腰英台地区深井钻井提速技术

朱军，高英强，任杭洲，刘炳运

（中国石化中原石油勘探局钻井二公司，河南 濮阳 457001）

腰英台地区深井钻井提速技术

朱军，高英强，任杭洲，刘炳运

（中国石化中原石油勘探局钻井二公司，河南 濮阳 457001）

腰英台地区深井地层具有岩石可钻性差、井壁稳定性差、井底温度高等特点，因此钻速较慢，钻井周期较长。为加快该地区的勘探开发进度，降低钻井成本，在该地区进行了深井钻井提速技术研究。通过针对不同地层的多种PDC和牙轮钻头优选、井底动力钻具和复合钻井试验、新型射流式冲击钻井工具试验及深井抗高温防塌钻井液研究应用等方面的攻关研究，最终形成了一套适合腰英台深井的钻井提速技术。经过现场3口井的应用，取得了显著的提速效果，平均机械钻速提高13.7%，平均钻井周期缩短27.1%。新型钻井液体系的应用有效降低了钻井复杂时效，提高了井身质量，为钻井提速创造了有利条件。建议在该地区继续进行新工具新工艺的现场试验，最终形成一套完善的深井钻井提速技术。

钻头优选；高温钻井液；动力钻具；深井提速；腰英台地区

腰英台地区属松辽盆地南部长岭凹陷，是中国石化东北油气分公司增储上产的重点区块之一。2005年以来，该区先后完成了腰南1井、腰深1井、腰深2井等10余口深井钻探，平均完钻井深4 800 m左右。腰英台地区深井主要钻遇地层包括第四系、第三系、白垩系等，具有岩石可钻性差、井壁不稳定和井底温度高等特点，导致钻井速度慢、周期长，因此亟需开展深井钻井提速技术攻关研究，以加快勘探开发进程。在分析腰英台地区钻井施工面临难题的基础上，参考国内其他地区深井钻井提速技术［1-7］，从本地区实际出发，通过不断完善深井钻井提速技术，形成了一套腰英台地区深井钻井提速技术，为本区块的深层勘探开发提供了重要的技术支持。

1 钻井技术难点

通过对前期已钻深井情况的总结分析，腰英台地区深井主要存在以下钻井技术难点。

1.1 岩石可钻性差，机械钻速低

该地区地层岩性复杂，砾石含量高，地层可钻性级值高，钻探难度很大，全井平均机械钻速仅为1.7～2.0 m/h。在青山口组及以下地层曾多次进行国产PDC钻头试验，但未取得实质性突破。如腰深4井二开进入青山口组后，先后进行了7次PDC钻头试验，平均机械钻速仅为1.09 m/h，使用情况不理想，进尺、使用时间、机械钻速基本接近或低于牙轮钻头，火山岩地层单只牙轮钻头进尺仅26～50 m，纯钻时间15～40 h，行程钻速极低。在前期钻探施工过程中，还曾对液动冲击锤和孕镶PDC钻头+高速涡轮等钻井技术进行了试验，但由于地层可钻性差，提速效果很不理想。

1.2 井壁稳定性差，对钻井液性能要求高

由于嫩江组、姚家组、青山口组等地层水敏性强，裂缝、微裂缝发育，井壁失稳严重，存在着周期性垮塌、井漏现象，复杂情况时有发生。针对该地区易塌地层岩样，分别进行了射线衍射分析、扫描电镜分析及泥页岩理化性能分析。结果表明，腰英台地区全井段都有较高含量的蒙脱石和伊利石，腰中、腰北区块全井段都有较高含量的伊利石和少量的伊蒙混层，易发生水化膨胀。因此，要求钻井液具备强抑制能力，以满足井壁稳定的需要。

同时由于火山岩裂缝发育，对钻井液密度极其敏感，钻井液安全密度窗口窄，极易发生井漏和井塌（腰深5井最大掉块直径达到80 mm），在欠平衡钻进时尤为严重［8］。

可见，常规钻井液已无法满足腰英台地区钻井工程的要求。必须结合区域地质特点，在参考国内其他地区井壁稳定技术的基础上，优选深井钻井液体系，研发抗高温防塌钻井液，以满足深井施工的需要［9-13］。

