深部含砾地层液动旋冲工具钻进技术探索

， ，，

(1.大庆油田 钻井工程技术研究院，黑龙江 大庆 163413；2. 中国石油大庆钻探工程公司 钻井一公司，黑龙江 大庆 163413)①

大庆油田深部地层岩石地倾角大，可钻性差，在纵向上存在砂泥岩互层且含砾岩层，机械钻速低，且容易发生钻头失效、井斜严重等复杂情况，造成频繁起下钻。

液动旋冲工具作为大庆油田钻井研究院自主研发的井下动力钻具，通过钻井液将锤头冲击力作用于钻头上。在周向上产生均匀稳定的高频冲击力，在较硬地层钻进时，预先形成岩石裂纹，改善了PDC钻头的切削环境；在轴向上产生高频水力加压脉冲，提高了井底岩屑的清洗和运移，减少岩石重复切削，提高钻头切削效率。配合PDC钻头在砂泥岩地层应用取得了较好的提速效果，但在砾岩层段钻进中，为防止PDC切削片崩齿，极少使用。

本文分析了制约大庆油田深层钻井速度的因素，在钻具组合优化、钻井参数设计和钻头选择等方面进行了探索与实践，在深部含砾地层应用取得了较好的效果。

1 影响深部地层钻井速度的主要因素

1.1 井斜严重

造成井斜的原因主要有两方面，一是钻头与地层岩石相互作用方面，即地层存在倾角[1]和非均质性，使钻头受力不平衡，造成井斜；二是钻柱力学方面，即下部钻具组合不合理，使钻具产生弯曲变形，加剧钻头偏斜[2]，导致钻头受力不平衡，造成井斜。

1.2 钻头适应性差

在深部砾岩层等岩性坚硬地层，要求钻头必须具有良好的耐磨性。在钻头破碎硬地层过程中，是非连续的剪切崩裂过程，井底岩石施加给钻头的作用力往往是忽大忽小、变化频繁的冲击力，加之液动旋冲工具的脉冲作用，要求钻头必须具有良好的抗冲击能力，而抗耐磨和抗冲击是相互矛盾的两个方面，使钻头的选择和使用受到很大限制，需要寻找其它高效钻头[3-6]。

1.3 钻井参数不合理

长期以来，PDC钻头使用中强调“低钻压-高转速”，这种做法仅适用于软到中软地层。在砾岩地层，“低钻压-高转速”对钻头造成的损坏比“高钻压-低转速”更严重，钻头能量不能充分发挥，破岩效率低。

2 提速关键技术

2.1 钻具组合优选

根据液动旋冲工具现场施工参数，利用Landmark软件，对各种钻具组合的造斜率进行计算，得到不同钻具组合与造斜率的关系曲线，如图1。

图1 钻具组合与造斜率的关系

由图1可知，随着钻压的增加，液动旋冲工具配合双钟摆、光钻铤和塔式钻具组合后，造斜率曲线呈上升趋势，且造斜率较高，容易发生井斜；配合满眼钻具组合受钻压影响较小，在井斜严重时仍可采用大钻压钻进，对提速有利，但井斜呈稳定或缓慢上升趋势，不能用来降斜或灵活控制井斜大小。如果钻井过程中由于各种原因造成井径扩大，使稳定器失去有效支撑，将导致满眼钻具组合失败，引起井斜急剧变化；配合单钟摆钻具组合不仅可用于降斜，也可用于增斜和稳斜，应用范围较广，但在井斜较严重的情况下，须采用小钻压钻进，对钻速不利。

综合考虑纠斜、井下安全因素及大钻压加速钻头失效的影响，推荐选用单钟摆钻具组合。

2.2 钻井参数优化

根据液动旋冲工具现场施工参数，建立了钻压指数、转速指数、水力指数、钻速系数与地层可钻性级值之间的函数关系，如图2。

图2 岩石可钻性与各项指数关系曲线

运用回归分析方法，根据通用钻速方程[7]，建立液动旋冲工具钻速方程为

由旋冲工具钻速方程，得到如下结论：

1) 二级以上地层的钻压指数a随着kd的增大而增大，且均大于1，此值对钻速快慢影响较大。在不影响井眼轨迹的条件下，应尽量增大钻压值。

2) 各级地层的转速指数b随着kd的增大而减小，且均小于1，其最小值大于0.6，此值对钻速快慢的影响中等。在软地层，为获得较好的钻进效果，可采用较高转速钻进。但在硬地层降低转速势在必行。

3) 各级地层的水力指数c随着kd的增大而减小，且均小于0.5，其最小值为-0.007 4，五级值为0.253 1。此值对一至四级地层钻速快慢影响较大，而对五至九级地层影响较小；而对十级地层其值约为“0”，水力参数仅有清岩作用[8]，故五级以上地层水力参数选择，应以清岩作用为主。

4) 钻速系数是指除上述各参数外其他因素对钻速影响的综合系数。该系数是kd的负幂函数，随kd的增大而逐渐接近于“1”，故在深井钻井中，其他因素对钻速的影响可不予考虑。

