塔东古城区块钻井提速配套技术及应用

2016-09-15迟家俊

西部探矿工程 2016年1期

关键词：机械钻速井段螺杆

迟家俊

（大庆钻探工程公司钻井一公司，黑龙江大庆163411）

塔东古城区块钻井提速配套技术及应用

迟家俊*

（大庆钻探工程公司钻井一公司，黑龙江大庆163411）

塔东古城区块目的层埋藏深，岩性致密、可塑性强、韧性大，PDC和牙轮钻头可钻性差，机械钻速低，寿命短。通过钻头优选形成的钻头序列、直螺杆与PDC复合钻井提速技术与新型井下工具（扭力冲击器或液动旋冲工具）配合专用PDC钻头提速钻井技术的综合应用，能够大幅度提高机械钻速，缩短钻进周期。提速技术在古城7井、城探1井和东探1井等3口的综合应用，提速效果非常明显，3口井平均机械钻速3.71m/h，平均钻进周期184.8d，同比邻井古城4井和古城6井平均机械钻速提高95.26%，平均钻进周期缩短133.5d。钻井提速技术的综合应用为塔东古城区块深井钻井提速提供了技术保障。

新型井下工具；提速；塔东区块；现场试验

塔东地区位于塔里木盆地东部，塔东库鲁克塔格断隆与车尔臣断裂之间，西为中央古隆起的东界古城4井一线，南达车尔臣断裂，北至孔雀河斜坡，东为阿尔金山，面积约12.57×104km2。塔东区块油气资源丰富，将成为大庆油田天然气勘探的战略接替区。该区块勘探程度低，钻井速度缓慢。古城区块主要目的层平均埋深超过5000m，砾石层及高硬度、高研磨性砂泥岩发育、可钻性差，机械钻速慢，严重制约钻井速度。经过对该区块底层岩性分析，通过一系列技术措施，先后在古城7井、城探1井和东探1井等3口井在钻井提速方面取得了不错的进展。在塔东古城区块初步形成了一套可行的钻井提速技术。

1　深井提速难点分析

古城地区下古生界厚度巨大，基本在5000m以上，志留系、泥盆系分布局限，主要发育在古城鼻隆北部倾末端，石炭系基本全区分布，缺失二叠系；中生界厚约1000m，三叠系向东南减薄缺失，侏罗系—白垩系由西向东、由南向北增厚，并不整合在三叠系、石炭系和奥陶系不同地层之上。根据实钻资料总结钻井提速难点有以下几点：

（1）上部地层（第四系和第三系上部）岩性疏松，成岩性较差，易塌、易漏；

（2）三叠系底部砾石层发育，可钻性相对较差，不适合使用PDC钻头，只能应用牙轮钻头钻进；

（3）奥陶系却尔却克组“黑被子”地层泥岩发育，研磨性强、可钻性差，常规钻进机械钻速较低，在钻井提速上为重点需要攻关井段；

（4）目的层（奥陶系下部和寒武系）为碳酸盐地层，对于高硬度、高研磨性的灰岩及白云岩，需要做好相应的钻头选型工作。

综上可知提速难点主要为地质条件复杂，上部地层松软成岩性差，钻进过程中易塌、易漏；中部地层奥陶系却尔却克组“黑被子”地层为提速难点，泥岩发育，研磨性强，可钻性差；下部地层碳酸盐地层高硬度、高研磨性，导致机械钻速低，钻井周期长。

2　钻井配套提速技术及应用

通过理论和现场应用分析，实行钻头优选，并在第二、三和四次开钻井段分别配合相应的提速措施实行提速，具体为：二开井段提速技术措施为直螺杆配合PDC钻头复合钻井提速；三开井段上部井段施工采用直螺杆配合PDC复合钻进提速，下部井段奥陶系却尔却克组“黑被子”地层采用新型井下工具进行提速；四开井段由于井深较深及井眼尺寸相对较小的实际情况，提速工具的应用受到限制，因此均采取常规钻进方式。