1.3 井底温度高，对动力钻具要求高

腰英台地区地温梯度为3.5～3.7℃/100 m，深井井底温度高达150℃左右，对仪器和井底动力钻具的耐温能力要求高。由于井底高温和钻头难以承受复杂地质条件下的高转速，深井大尺寸井眼动力钻具的应用受到极大的限制，使得复合钻进技术实施困难，机械钻速提高难度较大。

2 钻井工艺技术

2.1 钻头优选

在统计分析腰英台地区地层岩性及邻井钻头使用情况的基础上，在腰深5井和腰深9井分别试验应用了BTM115，BTM116E，M1365SS，M1951SGU，HC407ZX，HC506ZX，HC506ZX，HC407ZX，HCM407ZX等多种型号的PDC钻头及贝克休斯MXL-DS55DX牙轮钻头。

2.1.1 PDC钻头

2.1.1.1 二开四方台组—青山口组地层

此段地层主要为砂泥岩互层，泥岩含量高，在钻头的选用上应从钻头的自锐性、流道设计、复合片倾角等方面入手，在保持较高机械钻速的条件下，防止钻头泥包，对砂泥岩夹层具有较强的适应能力。

通过在腰深9井应用新型PDC钻头，在青山口组1 990 m以上井段机械钻速高达20.61 m/h，与邻井平均机械钻速14.2 m/h相比，提高了45.14%；与邻井最高机械钻速15.6 m/h相比，提高了32.1%，创同区块上部井段最高机械钻速记录，青山口组平均机械钻速仅为3.96 m/h。腰深5井的现场试验表明，PDC钻头的自锐性和适应交错性地层的能力还有待改进，其进尺和邻井相当，但平均机械钻速高达13.23 m/h，比邻井高出59.2%。

2.1.1.2 二开青山口组及以下地层

青山口组以下地层特性极其复杂，钻头钻遇环境复杂，必须具有较强的抗冲击性和研磨性。钻头应有较大的复合片倾角，以保证钻头运动稳定；使用小尺寸复合片，以保证钻头中心部位抗冲击能力强；且应具有备齿保护设计，从而有效提高钻头使用寿命，维持较高的机械钻速，减少起下钻次数，有效缩短钻井周期。

在腰深9井试验了2只国产PDC钻头。试验结果表明，2只钻头在青山口组试验井段的进尺、机械钻速与牙轮钻头相当，主要原因是钻头的抗冲击和抗研磨性不足，无法适应地层特性，造成钻头在短时间内早期破坏，钻时逐渐增加。在腰深5井试验了4只不同型号的贝克休斯PDC钻头，使用井段为1 942.74～3 369.44 m，进尺1 426.70 m，纯钻时间838.91 h，机械钻速1.92 m/h；与腰深4井牙轮钻头的机械钻速0.9 m/h相比，提高了113%，节约钻井周期10.6 d。

实际使用情况表明：该区块青山口组地层适合HC506和HC505系列的16 mm复合片PDC钻头，青山口以下的泉头组地层使用13 mm混合复合片多刀翼钻头，可有效切入地层，抵抗地层冲击。

2.1.2 进口牙轮钻头

鉴于腰英台白垩系下统营城组火山岩以及泉头组、登娄库组、沙河子组、火石岭组碎屑岩可钻性极差，钻头机械钻速低，单只进尺少，磨损严重，跳钻引起断齿等情况，先后在腰深5井三开井段试验了8只贝克休斯牙轮钻头。

通过对牙轮钻头的使用情况进行分析，发现在营城组火成岩钻进中，单只贝克休斯牙轮钻头的平均进尺比国产钻头多37.29～57.43 m，单只钻头相当于2～3只国产牙轮钻头，机械钻速提高了0.62～1.12 m/h。同时，还减少了起下钻次数，大大缩短了钻井周期。因此，使用抗冲击能力强的进口牙轮钻头，是提高火山岩地层机械钻速和缩短钻井周期的有效途径。

