新型钻井提速工具在龙岗气田软硬交替地层中的成功应用

       摘　要：自21世纪初在四川盆地发现龙岗气田以来，机械钻速低、钻井周期长等问题长期制约着该气田勘探开发的进度和效益。为此，对该气田的钻井地质特点和影响钻井周期的因素进行了系统分析，认识到该气田侏罗系沙溪庙组、自流井组中的砂泥岩软硬交替频繁造成钻头泥包和PDC崩齿，以及上三叠统须家河组定向钻进托压严重是使机械钻速变慢最重要的影响因素。进而提出了不同地层的针对性提速技术方案，即侏罗系采用旋转冲击器带专用PDC钻头钻进，配合钻井液性能调整、钻井参数优化等专项技术措施的应用来预防处理PDC钻头泥包，实现侏罗系快速钻进；在三叠系须家河组的定向钻进井段，采用高速弯涡轮带孕镶金刚石钻头进行高转速低钻压快速钻进，该钻进方式充分利用孕镶金刚石钻头切削齿自锐的特点，以延长钻头使用寿命。最后，在该气田的2口井上进行了现场应用试验，大幅度提高了应用井段的机械钻速、缩短了钻井周期，取得了良好的试验效果。

       关键词：泥包  软硬交替互层  强研磨性地层  托压  旋转冲击器  高速涡轮  孕镶金刚石钻头  四川盆地  龙岗气田

Application of novel speedup drilling tools in alternate layers of soft and hard rocks in the Longgang Gas Field，Sichuan Basin

       Abstract：In the Longgang Gas Field，the progress and benefit of exploration and development are always restricted by low penetration rate and long drilling cycle for a long period since its discovery in the early 21st century．Therefore，this gas field was systematically investigated in terms of its geologic characteristics and factors influencing drilling cycles．It is indicated that bit bailing and PDC teeth breaking occur frequently due to the alternate layers of sandstones and mudstones in Shaximiao Formation and Ziliujing Formation of Jurassic．The reduction of penetration rate is mostly caused by serious backing pressure of directional drilling in Xujiahe Formation．In this paper，therefore，penetration rate improving program is provided specifically for different formations．In Jurassic，PDC bit balling should be avoided by using rotary impactor with special PDC bits，combined with the improvement of drilling fluid properties and the optimization of drilling parameters．At the directional drilling section of Triassic Xujiahe Formation，high-speed turbine with impregnated diamond bits was adopted to realize high-speed drilling with high rotation speed and low weight on bit．In this mode，self-sharpening of impregnated diamond bit cutter is fully exerted，and the service life of bits is prolonged．This program was tested at two wells in Longgang Gas Field and the results were satisfactory．The penetration rate at the program-applying section is greatly increased and drilling cycle is reduced．

 Keywords：Balling；Alternate layer of soft and hard rocks；Strong abrasive formation；Backing pressure；Rotary impactor；High-speed turbine；Impregnated diamond bit；Sichuan Basin；Longgang Gas Field

       从21世纪初期在四川盆地发现龙岗气田至今，机械钻速低、钻井周期长等问题长期制约着该气田勘探开发进度。无论是以飞仙关组鲕粒滩为目的层的超深井还是以雷口坡组为目的层的中深井，都必须钻穿沙溪庙组大段红色泥岩层和须家河组的砂页岩互层，在这两组地层钻进时，由于钻头泥包、地层软硬交替频繁、岩石可钻性差等原因，导致机械钻速低，单只钻头进尺少、起下钻频繁，钻井周期和钻井成本一直居高不下。笔者将对上述问题进行重点分析，寻求提高钻井速度的新途径。

1　影响龙岗气田钻井速度的原因分析

1．1　侏罗系

       龙岗气田侏罗系以泥岩为主，中间分布大量砂岩、页岩、灰岩夹层，地层岩石软硬交替频繁、井段长约2200m。沙溪庙组上部井段大量分布的泥岩造浆性极强，容易在PDC攻击齿表面及钻头流道内形成致密的泥包层，导致起下钻频繁，纯钻时效低[1-4]；沙溪庙组下部及自流井组软硬交替频繁，PDC钻头从软地层进入硬地层时，容易崩齿。平均单只钻头进尺仅268.47m，平均机械钻速2.55m／h(表1)。出于经济、技术考虑，大多采用机械钻速相当、但不易泥包，价格更具优势的牙轮钻头钻进该井段。如果能解决钻头泥包和软硬交错地层造成PDC崩齿两个问题，可以提高钻头机械钻速和进尺，减少起下钻趟数。

1．2　上三叠统须家河组

       龙岗构造须家河组上部灰黑色页岩、碳质页岩与粉砂岩组成不等厚互层，夹煤层及煤线，中上部灰色中—细粒砂岩为主，部分含砾岩，夹薄层黑色页岩、砂质页岩，中下部深灰色砂质页岩、页岩夹灰色粉、细砂岩，下部灰色粉细砂岩夹薄层黑色页岩、粉砂质页岩，局部碳质页岩。当互层变换频繁时，使用同一只钻头，可能钻遇好几种不同岩性的地层，要想使用某一种型号钻头专打某一种岩性几乎不现实，直接导致了在该段钻进机械钻速低，单只钻头进尺少，起下钻次数多。