2.3 钻头设计

1) 切削齿设计[9]。通过提高钻头切削齿金刚石含量，增强切削齿的耐研磨性和热稳定性；通过改善切削齿PDC片与碳化钨硬质合金柱之间的应力分布，降低残余应力，提高切削齿的抗冲击性能。

2) 钻头结构设计。根据地层岩石硬度，设计钻头冠部形状、布齿密度、切削齿尺寸和切削齿后倾角[10-15]如表1，优化切削齿载荷、磨损特性。在易发生崩齿或磨损的刀翼肩部采用防碰节等保护结构。

表1 钻头设计参数

3 应用效果

以徐深6-303井为例，采用单钟摆钻具组合配合液动旋冲工具进行施工。该井2 700～3 200 m岩性以砂泥岩为主，3 200～3 600 m以砾岩、砂质砾岩为主，夹薄层深灰色泥岩，高研磨性砂岩。在上部软地层，采用5刀翼长抛物线低密度阶梯状布齿的Tek Tonic钻头(如图3)，刀翼采用前倾设计，选用ø16 mm PDC切削齿，保持“低钻压-高转速”钻进。在下部含砾硬地层，采用8刀翼中短抛物线高密度螺旋布齿的Fuse TekTM钻头(如图4)，选用ø13 mm最新INFERNO系列PDC切削齿和孕镶金刚石材料，将孕镶钻头和PDC钻头完美融合在一起，抗研磨性更好。在钻头接近砾岩层段前20～30 m时，采取低钻压低转速起动磨合钻头，防止钻头先期损坏，进入砾岩层后保持“中低排量、中低转速、中高钻压”平稳钻进，保证钻头在相对稳定的状态下进行切削。

图3 Tek Tonic钻头

图4 Tek Tonic钻头

施工井段2 864.79～3 415.48 m，共550.69 m，施工2趟钻，纯钻时间 176.4 h，平均机械钻速3.12 m/h。与邻井徐深606井相比，平均单趟钻进尺提高1.45倍，平均机械钻速提高1.62倍，节约1趟起下钻，节约纯钻时间4.93 d。如表2所示。

4 结论

1) 通过钻具组合优选，满眼钻具和单钟摆钻具均具有较好的稳斜效果，综合考虑纠斜、井下安全因素及高钻压加速钻头失效的影响，推荐选用“液动旋冲工具+单钟摆钻具组合”。

2) 运用回归分析方法建立液动旋冲工具钻速方程，形成了软地层“低钻压-高转速”钻进，砾岩层“低排量、中低转速、中高钻压”平稳钻进的钻井参数优化方案。

表2 徐深6-303井液动旋冲工具使用情况

3) 基于地层及液动旋冲工具对抗冲击能力的要求，对钻头切削齿及结构进行了设计，兼顾钻头的抗耐磨性和抗冲击性。

4) 大庆油田钻井研究院自主研发的液动旋冲工具，在深部含砾地层中同样具有明显的提速效果。

[1] 刘永贵，罗桂秋，宋瑞宏，等. 影响徐家围子深探井钻井速度的因素分析[J].探矿工程，2006(7)：56-58.

[2] 张书瑞，吕长文，李洪秀，等. 大庆油田提高深井钻井速度的措施及效果[J].石油钻探技术，1997 (4) ：8-10.

[3] 王关清，陈元顿，周煜辉. 深探井和超深探井钻井的难点分析和对策探讨[J].石油钻采工艺，1998, 20(1)：1-7.

[4] 张伯英. 近期国内外深井和超深井钻井概况[J].钻采工艺，1994, 17(2)：28-29.

[5] 谭春飞，李树盛. 影响深井和超深井钻速的主要原因分析[J].石油钻采工艺，1998, 20(4)：32-35.

[6] 周英操，张书瑞，刘永贵. 大庆外围探井钻井速度的影响因素分析[J].石油学报，2007,28(2)：113-116.

[7] 徐济银，李祖奎. 胜利油田通用钻速预测方程的建立与验证[J].石油钻探技术，1995 (1) ：15-17.

[8] 王敏生，李祖奎，耿应春，等. 室内岩石破岩机制试验及应用研究[J].岩土力学，2008, 29 (3) ：711-716.

[9] 邵明仁，张春阳，陈建兵，等. PDC钻头厚层砾岩钻进技术探索与实践[J].中国海上油气，2008, 20(1)：44-47.

[10] 张明光，张云联. 新型PDC钻头设计[J].石油钻采工艺,2000 , 22 (2) ：31-34.

[11] 刘向东. PDC钻头的主要几何参数对其力学性能影响的研究[D].西安：西安科技大学，2009.

[12] 翟应虎，蔡镜仑. PDC钻头切削齿运动规律的探讨[J].中国石油大学学报：自然科学版，1995 (4) ：49-53.

[13] 张明光. 适合多夹层PDC钻头研究[D].南充：西南石油学院，1999.

[14] Kuru E, Wojtanowicz AK. An experimental study of sliding friction between PDC drill cutters and rocks[J]. Int J Rock Mech and Min Sci&Geotech Abstr, 1995,32(3)：277-283.

[15] Pain D D, Schieck B E. Evolution of polycrystalline diamond compact bit designs for rocky mountain drilling[J]. Journal of Petroleum Technology, 1985(7)：1213-1219.