2.1钻头优选提速技术及应用效果

2.1.1钻头优选提速技术原理

表层井段（井深500～800m）岩性疏松，成岩性差，因此优选牙轮钻头和PDC钻头；二开井段（井深3200m左右）上部和下部地层适合PDC钻进，中部地层三叠系底部砾石层发育需要使用牙轮钻头，因此PDC钻头优选5刀翼Ø19mm复合片钢体钻头，配合直螺杆进行复合钻进提速，牙轮钻头选择使用517级别的钻头；三开井段（井深5500m左右）提速重点主要是却尔却克组“黑被子”地层，该地层岩石可钻性中等（图1），但由于碳晶泥岩的存在，岩石抗压强度增加，塑性增强，PDC钻进“卡—滑”现象严重；以往常规钻头机械钻速较低、钻进施工缓慢，为此优选阿特拉配合扭力冲击器工具使用的U系列PDC钻头、配合钻井研究院液动旋冲工具使用的国产Q系列PDC钻头、进口PDC及牙轮钻头，用以攻克“黑被子”地层，其上部地层施工国产PDC钻头配合直螺杆采取复合钻进提速；四开井段（平均井深6700m左右）目的层（奥陶系下部和寒武系）为碳酸盐地层，对于高硬度、高研磨性的灰岩及白云岩，上部井段选择使用国产PDC和牙轮钻头，中下部井段选择使用进口高效PDC和牙轮钻头，由于井深较深及井眼尺寸相对较小的实际情况，提速工具的应用受到限制，因此均采取常规钻进方式。

图1　“黑被子”地层岩性指标

2.1.2应用效果与分析

通过古城7、东探1和城探1井3口井的现场试验，完成了钻头优选工作，钻头使用数据见表1。

3口试验井平均完钻井深6704.7m，同比古城4和古城6井完钻井深增加345.2m的情况下，平均钻头用量减少21只、平均机械钻速提高了95.26%。

表1　3口井整体钻头使用数据表

通过3口试验井的钻头优选和现场试验，基本固化了古城区块的钻头使用序列（表2），对于后续钻井施工起到了指导作用。

2.2直螺杆与PDC钻头复合钻井技术

2.2.1螺杆复合钻提速原理

螺杆与转盘复合钻进时，PDC钻头转速等于转盘与螺杆转子转速之和，从而能够高转速切削岩石，提高破岩效率和机械钻速；同时螺杆+PDC钻头高转速复合钻进时，由于钻压相对较小，减少钻柱的弯曲程度，达到防斜打快的目的。

2.2.2应用效果与分析

通过古城7井和东探1井等2口井在二开和三开上部井段进行了直螺杆和PDC复合钻井的应用，应用地层为三叠系和石炭系，提速效果过明显（表3）。

古城7井和东探1井的应用直螺杆配合PDC钻头钻井提速效果显著，2口井在二开和三开井段平均单只钻头进尺分别为1357.59m和194.05m，平均机械钻速分别为13.19m/h和2.71m/h，与邻井相比在二开井段单只钻头进尺提高了338.43%，平均机械钻速提高了233.08%；三开井段单只钻头进尺提高了271.47%，平均机械钻速提高了230.49%。直螺杆配合PDC钻头复合钻进技术对于塔东地区古城区块三叠系和石炭系地层提速效果好。

2.3新型井下工具与专用PDC钻头提速技术

2.3.1新型井下工具原理及优点

为了攻克却尔却克组“黑被子”地层钻速慢的难题，优选新型井下工具（引进国外的扭力冲击器和自主研发的液动旋冲工具），2种工具具有相同工作原理和优点。在正常钻井条件下，PDC钻头能够连续的剪切地层（图2-a），而PDC钻头在钻坚硬的地层时，钻头时常由于扭矩不足憋停（图2-b），扭矩能量就会聚集在钻柱上，导致钻柱像发条一样打卷扭曲（图2-c），当所需扭矩能量达到剪切破碎地层的能量，钻头将以高于正常转速破岩（图2-d）。这种猛烈变化运动即“卡—滑”现象，会导致钻头使用寿命降低，下部钻具事故增加。

表2　塔东古城区块钻头使用序列

表3　螺杆+PDC钻井与邻井对比表

图2　井底钻头工作状态示意图

新型井下工具将钻井液的流体能量转换成高频（680～2400次/min）、均匀稳定的扭向机械冲击能量并直接传递给PDC钻头实现瞬时破岩，此时PDC钻头上就有2个力在切削地层，一个是转盘提供的扭力，一个是工具提供的扭向冲击力，相当于每分钟额外680～2400次切削地层，钻头不需要等待积蓄足够的能量就可以切削地层，消除了“卡—滑”现象，保持钻头对地层切削的连续性和稳定性（图2-e），因此能够大幅度提高机械钻速，延长钻柱寿命，提高钻井效率。

新型井下工具的优点：消除“卡—滑”现象，减少反冲扭力和扭力震荡；高频扭向冲力能够提高破岩效率和机械钻速；工具为纯机械构造，无橡胶件、电子元件，失效后不影响正常钻进；能够延长钻头的寿命，减少起下钻次数，减少下部钻具组合的复杂程度及降低钻杆的疲劳度。

2.3.2应用效果与分析

在古城7井奥陶系“黑被子”地层使用引进阿特拉扭力冲击器进行现场试验，总进尺1727.79m；平均钻速4.36m/h，使用扭力冲击器钻进井段同比邻井古城6井的机械钻速提高170.80%，平均单只钻头进尺提高896.79m，节省钻头4只（表4）。