玉北地区深部地层扭力冲击器提速工艺

侯子旭 贾晓斌 李双贵 邓文良 曾德智

（1.中石化西北油田分公司，新疆乌鲁木齐 830000；2.油气藏地质及开发工程国家重点实验室·西南石油大学，四川成都 610500）

玉北地区深部地层扭力冲击器提速工艺

侯子旭1贾晓斌1李双贵1邓文良2曾德智2

（1.中石化西北油田分公司，新疆乌鲁木齐 830000；2.油气藏地质及开发工程国家重点实验室·西南石油大学，四川成都 610500）

新疆玉北地区古生界沙井子组地层埋深4 000 m以上，岩石强度高；加之泥质岩含量高、塑性强，地层可钻性较差，提速困难。前期实践表明，沙井子组高塑性地层牙轮钻头的纵向冲击压碎破岩效果不佳，常规PDC钻头钻井反扭矩大，易产生“黏滑”现象，破岩效率低。为提高机械钻速，降低钻井综合成本，引入了国外的新型钻井提速工具——TorkBuster扭力冲击器，并通过匹配个性化PDC钻头、提高钻井液排量、合理控制钻压等配套技术措施，大幅度地提高了平均机械钻速。“PDC钻头+螺杆钻具”、“孕镶PDC石钻头+涡轮钻具”和“PDC钻头+扭力冲击器”3种钻井工艺的现场试验结果表明，扭力冲击器提速效果明显，平均机械钻速为6.42 m/h，与前期相比机械钻速提高了2～3倍。扭力冲击器钻井克服了深井高强度塑性地层的钻井难题，可进一步推广应用。

深井提速；扭力冲击器；PDC钻头；钻井参数；现场试验

玉北地区位于新疆维吾尔自治区和田地区洛浦县境内，构造名称为塔里木盆地麦盖提斜坡麦盖提1区块玉东3号构造带，是中石化集团西北地区勘探开发的新区。该地区古生界地层可钻性差，机械钻速慢，建井周期长［1］。为提高油气勘探开发效益，实现深井 “打成、打好、打快”的目标，通过多项钻井提速新工艺的调研、技术攻关和现场实践，形成了一套古生界沙井子地层扭力冲击器提速工艺。引进的扭力冲击钻井工具通过连续的高频振荡，形成扭力并传递给个性化PDC，对高抗压地层实施连续切削破岩；同时，通过匹配优化的钻井参数，取得了较好提速效果，形成了适合该地层的配套钻井工艺。

1 玉北地区古生界地层钻井难点分析

1.1 玉北地区古生界地层特性

钻井过程中三开井段主要钻遇古生界二叠系地层。古生界二叠系地层分为4个组段，分别为沙井子组、开派兹雷克组、库普库兹满组和南闸组。其中沙井子组地层厚度为808.0 m，砂泥比为0.15%，主要由泥质岩（87%）和砂质岩（13%）组成。二叠系上统沙井子组地层上部为棕褐、灰色泥岩夹灰色粉砂岩，中部为棕、棕褐、灰色含灰质泥岩，下部为棕、棕褐色泥岩夹灰色粉砂岩、含砾细粒长石岩屑砂岩，并含有少量黄铁矿。上部砂岩整体呈含砾细粒状结构，分选中等，胶结性差，岩性较疏松，岩石抗压强度在50～80 MPa，可钻性极值为3～5；下部泥岩泥质含量为85%～90%，岩性相对较硬、可塑性较强、岩石抗压强度为60～100 MPa、可钻性极值为3～7。总之，沙井子组地层为典型的“橡皮地层”，采用常规钻进工艺难以取得较好的机械钻速。

1.2 玉北地区古生界地层前期实钻情况

玉北地区古生界地层前期实钻情况见表1。

表1 二叠系各地层平均进尺和机械钻速对比

从实钻钻头情况分析可知，开派兹雷克组用牙轮钻头进行钻进，主要是因为这个层位岩性以黑色玄武岩、灰岩为主，黑色玄武岩极硬，不适合PDC钻头进行钻进，其余各层位都适合用PDC钻头。

