高陡含砾地层大扭矩螺杆+高效PDC钻头钻井提速分析

康 健，郝围围，刘德智，闫国兴，李 博

（中国石油集团工程技术研究院有限公司，北京102206）

塔里木油田山前地区位于塔里木盆地北缘，为大型复杂构造圈闭发育，油气资源丰富，是塔里木天然气勘探开发的主战场[1]。但是山前地区地质条件复杂，油气储藏埋藏深，地层倾角大，研磨性强，可钻性差，导致山前地区钻井周期长、钻井成本高，是制约山前地区勘探开发的瓶颈[2-3]。库车山前砾石层核心发育区中深层井深超过5000m以后，地层总体砾石含量较低，但地层压实程度高，灰质胶结致密，牙轮钻头总体表现为机械钻速低、磨损速度快；常规PDC 钻头表现为切削齿吃入困难，单只钻头进尺少，严重制约了油田的高效开发。随着勘探开发的深入，对地层的认识不断深化，结合地层特点开展多轮次新工具及不同类型钻头的试验，通过提速方案总结及提速效果对比，优选出大扭矩螺杆+高效PDC 钻头配合垂钻工具提速组合，并在本地区成功试验应用多口井。实践证明，大扭矩螺杆+高效PDC钻头配合垂钻工具可极大地提高机械钻速，缩短建井周期。

1 山前中深层高陡含砾地层作业难点分析

1.1 地层压实程度高，岩性软硬交错，可钻性差

山前砾石核心发育区三开上部及以上地层砾石含量高，砾石层厚度约为5000m 左右，地层压实程度低，以砂质泥岩胶结为主，胶结程度低，成岩性差，可钻性相对较好。随着井深的增加，层位在康村组下部至吉迪克组，钻探深度集中在井深5000～6000m，砾石含量逐渐减少，压实程度越来越高，地层成岩性变好，岩性逐渐变为软硬交错成岩段含砾砂泥岩互层。岩石Ca⁃CO3含量逐渐增大，胶结程度不断增加，地层越来越致密，研磨性随井深增加不断增强，可钻性变差。常规PDC 钻头在该段钻进施工使用过程中，由于地层软硬交错，钻压及扭矩波动剧烈，使得钻头产生剧烈的横纵向冲击及严重的粘滑现象，易造成钻头先期的破坏。同时较高的地层压实程度、致密胶结、含砾地层高抗研磨性等因素同样制约常规PDC钻头的切削能力，严重影响了钻头使用寿命及机械钻速。

1.2 地层倾角大，自然造斜率强，井斜控制难度大，配合垂钻提速工具选择困难

本区块地层倾角范围普遍在35°～85°之间，防斜与提速之间存在难以调和的矛盾[4]。为了保证井身质量，垂直钻井工具成为本区块中深部以上地层钻井提速标配，由于垂直钻井工具安装在近钻头位置，导致一些配合PDC 钻头近钻头提速工具的使用受到了不同程度的制约。极大地影响了钻头工作效率的发挥，进而影响钻井周期。

2 提速方案优选

2.1 钻头优选

针对库车山前地区砾石核心发育区中深层以深地层特点，近年来，油田不断的试验了国内外新型PDC钻头，取得了较高的应用指标。通过对中深层以深5000～6000m 井段，近三年钻头现场使用类型与指标进行了汇总分析，主要可分为四大类，分别为：牙轮钻头、常规PDC钻头、孕镶钻头、PDC非平面齿钻头。如图1所示，分析统计表明，各类钻头使用指标表现差异性较大，但总体来看，非平面齿PDC 钻头各项指标平均水平明显优于其他类型的钻头。

