川渝地区须家河地层涡轮钻具配套孕镶金刚石钻头钻井提速技术

韩烈祥， 姚建林，2， 李伟成，2

(1川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院 2四川川庆石油钻采科技有限公司)

川渝地区深层须家河组钻进速度低的问题是一个的瓶颈性难题[1-2]。该地层石英含量高，研磨性强，抗压强度高，同时还常常伴有一定程度的不均质性(致密砂岩、泥页岩夹层等)，是油气钻井过程中的一种典型的难钻地层。在这种地层中钻进时，PDC钻头主要表现为钻头磨损严重、单只进尺较少；牙轮钻头表现为单只进尺少、机械钻速低，大大降低了钻井效率。

目前，国内外提高难钻地层钻速的钻井技术主要有涡轮钻具复合钻井技术[3-4]、旋冲钻井技术[5-6]、欠平衡钻井技术[7-8]、导向钻井技术[9-10]等。大量现场应用表明[11-12]，涡轮配合孕镶金刚石钻头组合具有较强的抗研磨性，高转速下工作时间长，动力输出功率大，工作平稳，井眼轨迹平滑，能够满足川渝地区须家河地层强研磨性地层的提速要求。

一、涡轮钻具配套孕镶金刚石钻头钻井技术

1.涡轮钻具

1924年前苏联首次将涡轮技术运用在钻井中，涡轮钻井技术成为其基本钻井方式[13]。除俄罗斯外，美国、西欧也在大力发展涡轮钻井技术，该领域技术领先的有斯伦贝谢、哈里伯顿等公司。近年来，涡轮钻具在国内也有良好的应用，包括大庆油田安达区块火成岩层段、吉林油田小城子区块砂砾岩层段、塔里木油田山前构造砾石和致密砂岩层段、川渝地区九龙山珍珠冲砾石层段等。

涡轮钻具是一种将钻井液液体能量转变为机械能的钻井工具。涡轮钻具主要由涡轮节、支撑节和传动轴组成。涡轮节主要包括定子、转子、扶正轴承、主轴及外壳构成。其中涡轮钻具中最重要的工作元件是涡轮定子和转子。高压钻井液通过涡轮时，分别与定子和转子叶片相互作用发生动量矩的转变，使液体能量转化为涡轮主轴上的机械能。涡轮钻具是由成百级结构相同的单级涡轮所组成[14]。

涡轮钻具的主要技术优势：全金属结构，动力部分无橡胶件，耐高温，工作温度可达250℃，适用于深井、超深井和高温高压井；高性能动力、高转速；径向平衡性能稳定，能够有效保护钻柱及井下仪器，井眼质量好；模块化单元，可操作性强。

2.孕镶金刚石钻头

孕镶金刚石钻头为金刚石钻头中的一种，如图1所示。钻头胎体里均匀包镶着天然或人造金刚石颗粒，使得其在耐磨性较常规的PDC和牙轮钻头优势明显。钻进时，钻头胎体磨损，金刚石颗粒不断地出露自锐，高效破碎岩石。孕镶金刚石钻头是多流道布局，保证钻井液及时清洗岩屑和冷却钻头，提高其使用寿命。此外，其多刀翼结构和配套的加长保径扶正器，可提高钻头井下的稳定性，进一步提高破岩效率。

图1 孕镶金刚石钻头实物图

3. 涡轮钻具配套的孕镶金刚石钻头钻井技术

目前，高速螺杆或涡轮钻具配合PDC钻头的钻井方式都受到PDC复合片限制，使得其主要适用于中～低抗压强度、均质性好和低研磨性地层，但根据川渝地区须家河地层高研磨性、硬夹层交互和可钻性差的特性，结合孕镶金刚石钻头自身破岩机理需配高速井下动力钻具，因此涡轮钻具或高速螺杆配合孕镶金刚石钻头钻井方式适合该地层提速，但国内目前使用的高速螺杆使用寿命受限，与孕镶金刚石钻头使用寿命匹配性差。

在川渝地区类似须家河组的难钻地层，采用涡轮钻具配合孕镶金刚石钻头复合钻井技术能够显著增加钻头转速及钻压，井下钻具稳定性强，能够提高单只钻头寿命，减少起下钻时间，并起到防斜打直的目的。

二、川渝地区须家河组岩石力学特性分析

1.川渝地区须家河组地层分段及岩性描述

川渝地区须家河组地层主要岩性为砂岩、粉砂岩和泥页岩。砂岩和粉砂岩为多为硅质胶结，石英含量高，有些井段砂岩石英含量高达92% ～95%。其中，须四和须二段岩性以细、中、粗石英砂岩为主，夹泥页岩和含砾砂岩。须五、须三和须一段主要岩性为粉砂岩、粉砂质泥岩与泥页岩呈不等厚和略等厚互层(表1)。

表1 四川地区须家河组地层分段及岩性描述

2.川渝地区须家河组地层岩石力学特性分析

基于地层岩石力学性质的实验研究和关系函数建模方法研究，利用自主开发的地层特性量化钻头设计参数分析软件，分析了龙岗X2井、门西X1井的须家河组地层的抗压强度、可钻性等岩石力学特性见图2～图3，其特点如下：

(1)抗压强度为80～150 MPa，最高达180 MPa。

(2)可钻性级值为4～10，可钻性差。

(3)内摩擦角为30°～45°，地层的压实性高，结合抗压强度，地层硬度高。

同时，根据须家河组含有致密砂岩、石英含量高等岩性特点，得到该地层属强研磨性地层。

三、龙岗X1井现场试验效果分析

该井应用涡轮钻具配套孕镶金刚石钻头试验井段为2 210～2 695 m，层位为须家河组，其钻井参数和涡轮钻具组合如表2和表3所示。

图2 龙岗X2井须家河组地层岩石力学性质分析曲线

图3 门西X1井须家河组地层岩石力学性质分析曲线

钻头尺寸/mm钻头型号试验地层井段/m钻压/kN转盘转速/(r·min-1)排量/(L·s-1)钻井液密度/(g·cm-3)215.9CEW8A1须家河2210～269530～8035～4528～301.10

表3 涡轮钻具组合

在应用井段中使用了1只Ø215.9 mm孕镶金刚石钻头，单只钻头进尺392 m，纯钻时间240 h，平均机械钻速2.73 m/h，同比邻井龙岗X2井，与邻井同层钻头对比，机械钻速提高95%以上，单只钻头平均进尺提高了334.1%，提速效果明显。钻头出入井对比见图4，与邻井龙岗X2井相应井段使用的牙轮钻头和与川渝地区其它井须家河层位实钻数据对比见图5。

图4 孕镶金刚石钻头出入井对比图

图5 单只进尺和平均机械钻速实钻数据对比图

四、结论与建议

(1)涡轮配套孕镶金刚石钻头技术在龙岗X1井须家河地层现场应用取得了良好的提速效果，证明了其是提高强研磨性地层钻井速度的有效技术。

(2)现场机泵条件和钻井参数对于涡轮钻井提速效果具有较为重要影响，建议优化涡轮钻具结构，以降低其对钻井参数的要求，提高其推广应用的适应性。

(3)由于试验的孕镶金刚石钻头完全是利用自身的天然金刚石颗粒高速研磨破碎地层，使得其机械钻速受到了一定限制，建议借鉴PDC钻头复合片切削破岩机理，优化孕镶金刚石钻头结构，如在刀翼肩部布置类似于PDC复合片的柱型结构孕镶齿，以增加孕镶金刚石钻头的攻击性。

(4)建议在川渝、新疆等地区强研磨地层推广使用涡轮配套孕镶金刚石钻头钻井技术。

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