古生界地层钻井过程中出现了以下问题：在玉北地区钻头穿越沙井子组粉砂岩时，下部地层软硬交替频繁，对PDC钻头的破坏性很大，复合片磨损过快；开派兹雷克组火成岩发育，岩石比较致密，可钻性差，容易对钻头造成冲击破坏，钻进时易出现断掉齿、牙齿磨损、轮尖磨损等失效形式，单只钻头进尺太少，寿命低；二叠系库普库兹满组、南闸组地层压实性好，钻头机械钻速普遍较低。

玉北地区实钻情况具体统计分析结果如图1～图3所示。

图1 玉北地区古生界二叠系地层钻头平均纯钻时间

图2 玉北地区古生界二叠系地层钻头平均进尺

图3 玉北地区古生界二叠系地层钻头平均机械钻速

由此可见，玉北地区已钻井在下部二叠系地层总体机械钻速较低，各个地层平均机械钻速均低于2.6 m/h。牙轮钻头和PDC钻头在该地区的平均进尺低，平均纯钻时间少，其原因是沙井子组地层属于“橡皮泥”地层，塑性高，牙轮钻头的纵向冲击压碎破岩效果不佳，PDC钻头在钻压作用下钻头牙齿吃入该地层困难；同时，PDC钻头在该地层中存在反扭矩大，容易产生“黏滑”现象，破岩效率低。这些问题和现象在我国其他油田或区块也曾遇到［2-3］。现场实践已经表明，在该地区单一的使用牙轮钻头和PDC钻头钻井与地层特性不完全匹配，不能充分发挥钻头破岩作用，钻进效果不理想。

2 扭力冲击器提速实践及提速效果

2.1 深井钻井提速技术对比分析

2.1.1 PDC钻头+螺杆钻具“PDC钻头+螺杆钻具”复合钻井技术在钻井提速方面效果明显［4］。元坝地区海相地层以灰岩、白云岩为主，岩性相对均质，适合PDC钻头。为了充分发挥PDC钻头高转速、低钻压的优势，元坝地区采用PDC钻头和螺杆钻具相配合的复合钻井技术。与常规钻井技术相比机械钻速提高了30.8%，但存在螺杆寿命较短与PDC钻头不匹配的问题［5］。

2.1.2 孕镶PDC钻头+涡轮钻具“孕镶PDC钻头+涡轮钻具”适合在中等硬度的页岩及硬、研磨性砂岩地层中钻井，并在多个地区取得了较好的使用效果和经济效益。孕镶PDC钻头以剪切方式破碎地层，在大段、均质、低剪切强度岩层（如砂岩、泥岩、砂质泥岩或泥质砂岩、页岩等）中采用中高转速、大扭矩涡轮钻具低钻压钻井，机械钻速比牙轮钻头提高2～3倍，综合钻井成本降低30%～50%［6］。在四川川东卧123井机械钻速达到了4.13 m/h，与邻近相比提高2.76倍；在玉门青西Q2-19井机械钻速达到了2.42 m/h，与邻井相比提高 1.36 倍［7］。

2.1.3 PDC钻头+扭力冲击器 扭力冲击器是一种将液体能量转换成高频扭冲能量并传递给PDC钻头，以实现高频扭转冲击破碎的新型钻井工具［8］。玉门油田针对青西地区白垩系地层岩性硬脆、硬度大、牙齿难以吃入地层和地层可钻性差的现状，通过引用TorkBuster扭力钻井技术成功解决钻速低、钻井周期长的难题，在该地区提速效果明显，比前期同地层同井段平均机械钻速提高了159%［9］。川东北元坝地区存在地层研磨性强、可钻性差和机械钻速低的难题；同时，该地区自流井组至须家河组地层岩性以钙质和硅质胶结为主，软硬交错互层频繁，不利于常规PDC钻头钻进。该区块通过引入TorkBuster扭力冲击器，平均机械钻速达到了2.4 m/h，同比提高了 130.77%［10-13］。