2.2 动力钻具及复合钻井技术

2.2.1 进口PDC钻头+螺杆复合钻进

在腰深5井3 142～3 369 m（泉头组二段）井段进行了进口PDC钻头+螺杆复合钻进试验。该段地层上部为灰色细砂岩、泥质粉砂岩与紫红色泥岩等厚互层，中部为灰色白云质粉砂岩与紫红色泥岩等厚互层，下部为灰色细砂岩与紫红色泥岩等厚互层。由于地层砂泥岩互层情况普遍，在该井段钻进时，钻头扭矩面临幅度较大的周期性变化，所以螺杆的质量和使用寿命非常关键，应保守使用，转盘转速控制在30 r/min以下，防止螺杆和钻具出现问题。控制好钻井液性能，防止井壁掉块引起的复杂情况和事故。应处理好井下携砂与钻井液排量及钻井液性能之间的关系，一般情况下，钻井液排量不宜过大，保持在40 L/s左右，保证钻头和螺杆安全。

试验中使用了1只HC505ZX贝克休斯PDC钻头和立林φ244.5 mm 7/8头5级深井型螺杆，该螺杆具有大功率、低转速、抗高温的特性。通过双驱复合钻进试验，钻头进尺为227 m，机械钻速达到1.58 m/h。与上井段转盘钻进相比，机械钻速提高了13%。

2.2.2 进口孕镶PDC钻头+涡轮复合钻进

在腰深7井3 235.55～3 277.67 m井段进行了进口孕镶PDC钻头+涡轮钻具试验，使用了贝克休斯HH676G89Y钻头。起初按照涡轮厂家提供的钻进参数进行钻进，但效果不佳，钻速较慢；随后逐步增加钻压至100 kN，排量29 L/s，钻时变化不明显；最后钻时达到150 min/m，决定起钻。最终该趟钻进尺42.12 m，纯钻46.17 h，机械钻速0.91 m/h。钻头取出后，长度减少了1.6 cm，胎体磨损严重，平均磨损2 cm左右，但保径基本完好。

在涡轮钻具复合钻进试验失败之后，下入三牙轮钻头继续钻进。钻头平均纯钻时间为35 h，平均机械钻速1.20 m/h，比使用涡轮钻进提高了31.9%。试验结果表明，孕镶PDC钻头+涡轮复合钻进对营城组火成岩地层的适应性较差，还需进一步试验。

2.3 射流式冲击器

在腰深7井3 557.20～3 589.92 m井段进行了射流式冲击器旋冲钻井试验，钻遇地层为营城组底部凝灰岩和沙河子组灰黑色泥岩、粉砂岩和砾岩。试验中使用了2套液动射流式冲击器（YSC-178A和YSC-178B），入井时间共计120 h，纯钻时间57.71 h，进尺66.87 m，平均机械钻速1.16 m/h。

试验结果表明，与同一地层同一钻头不使用冲击器的钻进效果相比，旋冲钻井的机械钻速略有提高，但提速效果不明显，且冲击器工作不稳定。其中，第1套冲击器出井试冲不能启动，而第2套冲击器出井试冲可正常启动，但内部密封损坏。

2.4 耐高温防塌钻井液

该地区一般要求直井钻井液密度为1.05 g/cm3左右，采用欠平衡钻进；水平井钻井液密度为1.25 g/cm3左右，采用正常压力钻进。深井井段对钻井液具有如下要求：

1）该地区井底温度高达150℃，钻井液在高温高压下易发生变化，特别是直井，由于要求钻井液密度低，导致钻井液固相含量少，极易在高温下稀释，流变性变差。因此，钻井液应具有较强的抗温能力，在高温下保持良好的稳定性。

2）腰英台地区上部地层泥岩中蒙皂石含量高，钻井过程中易水化分散，引起缩径。下部地层普遍含砂泥岩互层，坍塌掉块现象比较突出，因此，深井钻井液应具有较强的抑制性，以满足井壁稳定的需要。

