亚肯北区砾石层优快钻井技术

刘晓民朱 亮钟文建罗发强方俊伟

（1.中石化西北油田分公司工程技术研究院，新疆乌鲁木齐 830011；2.长江大学石油工程学院，湖北武汉 430100；3.油气钻采工程湖北省重点实验室，湖北武汉 430100）

亚肯北区砾石层优快钻井技术

刘晓民1朱 亮2，3钟文建1罗发强1方俊伟1

（1.中石化西北油田分公司工程技术研究院，新疆乌鲁木齐 830011；2.长江大学石油工程学院，湖北武汉 430100；3.油气钻采工程湖北省重点实验室，湖北武汉 430100）

亚肯北区第四系及库车组上部地层发育巨厚砾石层，导致钻井过程中蹩跳和钻井效率低下，在研究分析该区砾石层特征及钻井难点的基础上，从钻头结构参数和钻具结构及钻进参数等方面优化设计了大尺寸镶齿牙轮钻头及配套钻井工艺。钻井实践表明，亚肯北地区砾石层钻井过程顺利，砾石层段大尺寸牙轮钻头寿命长达404 h，机械钻速提高了84.62%，同时大幅度地减少了钻头使用个数，减少了起下钻时间，提高了钻井作业效率。对亚肯北区钻井提速方案的制定提供了技术指导和借鉴。

砾石层；钻井提速；镶齿牙轮钻头；亚肯北区块

亚肯北区属天山山前冲积平原，是中石化西北油田分公司贯彻国家“西部大开发”、“西气东输”战略，培育大型天然气田的主力勘探区块，该区第四系及库车组上部发育巨厚砾石层，钻井过程中蹩跳严重，可钻性差，钻井过程中复杂情况多、机械钻速低、钻井周期长，为了缩短钻井周期，加快勘探开发进程，针对该区存在的砾石层钻进困难的问题，开展了快速钻井技术研究与应用实践，形成了亚肯北地区砾石层快速钻井配套技术，实现了钻井提速目标。

1 地质特点及钻井技术难点分析

亚肯北区第四系地层存在较厚的砾石层。在第四系的西域组上部以杂色厚层状砾岩为主，与泥岩互层；下部以杂色厚层砂砾岩为主，与黄灰色砂质泥岩互层。

砾石层的存在严重制约了该区钻进效率的提升，其技术难点主要表现以下几个方面。

（1）砾石层厚度大。已钻的KU1井在第四系西域组井段累计钻遇5层厚422 m砾石层；在库车组上部井段累计钻遇6层40 m砾石层。

（2）机械钻速低。KU1井在砾石层的平均机械钻速只有0.26 m/h。

（3）蹩跳钻严重，导致钻头寿命短、损耗量大。KU1井共使用90只钻进钻头，其中在砾石层段使用钻头达到49只，占全井钻进钻头总数的54.4%，钻头出井分析发现钻头磨损也较为严重。

（4）复杂情况多。砾石层胶结差，软硬不均，井易斜、易垮塌，限制了快速钻进［1］。

2 砾石层牙轮钻头优化设计

2.1 砾石层微观特征分析

从图1所示的砾石地层剖面和现场砾石岩样可以看出，亚肯北区的砾石地层颗粒间的充填物与砾石颗粒表面为不完全接触，胶结较疏松，存在胶结裂缝，且胶结介质自身强度较低，从钻进时的砾石层岩屑来看，砾石层砾石粒度明显不均。

图1 亚肯北区砾石层剖面图

2.2 砾石层可钻性及硬度分析

通过收集到的岩样及岩屑，按照岩石力学标准和石油天然气行业标准开展了岩石可钻性实验测试和硬度测试，得到了砾石层的岩石可钻性剖面和硬度剖面，如图2所示。

赵燕梅和伙伴们，从严把车辆进站入手，对所有进站车辆的车容车貌、装卸油口、电子封签、油品专用标识，以及灭火器、接地线等安全防护点，进行严格细致的检查，绝不放过一个隐患，打造了“青年文明号”品牌。

从砾石层可钻性剖面图可以看出，砾石层可钻性级值在2～7之间，属于软～中硬地层，可钻性级值范围大，硬度小于500 MPa，硬度级别为软到中软，硬度变化也较大，说明砾石层非均质性明显。这与实钻表现出的钻头工作不稳定、机械钻速变化大的情况相吻合。

图2 砾石层剖面图

实钻资料表明在亚肯北区第四系砾石层呈现出以下特征：100～400 m，砾石层松散，粒度不均，大块砾石成游离状态，可钻性级值在3.0～7.0；400～950 m，松散和半胶结砾石层，可钻性级值在2.5～6.5。由此分析认为在砾石层段应选用牙轮钻头钻进。

2.3 钻头结构参数的优化

在分析了地层特点和岩石可钻性特征分布规律的基础上，主要从以下4个方面对钻头结构参数进行了优化。

（1）切削齿结构。采用宽顶齿技术，有效提高牙齿的井底破碎体积；采用修边齿技术，具有优异的侧切能力，修整井壁及保护轴承；采用圆顶凸楔齿技术，极大增强齿的攻击性，提高了齿的强度，降低齿的应力集中。钻头切削齿如图3所示。