1．3　须家河组定向效率低、速度慢、风险大

       龙岗构造以中三叠统雷口坡组为目的层的水平井由于井身结构和井眼轨迹限制，只能在须家河组进行定向造斜，在须家河组造斜存在以下两个问题：

1．3．1工具面不稳定

       采用弯螺杆+PDC定向钻进时，螺杆反扭矩大，定向时工具面不稳定，每次定向前需要反复拉划井壁，寻找、摆正工具面需要消耗大量时间。

1．3．2托压严重

       定向钻进时钻具紧贴下井壁，由于须家河组可钻性差，机械钻速低，钻具相对地层可近似看作静止，钻具容易黏附在井壁上，增大了钻具与井壁摩擦力，钻压难以传递到钻头上形成有效破岩，造成托压。定向钻进时机械钻速慢易发生托压，托压又使机械钻速更慢，形成恶性循环，导致在须家河组定向钻进困难。

2　提高龙岗构造钻井速度的技术措施

2．1　PDC钻头泥包的预防与处理

       PDC钻头泥包的预防与处理主要从3个方面入手：①调整钻井液性能，通过加入钻头清洁剂、降低黏度、切力、提高钻井液抑制性等手段，防止泥包；②调整钻井参数，如提高排量、转速来预防泥包，通过进行变排量、变转速、低钻压来处理已形成的泥包；③对钻头进行防泥包处理，如在PDC钻头表面涂抹亲油性涂层、改善钻头刀翼螺旋结构，优选喷嘴尺寸，优化钻头流道等。

前期实践发现，由于龙岗构造沙溪庙组的红色、绿色泥岩造浆性和黏附性极强，通过改善钻井液性能来防止泥包的效果不明显，要想提高沙溪庙组机械钻速和单只钻头进尺，只能从调整钻井参数和对钻头进行防泥包处理两方面入手。

       钻井液从PDC钻头水眼喷射出，带动井底被复合片刮削出的岩屑顺着刀翼之间的流道槽向上运移，通过对钻井液在钻头流道槽中流动的水力学分析发现，不论在钻头流道槽中的流态是层流、紊流还是涡流，越靠近两边刀翼，流动压力越低，流动速度越慢，但在层流状态下，靠近刀翼处的循环压力是最低的，紊流时略高，涡流最高。因此，黏附性较强的泥岩岩屑容易黏附在刀翼上，但是如果能在流道槽中形成涡流，涡旋强度越高，其携带岩屑的能力越强，清洗刀翼的能力也越强，换句话讲，在流道槽中形成的涡旋越强，预防泥包的效果就越好。

因此，在沙溪庙组极易泥包的泥岩井段，选择刀翼螺旋弧度较大，排屑槽相对较宽的PDC，保证排量大于50L／s，泵压不低于23MPa，转盘转速高于70r／min，能起到较好的防泥包效果。轻微泥包需要及时发现，然后控制钻压在10kN以内，排量、转速高于钻进参数试钻进10～20min基本可以将钻头清洗干净。

2．2　软硬交错地层的钻头选型与钻井参数优选

       龙岗气田沙溪庙组岩性主要为大段泥岩夹大量砂岩夹层，凉高山为砂页岩互层，珍珠冲为泥砂岩互层，须家河组为砂岩页岩互层，这些地层均存在一个共同的特点：地层岩石软硬交替频繁。

软硬地层互层交替较频繁，如何选择合适的钻头和钻进参数，是提高钻头机械钻速和使用寿命的关键。前期研究发现：若选用采用攻击性较强、保径长度较短的5刀翼PDC钻头钻进，新钻头入井后前期可以获得较理想的机械钻速，但往往钻进数十米以后，主切削齿便会受到严重磨损，特别是进行过划眼倒划眼处理生页岩掉块卡钻复杂，保径齿损伤后，机械钻速将急剧降低，单只钻头进尺及平均机械钻速都不高；而采用攻击性稍次，钻头承压稳定性较好的，具有较长保径的六刀翼PDC钻头，采用高钻压低转数钻页岩，用低钻压高转速钻压钻石英砂岩，可以获得较理想的效果。采用高钻压钻页岩或低钻压高转速钻泥岩时，岩性突变为砂岩，PDC复合片侵入地层过深引起扭矩值和扭矩波动突然增大，容易造成复合片提前磨损甚至导致崩齿。因此，在互层频繁的地层引入钻头底部带减震限位齿的钻头能有效缓解由硬进软地层时发生的扭矩波动，延长钻头寿命[5]。