通过对比可知，“PDC钻头+螺杆”钻具组合和“PDC钻头+涡轮”钻具组合适应的钻井条件为均质地层，与玉北地区古生界沙井子组地层特性不匹配，不能充分发挥这两项钻井技术的优势。而TorkBuster扭力冲击器钻井提速工具已经多次成功地解决了研磨性强、可钻性差、软硬交错互层且复杂难钻地层的钻井提速问题，而且提速效果显著，对玉北地区的应用有较大的借鉴意义。

2.2 扭力冲击器的现场应用情况及提速效果

2.2.1 扭力冲击工具引进 在玉北地区引用的Tork Buster提速扭力冲击器有3种型号，如图4所示。

图4 不同型号的TorkBuster扭力冲击器

以上3种规格和尺寸的扭力冲击器设计规格如表2所示。

表2 不同扭力冲击器设计规格和钻井参数

2.2.2 个性化PDC钻头选用 为了充分发挥扭力冲击器的提速功能，需要选用与之配套的个性化PDC钻头，以达到最佳的钻井效果［14］。根据玉北地区的地层特性和扭力冲击器的工作特性，引入了3种个性化PDC钻头，如图5所示。

图5 可选用的钻头型号

以上3种型号的个性化PDC钻头的参数如表3所示。

表3 不同规格PDC钻头参数汇总

大量钻井实践表明，PDC钻头在泥岩含量高的地层易泥包，钻头的抗泥包性能是钻头选型的关键因素［15-16］。在玉北地区曾经使用的5刀翼的MT1657钻头，2次钻进均出现钻头3个水眼堵塞，2个流道泥包，造成刀翼无法吃入地层，钻头在井底打滑，被迫提前起钻。由图5可知，4刀翼的钻头排泄槽比较宽大，同时包含6个水眼，在相同水力能量下能够有效清洗地层和钻头，从而防止钻头泥包；此外，在相同钻压下，4刀翼钻头比5刀翼钻头和6刀翼钻头的攻击性更强，在高塑性地层中能够更好地吃入地层，有利于提高钻井机械钻速。因此，在沙井子组地层采用MD1646GU钻头更合理。

2.2.3 现场应用情况 为了验证新型钻井提速工具——TorkBuster扭力冲击器的实际效果。在玉北地区的5口井，采用扭力冲击器做了实钻试验。这5口井采用的钻具组合和钻井参数如表4所示。

表4 试验井的钻具组合及钻井参数

由表4可见，底部钻具组合均采用的是单扶正器钟摆钻具，扶正器与钻头间接2根钻铤；采用的转盘转速范围60～100 r/min，大部分工况采用的转速为 60～75 r/min。

在B井沙井子组地层，用MT1657型钻头+扭力冲击器钻进时，在转速、排量和钻井液密度均相同的情况下，钻压由8 t提高到12 t时，因钻头泥包机械钻速由6.54 m/h降低到0.39 m/h。这说明高的钻压可能促进了钻头泥包，沙井组地层钻压不宜过高，钻压在8 t左右时钻进效率更优。

在A井和B井5刀翼MT1657型钻头均出现了泥包，说明该PDC钻头流道结构不太适合沙井子组地层。在E井用MD1646GU型钻头+扭力冲击器钻进时，在钻井液密度有所提高的情况下，机械钻速达到11.83 m/h。这说明4刀翼大排屑槽结构的MD1646GU型钻头更适合沙井子地层的钻进。

现场试验表明，沙井子组地层扭力冲击器钻井的主要困难是钻头泥包，应调整钻井液性能，降低其失水，增强其润滑性，控制密度在1.35 g/cm3至1.53 g/cm3之间，钻井液泵排量不低于30 L/s，以提高破岩效率，增加机械钻速。