图1 钻头指标统计

从实钻情况反映来看，三开上部岩性主要以杂色细砾岩、小砾岩、砂砾岩不等厚互层为主，冲击性较强，下部主要以砾岩、粉砂岩、灰质泥岩、褐色含膏泥岩等不等厚互层为主，岩性变化大。至上而下，地层研磨性逐渐增强。使用常规PDC钻头钻进过程中，表现为钻具振动剧烈、易发生憋跳钻、钻头崩齿损坏严重、单只钻头进尺短、起下钻频繁等问题。而非平面齿PDC钻头设计不仅兼具攻击性、研磨性和抗冲击性，而且通过增加布齿密度，在确保抗冲击性的同时，提高钻头抗研磨性，可大大提高钻头的破岩效率并延长钻头使用寿命。如图2所示，分析表明，库车山前砾石核心发育区三开中下部，常规PDC钻头用量占比高达63%，进尺占比只有49%。相反，非平面齿PDC 钻头用量占比只有23%，进尺占比却高达42%，使用效率提高了2.3倍。

图2 钻头用量、占比统计

现场使用中表现优秀的非平面齿PDC 钻头主要有：斧形齿、尖锥齿、尖圆混合齿、多面齿等。如图3所示，在库车山前地区中深层钻进过程中，非平面齿PDC钻头平均单只钻头进尺368m，较常规PDC钻头提高了131m。以中石油工程院休斯顿研发中心研发的型号SV516 多面齿PDC 钻头表现最为突出，该钻头采用新型非平面齿设计，通过三条切削棱实现破岩，提高了切削齿的抗冲击性能和破岩效率，在非均质性强的地层中有较好的适用性。该种钻头在BZ#井，井段5233～6102m，单只钻头进尺725m，平均机速达2.53m/h，进一步体现了非平面齿在该地层中适用性强。

图3 单只钻头平均进尺

2.2 提速工具优选

针对本井段地层的特点在钻进过程中不同井的相同井段先后试验了多种提速组合，其中高速涡轮加孕镶钻头、扭力冲击器加PDC 钻头，这两类提速组合现场应用效果较好，都取得了一定的提速效果，但是这两类提速组合，在整体技术上都有着不同程度的劣势，且经济实用性较低。如表1 所示，通过现场试验对比表明，大扭矩螺杆加高效PDC 钻头较前两类提速工具，经济适用性强，机速效果更优，单趟钻进尺提高1.5倍，机械钻速提高2 倍。以下针对三类提速工具优缺点以及针对区块地层的适应性进行细致的分析。

表1 各类提速工具现场试验指标对比

（1）高速涡轮+孕镶钻头。高速涡轮钻具最大的优势是转速高（可达到300～500r/min），远高于螺杆和转盘（或顶驱）转速。涡轮钻具配合孕镶钻头破岩原理主要依靠高速涡轮带动孕镶钻头高速旋转对地层磨削，岩屑成粉状[4]。涡轮加孕镶钻头在本井段使用取得一定的提速效果，但缺点一是由于垂直钻井工具连接在近钻头，钻进过程中高速涡轮无法提供足够的扭矩，缺点二是由于高速涡轮转速大于垂直钻井工具能够承受的最大转速约200r/min左右，导致垂直钻井工具无法正常工作，所以此套提速工具无法配合垂直钻井工具使用，导致井斜控制难度较大。

（2）扭力冲击器＋PDC 钻头。高频扭冲力能够提高破岩效率和机械钻速，扭力冲击器属于高频扭转冲击工具，是将钻井液的流体能量转换成高频的（频率750～1500min-1）、周期性的周向冲击力（约2kN），并直接作用在钻头上。这种高频冲击力改变了钻头的运动状态，钻头不需要等待扭力蓄积到一定程度就可以破碎岩石，使得整个切削地层的过程处于稳定状态[5]。此套提速工具优点是，可延长钻头寿命、减少起下钻次数，减少底部钻具的疲劳，降低钻头粘滑，减少反冲扭力和扭力振荡。但缺点是此套提速工具无法提供转速，单依靠转盘转速无法发挥高效PDC钻头最佳破岩效率。