3）气田天然气高含CO2（体积分数一般在20%以上），要求钻井液具有强抗污染能力，以解决CO2及其他化学离子污染问题。

4）由于高温高压的作用，深井钻井液对深部油层的损害更加严重，因此，要求打开气层的钻井液完井液应具有较强的油气层保护能力。

根据以上对腰英台地区钻井液性能要求的分析，结合国内其他地区深井不稳定地层钻进时钻井液的使用经验［14-17］，研制了有机硅防塌抗温钻井液，并在腰深5井进行了现场试验。钻井液配方为0.2%NaOH+0.2% Na2CO3+3%膨润土+0.5%LV-CMC+1%FT-1+1%SMP-2+ 1%KFT+0.5%GWJ+0.5%YGT+1%K-OSAM+1%SF260+ 0.2%PAC-HV，性能参数指标如下：漏斗黏度60 s，密度1.05 g/cm3，塑性黏度14 mPa·s，动切力7 Pa，API失水量3.2 mL，HTHP失水量11 mL。

在钻进过程中，主要补充膨润土浆胶液，其配方为（3%～4%）土粉+（1.5%～2.0%）KFT+（1.5%～2.0%）SMP-2+（1.5%～2.0%）YGT+（0.15%～0.20%）PAC-HV。另外，每天补充200 kg的GWJ或SF260，以保证钻井液性能稳定。

从腰深5井的实际应用效果看，钻进时该钻井液体系性能稳定，起下钻顺利，无阻卡显示。三开段井径平均扩大率为6.1%，比腰深4井降低39.1%，达到了预期目标。有机硅防塌抗温钻井液体系具有性能稳定、处理维护简便、环保、成本相对较低等优点，较好地满足了钻井施工的需要，有效避免了井下复杂情况的发生，保证了钻井及完井等各项工作的顺利进行。

3 结论

1）通过钻头优选、动力钻具优选、新型射流式冲击器试验，形成了一套适合腰英台地区的深井钻井提速技术。同时研制并试验了新型耐高温防塌钻井液，为钻井提速提供了有力保障。

2）通过3口井的现场试验，机械钻速提高13.7%，钻井周期缩短27.1%，达到了钻井事故复杂时效为0、井身质量合格率100%、井径扩大率降低59%的目标。

3）建议继续在腰英台地区开展深井钻井提速技术研究，最终形成一套钻头和动力钻具使用模版和钻井液使用图版，为进一步钻井提速提供技术指导。

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（编辑 赵卫红）

Technology to improve drilling speed of deep well in Yaoyingtai Area

Zhu Jun,Gao Yingqiang,Ren Hangzhou,Liu Bingyun
(No.2 Drilling Company,Zhongyuan Petroleum Exploration Bureau,SINOPEC,Puyang 457001,China)

Deep wells are characterized by poor rock drillability,instable borehole wall and high bottom temperature in Yaoyingtai Area,resulting in a slow drilling speed and long drilling period.In order to accerlerate the pace of exploration and development and to reduce the drilling cost in this area,the study on improving drilling speed of deep well was conducted.Through the optimization of PDC and roller bits that are suitable for different strata,test of downhole dynamic drilling tool and combined drilling,test of newtype water jetting drilling tool and research on resistance to high temperature and anti-sloughing drilling fluid,a set of improved techniques of drilling speed for deep well in Yaoyingtai Area are formed at last.Obvious improved result has been achived through the field applilcation in three wells.The average ROP is increased by 13.7%,and the average period of drilling is decreased by 27.1%.With the application of new drilling fluid system,complex outage time is reduced and the quality of wellbore is enhanced efficiently,which contribute to fast drilling operation.It is suggested that the field test of new drilling tools and new techniques should be continued in the area,and finally a set of improved techniques of drilling speed will be formed.

drilling bit optimization;high-temperature drilling fluid;dynamic drilling tool;improvement of drlling speed of deep well;Yaoyingtai Area

TE245

A

10.6056/dkyqt201204031

2012-03-20；改回日期：2012-05-13。

朱军，男，1971年生，工程师，2007年毕业于中国石油大学（华东），主要从事钻井工程技术管理工作。电话：（0393）4827340，E-mail：zpebzj02@sina.com。

朱军，高英强，任杭洲，等.腰英台地区深井钻井提速技术［J］.断块油气田，2012，19（4）：533-536.

Zhu Jun，Gao Yingqiang，Ren Hangzhou，et al.Technology to improve drilling speed of deep well in Yaoyingtai Area［J］.Fault-Block Oil& Gas Field，2012，19（4）：533-536.