2.2.4 提速效果及对比分析 在A、B、C等5口井用扭力冲击器和个性化PDC钻头进行钻井提速试验6回次，取得了较好的提速效果。其中，A井单趟钻进尺611 m，机械钻速5.60 m/h；B井单趟钻进尺411 m，机械钻速6.52 m/h，MT1657钻头基本没有磨损，但有3个水眼堵塞，2个流道泥包；C井单趟钻进尺236.51 m和440.71 m，MD1646GU型钻头机械钻速分别为11.83 m/h和7.97 m/h，扭力冲击器钻井的使用效果见表5。

表5 使用扭力冲击器钻井的机械钻速

在沙井子组，没有引入扭力冲击器之前，牙轮钻头平均机械钻速为1.325 m/h，平均进尺为131.4 m，起钻原因主要是由于牙轮钻头寿命较短；PDC+螺杆钻进时，平均机械钻速为3 m/h，平均进尺为471.7 m，起钻原因主要是由于螺杆寿命和钻遇火成岩；孕镶PDC+涡轮钻进时，平均机械钻速为2.15 m/h，平均进尺为226.1 m，起钻原因主要是由于钻速慢和涡轮寿命到期。

通过对比发现，扭力冲击器的应用使钻速得到了明显提高，与牙轮钻头相比，平均机械钻速提高了384%；与PDC+螺杆钻具相比，平均机械钻速提高了114%；与孕镶PDC+涡轮钻具相比，平均机械钻速提高了198%。

3 结论

（1）扭力冲击器在新疆玉北地区的现场试验表明，该工具在深部难钻地层中破岩效率较高，平均机械钻速可提高2～3倍，克服了当前超深井高强度塑性地层的钻井难题，值得推广应用。

（2）应根据地层特性，匹配合适的PDC钻头，选取合适钻井参数，并及时调整钻井液性能，采用较大排量，防止钻头泥包，以便充分发挥扭力冲击器钻井的优势。

（3）TorkBuster扭力冲击器属于进口工具，使用费用昂贵，应加快其国产化，降低使用成本。

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（修改稿收到日期 2013-08-11）

Research on the torsion impact generator for speeding up drilling in deep formation of Yubei area

HOU Zixu1，JIA Xiaobin1，LI Shuanggui1，DENG Wenliang2，ZENG Dezhi2
（1. Sinopec Northwest Oilfield Company,Urumqi830000,China;2. State Key Lab of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu610500,China）

Due to the great burying depth, larger than 4000m, and hard Shajingzi formation with strong abrasiveness and poor drillability in Yubei area of Xinjiang Province, it is hard to speed up drilling operation, Previous practice shows that the cone bits have a poor impact on the Shajingzi formation and the conventional PDC bit has high anti-torque, so it is easy to produce “stick-slip” phenomenon.Finally, the rock breaking is inefficient. In order to improve the penetration rate and reduce the cost, TorkBuster torsion impact generator with a personalized PDC bit is recommended. The three drilling technologies, "PDC bit+screw drill tool", "diamond bit+turbine tool"and " torsion impact generator+PDC bit” , are discussed in the paper. The results show that torsion impact generator is more effective than other drilling technologies, with the average rate up to 6.42m/h, 200%-300% higher than earlier stage. The torsion impact generator overcomes the deep drilling problems in the high-strength plastic formations. It should be widely applied.

deep well drilling speed improvement; torsion impact generator; PDC bit; drilling parameter; field testing

侯子旭，贾晓斌，李双贵，等.玉北地区深部地层扭力冲击器提速工艺［J］. 石油钻采工艺，2013，35（5）：132-136.

TE242.7

：A

1000–7393（2013） 05–0132–05

国家自然科学基金（编号：51004084）；高等学校博士学科点专项科研基金（编号：20105121120002）联合资助。

侯子旭，1959年生。2004年毕业于中国石油大学（华东）油气井工程专业，获硕士学位，现为工程技术研究院副总工程师，从事超深井优快钻井技术研究工作，高级工程师。电话：0991-3161174。

〔编辑 薛改珍〕