向沖擊，在提供主動切削力的同時，避免鉆進(jìn)過程中黏滑，有利于鉆頭均勻切削，保護(hù)鉆頭，可用于寒武系白云巖地層提速。

3 現(xiàn)場試驗效果

根據(jù)上述鉆頭和提速工具優(yōu)選原則，寒武系鹽下油氣藏井ZH1、HT2、輪探1、ZH2等井探索了復(fù)合鉆頭、非平面齒鉆頭、尖圓混合齒鉆頭與螺桿、扭力沖擊器等提速工具的配套應(yīng)用，現(xiàn)場試驗進(jìn)尺、機(jī)速明顯提高，深層寒武系白云巖單只鉆頭進(jìn)尺提高83%，機(jī)械鉆速提高34%，見表2。

表2 寒武系白云巖鉆頭和提速工具應(yīng)用對比（12?4"井眼）

4 認(rèn)識與建議

基于寒武系白云巖巖性特征、鉆頭磨損特征以及振動特征研究，提出了該類巖性鉆頭和提速工具的優(yōu)選原則，現(xiàn)場試驗提速效果明顯，單只鉆頭進(jìn)尺大幅提高。

1）發(fā)揮巖性特征和各切削結(jié)構(gòu)破巖優(yōu)勢，是寒武系白云巖鉆井提速取得突破的關(guān)鍵。寒武系白云巖脆性特征明顯，選擇具有擠壓預(yù)破碎功能的復(fù)合鉆頭、尖圓混合齒鉆頭，可提高切削齒剪切破巖效率。

2）深井超深井鉆具振動加劇鉆頭沖擊損壞，鉆頭設(shè)計及提速工具選擇應(yīng)兼顧考慮鉆頭工作穩(wěn)定性，即在抗沖擊性設(shè)計的同時，以鉆頭的平衡性設(shè)計、提速工具選擇等方式穩(wěn)定井底鉆頭工作狀態(tài)，延長鉆頭使用壽命。