龙凤山气田中基性火山岩钻井提速提效技术

摘   要： 针对龙凤山气田下部火石岭组中基性火山岩储层钻井机械钻速慢、钻井周期长的难题，开展钻井提速提效技术研究。对金刚石复合片（PDC）钻头复合片侧倾角、钻头出露高度、钻压设定及测定方法等进行调整，形成优化的岩石可钻性级值评价方案;结合工区工程地质条件、岩石破碎机理和破岩钻头应用特点，对原有钻井技术的适应性进行评价，形成适用于火山岩储层的、钻头和螺杆性能适合各个井段的钻井提速提效技术。在以滑动钻进为主的井段，采用牙轮—PDC混合钻头，在以滚动钻进为主的井段，采用PDC钻头，并配套等应力螺杆进行钻井提速。技术应用后，单只钻头平均进尺提高35.11%，机械钻速提高25.35%。

关键词： 龙凤山气田;火山岩;岩石可钻性级值;钻井提速提效;金刚石复合片（PDC）;钻头平均进尺

中图分类号：TE242    文献标识码：A    文章编号：2095-8412 （2020） 05-125-07

工业技术创新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net    DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.05.023

引言

龙凤山气田位于吉林省长春市西北方向约120 km、长岭县西南方向约20 km处的前七号镇。构造上，该气田位于松辽盆地长岭断陷龙凤山鼻状构造带，本区储层主要为火石岭组中基性火山岩。通过近五年的研究及探索，在龙凤山工区上部碎屑岩地层，有效的钻完井配套工艺技术已经形成，钻井机械钻速慢、钻井周期长等问题得以解决[1-3];在工区下部的火石岭组中基性火山岩储层，地层平均进尺为1 239 m，占全井的30%，钻井周期为38 d，占全井的61%（不包含完井时间），是钻井提速的重点井段，但地层研磨性强、可钻性较差，使得机械钻速偏低，目前尚无对该储层的针对性研究。

为此，本文以龙凤山工区下部火石岭组中基性火山岩为研究对象，以地层岩石可钻性为依据，结合岩石破碎机理和破岩钻头应用特点，完成现有技术的适应性评价，进而形成了火山岩配套提速提效关键技术，为其他相似工程地质条件下的钻井提速提效提供有益借鉴。

1  地层岩石可钻性研究

准确认识地层岩石可钻性级值，对优选钻头等配套工具、提高地层层段的机械钻速具有重要意义。地层岩石可钻性级值可通过实验方法确定[4-6]。经过多次实验，本文在现有实验方法[7]的基础上为可钻性级值高于7级的地层提出一种新方案，基础数据精确度更高，钻头选型指导意义更强。

1.1  原实验方法主要存在的问题

（1）金刚石复合片（PDC）测试钻头复合片侧倾角为15°不合理。实验中发现：未钻达规定深度前，PDC侧面与岩石存在干涉现象。如图1a所示，PDC侧面会承担部分钻压，使得钻头的实际钻压低于规定钻压，钻进越深，干涉越严重，对于高强度岩石，通常难以钻达规定深度，影响测试结果的准确性。此外，凹台会在一定程度上发生破坏，如图1b所示。

（2）PDC安装后外凸出钻头体的尺寸是44 mm不合理。该尺寸正好是实验规定钻深，会影响实验结果。

（3）原实验没有规定PDC的切削刃倒角参数。实验研究表明，该参数对岩石可钻性测试结果影响显著。

（4）根据岩石可钻性测定方法，原实验中PDC钻头分摊到每个PDC的平均钻压仅为250 N，低于中硬岩石的“门限钻压”，常常出现PDC无法有效压入岩石的问题，导致其长时间在钻窝里打滑，不能钻达规定钻深，使得岩石可钻性级值测试结果偏高。

1.2  新實验方法主要改进措施

（1）PDC钻头复合片侧倾角由15°减少到5°。经过模型构建与模拟计算分析，在侧倾角为55°、后倾角为20°的情况下，在钻达44 mm钻深之前，PDC始终处于正常切削状态，复合片内侧面和外侧面均不会与岩石接触，不会分配钻压。