（3）大扭矩螺杆＋高效PDC 钻头。大扭矩螺杆是一种专用直螺杆，它的轴承和传动轴是最新材料和新型工艺制成的，具有传动效率高、功率大、可靠性高等特点，与常规螺杆钻具相比，其定子和外壳更坚固，等壁厚定子与转子之间的密封性更好，定子耐温性能更高，同一尺寸螺杆钻具的转速、工作排量、扭矩和输出功率等要比常规螺杆钻具高[6-7]。表2为本井段使用的大扭矩螺杆进口与国产指标对比。大扭矩螺杆不仅可以配合垂直钻井工具使用，而且可提供转速，在复合钻进过程中，结合转盘转速，可充分的发挥高效PDC的特点，可大幅提高钻头的使用效率，进一步提高机械钻速。

3 现场应用及评价

表2 大扭矩螺杆指标对比

BZ#区块，DB#区块三开Ø333.4mm 设计至库姆格列木群上泥岩段，主要岩性如表3所示，本区块主要在BZ#-A、BZ#-B，DB#-B 井三开中下部作业过程中，试验了大扭矩螺杆加高效PDC钻头。

钻头使用情况：BZ#-A井使用了6刀翼16mm齿非平面齿钻头，内排为斧形齿加外排多棱齿组合的非平面齿PDC钻头，BZ#-B、DB#-B井使用了5刀翼16mm圆形平面齿PDC钻头。

大扭矩螺杆+垂钻+PDC 钻具组合：Ø333.4mm PDC 钻头+垂直钻井工具+Ø244mm 螺杆+变扣+Ø228.6mm无磁钻铤+悬挂接头+Ø330.8mm扶正器+Ø228.6mm 钻铤×3 根+ Ø203.2 浮阀+Ø203.2mm 钻铤×15 根+Ø139.7mm 加重钻杆×15 根+Ø139.7mm 钻杆×66根+Ø1149.2mmDP钻杆。

表3 Ø333.4mm井段中下部所钻地层及岩性

垂钻+PDC 钻具组合：Ø333.4mmPDC +垂直钻井工具+Ø228.6mm 钻铤×1 根+Ø228.6mm 浮阀+Ø 331mm扶正器+Ø228.6 mm钻铤×2根+Ø203.2mm钻铤×12 根+Ø139.7mm 加重钻杆×18 根+Ø139.7mm钻杆。

井身结构：以BZ#-A井为例，采用标准六开封一套盐层井身结构，如图4所示，大扭矩螺杆配合高效PDC钻头使用井段在三开Ø333.4mm井眼中下部，层位：康村组，井深：5526～6205m。

钻井参数：钻井液密度2.19g/cm3，钻压100kN，转速80r/min，泵压24MPa，排量27L/s。

试验证明，大扭矩螺杆加高效PDC 钻头配合垂直钻井工具在三口井都有非常明显的提速表现，如表4所示，其中，BZ#-A 井在康村组含砾较多的地层单趟钻井进尺高达679m，DB#-B井较邻井DB#井同井段单趟钻进尺提高了77.5%，BZ#-B井较邻井BZ#井同井段机速提高了41.6%，取得了良好的应用效果。

图4 BZ#-A井身结构图

4 结论

表4 大扭矩螺应用效果分析

（1）在库车山前砾石发育核心区，Ø333.4mm 井眼，非平面齿PDC 高效钻头具有强攻击性、研磨性和抗冲击性，较其他钻头，单趟钻进尺长，机械钻速快，具有良好的地层适应性。

（2）实钻表明，大扭矩螺杆配合高PDC 钻头在高陡含砾地层可大幅提升钻头的切削效率，进一步增强高效钻头的使用效率，提速效果明显。

（3）由于库车山前非砾石核心发育区具有含纯砾层段短、砾石直径较小且夹杂砂泥岩等特点，鉴于大扭矩螺杆配合高效PDC 钻头在库车山前砾石核心发育区中深层以深地层的成功应用，该项技术可大面积推广应用于砾石层非核心发育区大段含砾地层，从而大大地提高山前盐上整体机械钻速，缩短钻井作业周期，为库车山前砾石层钻井提速降本提供一个新思路。