图3 优化切削齿结构

（2）轴承密封。采用三级滚柱、三级止推O形橡胶密封滚动轴承，增加轴承轴向密封保护，避免岩屑进入钻头轴承，大大延长轴承寿命。

（3）牙轮钻头水力系统。采用中心喷嘴：钻头中心位置布置喷嘴，有效清洗牙轮，减少泥包，提高机械钻速；采用加长喷嘴：缩短喷嘴到井底的距离，提高射流对井底的冲击力。

（4）牙轮钻头牙掌结构。在牙轮钻头牙掌布置合金齿，可以有效地保护掌尖和密封，有效增强钻头抗缩径能力。

通过上述优化，形成了亚肯北区砾石层段钻进的钻头选型方案，见表1。

表1 亚肯北区砾石层段牙轮钻头选型方案

3 砾石层钻具组合及钻井参数优化

实钻表明，在砾石层钻进时都有不同程度的蹩跳钻现象，如钻遇胶结强度高砾石层段跳钻现象更为严重，因此不能正常加压进行钻进，只能采用小钻压施工，导致机械钻速较慢。长时间跳钻还能损坏钻头和钻具，引起事故，所以钻砾石层时要使用减震器。

另外在砾石层比较容易出现垮塌、掉块等现象，造成井眼不规则，导致环空返砂比较困难，将会引起泵压升高，影响水力作用的正常发挥。为此可设计采用大尺寸钻具，以减小循环压耗，降低泵压，充分发挥水力冲击作用，同时可以提高环空返速和携砂能力［2-6］。以此为原则，优化设计了适合亚肯北区的钻具组合及钻井参数：

钻具组合：Ø660.4 mm牙轮+Ø279.4 mm钻铤×2根+Ø660.4 mm扶正器+Ø241.2 mm钻铤×6根+Ø203.2 mm钻铤×3根+NC561Ø520+Ø139.7 mm加重钻杆×6根+Ø139.7 mm钻杆。钻井参数：钻压40～60 kN；转速60 r/min；排量55～60 L/s。

4 砾石层钻进应用效果分析

在研究分析亚肯北区地质条件及钻井工程难点的基础上，提出了一系列针对砾石层钻进的优化方案，并在KU2井进行了试验应用。

从表2所示的数据来看，KU2井砾石层通过优化牙轮钻头、钻具组合及钻进参数，单只钻头纯钻时间大幅度增加，钻井提速效果显著。KU2井一开平均机械钻速0.48 m/h；较KU1井一开机械钻速0.26 m/h相比，提高了84.62%。钻头使用个数也较KU1井的49只钻头，减少到了9只钻头，在提高钻井效率的同时，经济成本得到了很好的控制。

表2 KU2井砾石层钻头使用效果

5 结论

（1）亚肯北区存在较厚的砾石层，表现出机械钻速低、蹩跳钻严重、钻头寿命短、损耗量大且复杂情况多的特点。

（2）砾石层可钻性级值范围跨度较大，表现出不均质和可钻性较差的特点，考虑到砾石呈现出较松散且游离程度高的特点，在砾石层段应选用牙轮钻头钻进。

（3）根据砾石层特点，宜采用大尺寸钻具组合，同时配合小钻压进行钻进。

［1］高绍智，张建华，李天明，等.适用于砾石夹层钻进的PDC钻头［J］.石油钻采工艺，2006，28（4）：20-21．

［2］张建华.西部地区砾石层钻井难点及对策［J］.石油钻探技术，2006，34（3）：84-86．

［3］王延民，梁红军，李皋，等.塔里木DB区块砾石层特征及对优快钻井影响［J］.新疆地质，2012，30（1）：113-115．

［4］方甲兴，王兴武.塔1井巨厚砾石层钻井技术［J］.钻采工艺，2003，26（6）：4-6．

［5］李梦刚，楚广川，张涛，等.塔河油田优快钻井技术实践与认识［J］.石油钻探技术，2008，36（4）：18-21．

［6］王成岭，李作宾，蒋金宝，等.塔河油田12区超深井快速钻井技术［J］.石油钻探技术，2010，38（3）：17-21．

（修改稿收到日期 2013-12-23）

〔编辑 薛改珍〕

Optimized drilling technology in gravel layer in North Yaken

LIU Xiaomin1,ZHU Liang2,3,ZHONG Wenjian1,LUO Faqiang1,FANG Junwei1
（1.Research Institute of Engineering Technology,Sinopec Northwest Oilfield Company,Urumqi830011,China;2.Petroleum Engineering School of Yangtze University,Wuhan430100,China;3.Key Laboratory of Oil and Gas Drilling Project of Hubei Province,Wuhan430100,China）

The extraordinary thick gravel layer in Quatemary system and upper formation of Kuche member in the North Yaken cause stick-slip and low efficiency during drilling.Based on study and analysis of feature of gravel layer and difficulty of drilling,the thesis optimizes and designs insert roller bit with large size and matched drilling technology in aspects of drilling bit parameter,drilling rig structure and drilling parameter.The drilling practice indicates that the drilling process in gravel layer of the North Yaken is successful.The service life of roller bit with large size in gravel layer is up to 404 hours and rate of penetration is increased by 84.62%.Meanwhile,the number of bits needed is greatly reduced,the time of tripping is decreased,and the efficiency of the drilling is also improved.The study provides guidance and reference for making the scheme to improve the drilling speed in Northern Yaken .

Gravel layer;increasing the drilling speed;inserted roller bit;North Yaken

刘晓民，朱亮，钟文建，等.亚肯北区砾石层优快钻井技术［J］.石油钻采工艺，2014，36（1）：11-13.

TE242

：A

1000-7393（2014）01-0011-03

10.13639/j.odpt.2014.01.003

“十二五”国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”课题“碳酸盐岩缝洞型油藏钻井技术完善与推广”（编号：2011ZX05049-02-02）资助。

刘晓民，1981年生。2007年获中国石油大学（北京）油气井工程专业硕士学位，现主要从事钻井工艺优化设计工作。电话：0991-3161177。E-mail：xiaomin505@126.com。