（2）将PDC测试钻头的PDC在安装后高出钻头本体的出露高度由4 mm调整至5 mm。

（3）将500 N固定钻压优化为3级钻压。1级钻压（500 N），2级钻压（1 000 N），3级钻压（2 000 N），满足不同强度试样测定要求。

（4）修改钻压测定方法。对于测定试样，首先采用第1级钻压测定，如果128 s以内未钻达规定深度，则采用第2级钻压测定;如果第2级钻压下128 s以内未钻达规定深度，再采用第3级钻压测定;如果第3级钻压下128 s以内仍未钻达规定深度，则测试终止。按照确定的测试钻压，测试三次以上。

1.3  岩石可钻性级值实验测定结果

对北213井3 521～3 524 m井段、北216井3 677～3 681 m井段进行岩心取样，通过TerraTek岩石力学参数测试仪、岩石可钻性测试仪开展相关实验。对7块全直径岩心、牙轮钻头和PDC钻头进行了一共21组可钻性实验，检测结果如表1所示。

2  现有技术地层适应性评价

2.1  PDC钻头适应性评价

PDC钻头利用剪切方式破岩，在适应地层中具有机械钻速快、进尺高、钻压较小的特点，但是PDC钻头的金刚石层只有2 mm左右，金刚石含量较低。如图2所示的PDC钻头破岩分析，对于高研磨性地层来说，PDC钻头的复合片容易脆裂并磨损失效，使其寿命短、进尺低。

龙凤山气田火石岭组可钻性较好，PDC钻头可钻性级值主要分布在5级左右，且地层含砾情况不突出、研磨性不高，现场钻进过程中未出现明显憋跳钻现象，PDC的磨损基本为正常磨损。

统计了北213和北216两个井区中基性火山岩PDC钻头应用情况，如表2所示。可以看出，PDC钻头在龙凤山中基性火山岩适应性很好，单只钻头平均进尺412.8 m，平均机械钻速4.34 m/h。

2.2  牙轮—PDC混合钻头适应性评价

牙轮—PDC混合钻头同时发挥PDC钻头具有优势的切削破岩机理及牙轮钻头特有的冲击破碎机理。牙轮切削齿形成不连续的齿坑，对岩石产生预破碎;PDC切削齿通过切削作用，将牙轮切削齿形成的不连续的齿坑连通，从而形成完整的破碎环带，使得混合钻头在硬塑性地层中具有较高的机械钻速[8-9]。混合钻头破岩机理分析如图3所示。

混合钻头钻遇硬夹层时，扭矩波动平稳程度明显好于PDC钻头，较小的扭矩波动可保持井底工具运行相对平稳，同时提高钻头操控性，有助于工具面稳定，适合在软硬交错频繁的地层及定向作业中应用。

龙凤山水平井定向段混合钻头和PDC钻头的使用指标对比如表3所示。龙凤山水平井定向段混合钻头单只平均进尺302 m，平均机械钻速4.09 m/h;PDC钻头单只平均进尺167.8 m，平均机械钻速3.03 m/h。在水平井定向段，混合钻头进尺较PDC钻头提高79.98%，机械钻速较PDC钻头提高34.98%。

龙凤山中基性火山岩水平井造斜段深度主要在3 100～3 600 m。根据表4进行计算可知，采用混合钻头，造斜段单井周期较PDC钻头缩短2.5 d，投资较PDC钻头节约27.1 万元。

在龙凤山中基性火山岩直井段，混合钻头和PDC钻头的使用指标对比如表5所示。混合钻头单只平均进尺234.6 m，平均机械钻速3.68 m/h;PDC钻头单只平均进尺545.2 m，平均机械钻速6.02 m/h。在直井段，PDC钻头进尺较混合钻头提高1.32倍，机械钻速较混合钻头提高63.59%。因此在直井段，混合钻头的使用效果不如PDC钻头。

在龙凤山中基性火山岩水平段，混合钻头和PDC钻头的使用指标对比如表6所示。混合钻头单只平均进尺347 m，平均机械钻速4.49 m/h;PDC钻头单只平均进尺408.25 m，平均机械钻速4.5 m/h。因此在水平段，PDC钻头进尺较混合钻头提高17.58%，机械钻速基本持平。

2.3  综合适应性分析

通过对PDC钻头和牙轮—PDC混合钻头的破岩机理以及钻头应用情况对比，在本区目前常用的提速提效技术中，对直井、定向井稳斜段和水平井水平段采用PDC钻头提速效果最佳，对造斜段采用牙轮—PDC混合钻头提速效果最佳。

3  高效钻头及动力钻具优选

3.1  高效钻头优选

根据中基性火山岩室内实验结果、破岩原理以及现场应用效果，聚焦于PDC钻头的应用，得到PDC钻头主体结构、可钻性与地层的对应关系，如图4所示。

3.2  动力钻具优选

目前，与PDC钻头配套的常用辅助破岩工具有扭力冲击器、螺杆钻具、等壁厚螺杆钻具以及等应力螺杆。

在龙凤山工区复合钻进过程中，由于扭矩平稳，无明显粘滑现象，因此扭力冲击技术提速优势不明显，其相较于螺杆钻进，输出转速反而降低，适应性不强。

螺杆钻具通过将钻井液的水动力转化成额外的转速提供给PDC钻头，再辅以转盘转速，使PDC钻头能够在200 r/min以上的较高转速下进行工作，既低于目前PDC钻头极限转速300 r/min，不使钻头快速磨损，又能提供较高的动力，发挥出高速剪切破岩的优势。龙凤山气田钻井主要采用该项技术，在以往PDC配合螺杆的复合钻井基础上提速10%。

等壁厚螺杆的基本结构与普通螺杆相同，在普通螺杆的基础上，马达定子被加工成与配套转子相同的螺旋槽。如图5所示，橡胶与定子内表面的粘接面积增加了50%以上，与常规螺杆相比具有稳定性好、扭矩大、转速高、寿命长的特点[10]。

等应力螺杆[11-12]利用流固耦合技术建立等应力预轮廓螺杆马达。如图6所示，该马达在等壁厚马达橡胶应力幅值大的部位适当增大壁厚，降低该部位的应力幅值，从而提高定子的疲劳寿命。改进后，应力极差降低28%，应力幅值降低44%。

三种螺杆钻具主要机械参数如表7所示。通过对比能够得出：在转速、工作扭矩、最大扭矩以及功率这四个参数方面，常规螺杆钻具性能最低，等应力螺杆性能最高。

对于龙凤山气田二开311.2 mm井眼，其平均进尺在1 900 m左右，普通螺杆性能参数较低，单只螺杆钻进深度一般在1 700 m左右，需要增加1趟起下钻。针对这一情况，于北203井实验应用等壁厚螺杆技术，进尺1 850 m完成二开，成功实现1趟钻的完钻。螺杆出井后，压降变化不大，可继续入井使用。

在北213-6HF井对等应力螺杆进行了实验，与常规螺杆钻进速度对比如表8所示。普通螺杆配套PDC 钻头平均进尺412.8 m，纯钻时间95.1 h，机械钻速达到4.34 m/h。等应力螺杆配套PDC钻头进尺558 m，入井时间102.5 h，机械钻速达到5.44 m/h，进尺较普通螺杆配套PDC钻头提高35.11%，机械钻速较普通螺杆配套PDC钻头提高25.35%。由于等应力螺杆配套PDC钻头在钻达设计中从井深起钻，使得等应力螺杆入井仅耗时102.5 h，且井口试运转正常，故仍可再次入井使用。

5  结论与建议

本文针对龙凤山工区下部火石岭组中基性火山岩机械钻速慢的难题，开展了钻井提速提效技术研究。以可钻性为依据，结合岩石破碎机理和破岩钻头应用特点，完成了现有技术适应性评价，得到了以下结论及建议：

（1）对原实验方法得到的可钻性级值高于7级的地层，采用新实验方法进行了实验，得到了新的地层岩石可钻性等级，基础数据精确度更高，钻头选型指导意义更强。

（2）对于龙凤山气田中基性火山岩地质条件而言，在以滑動钻进为主的井段，宜采用牙轮—PDC混合钻头，在以滚动钻进为主的井段，宜采用PDC钻头，并配套等应力螺杆进行钻井提速提效。

（3）后續建议在造斜段采用牙轮—PDC混合钻头配套等应力螺杆进行现场实验，进一步完善钻井提速提效配套技术适应性评价。

基金项目

中国石化科技部项目：龙凤山气田钻完井提速提效工艺技术研究（编号P15109）。

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作者简介：

黄乘升（1973—），通信作者，男，江苏镇江人，中石化华东石油工程有限公司六普钻井公司经理。研究方向：钻井工程技术与管理。

E-mail： 183700731@qq.com

（收稿日期：2020-07-27）