2．3　旋转冲击器的提速原理

       旋转冲击器是由Æ244.5mm7/8头的4.8级Hemi-Drill动力组合及可调弯节外壳和一个4头冲击幅度为8.89mm的液压锤组成(图1)。其工作原理为：①动力总成为钻头提供转速和输出扭矩。②液力锤由上、下芯轴组成，通过机械和液压综合方式对钻头产生敲击力。敲击力大小与所加钻压相关，钻头提离井底即停止敲击。该工具频率为300次／min。③两个芯轴之间的相互啮合，向工具的外壳提供轴向运动，达到有效传递钻压的作用[6-10]。

旋转冲击器通过对钻头提供旋转扭矩和轴向振动冲击力，增大了钻头对地层冲击破碎力和切削次数，提高了PDC钻头的破岩效率，从而提高了机械钻速。

2．4　孕镶PDC+高速涡轮的提速原理

       高速涡轮的工作转速远高于普通的螺杆，由于砂岩、硬质页岩在被破碎时，在力学上主要表现为刚性，在涡轮高转速旋转带动钻头切削地层岩石时，岩石与地层接触的部分发生轴向破碎，被钻井液带出，同时岩石被切削面以下未被钻头接触的部分由于高速旋转带来的高动能，发生轴向破碎，从而沿着井底方向产生微裂缝，为钻头进行深入破岩创造了条件[11-15]。

       高速涡轮在工作时，会发生高频的震动，能降低定向滑动钻时钻具因静止时间过长产生的托压、黏卡的风险，提高定向滑动钻进机械钻速和定向效率。

孕镶PDC具有自锐的特点，其冠部收到初期磨损后不会像常规带复合片的PDC钻头一样快速丧失攻击力，而是继续有力地吃入地层，破碎岩石，从而提高了钻头在高研磨性地层中的使用寿命。

将孕镶PDC与高速涡轮配合使用，是提高须家河组高研磨性地层机械钻速的有效措施。

3　应用实例

3．1　旋转冲击器的应用

       在LG022-H10井采用PDC+旋转冲击器在井段2008.00～2096.00m、2135.00～3027.96m进行提速试验。试验前期由于在钻头选型时，没有从钻头结构方面考虑防泥包措施，导致钻头多次被泥包，造成了5趟不必要的起下钻。选择5刀翼、16mm复合片，刀翼螺旋度较大的PDC钻头(型号：SKH616M-C1C)，有效抑制了钻进期间的泥包现象，但划眼、小排量循环时，还是容易发生泥包，此时采用钻压10kN，转速80r／min，排量50L／s试钻进10～20min，便能将钻头清洗干净，恢复钻进。

       本次试验累计进尺980.96m，纯钻时间243.73h，平均机械钻速4.02m／h，如表2所示：与试验前纯钻时间减少61％，平均机械钻速提高134％，钻井周期缩短了37％，提速效果明显，取得了较好的效果。

3．2　高速涡轮+孕镶PDC钻头的应用

在LG022-H8井选用进口的孕镶钻头(型号：DD4760M)+高速涡轮(型号：Æ168.275 mmFBSTSXLl38MKl，弯度：1.5°)进行定向钻进试验。从井深3360.00m开始定向，8月27日9：00钻至完钻井深3868.00m，钻井周期11.90d，试验累计纯钻时间为224.5h，累计进尺508.00m(3360.O0～3868.00m)，平均机械钻速2.26m／h，如表3所示，与试验前纯钻时间减少70％，平均机械钻速提高118％，钻井周期缩短了73％，提速效果明显。

 

4　结论与建议

4．1　结论

       1)采用旋冲钻具+PDC钻头的方式较试验前纯钻时间减少61％，平均机械钻速提高134％，节约钻井周期14.22天。缩短了37％，提速2.34倍，取得了较好的提速效果。

       2)旋转冲击器对钻头施加的高频振动冲击能提高钻头的破岩效率，但对钻头复合片、刀翼的破坏作用也同比增大，在钻头选型方面对钻头复合片尺寸、抗磨能力、刀翼数量、流道设计、钻头抗震设计方面还需要进一步优化，才能与先进工具配套，整体提高机械钻速和经济效益。

       3)采用孕镶PDC+涡轮钻具的方式较试验前采用PDC+螺杆的钻进方式纯钻时间减少70％，平均机械钻速提高118％，钻井周期缩短了73％，提速效果明显，取得了较好的效果。

       4)使用孕镶PDC+高速涡轮钻进时，对钻进参数进行优化，如在砂岩井段适当降低钻井液黏度、切力，提高排量，加强钻井液对钻头的清洗与冷清，在黄铁矿、页岩井段适当降低钻压和排量，保护好钻头能延长孕镶PDC钻头寿命。

4．2　建议

       1)选择PDC+螺杆钻进方式只要处理好钻头泥包尝试代替旋冲工具+PDC，以提高经济效益。在PDC选型方面，沙溪庙组选择五刀翼、16mm复合片(或高强度19mm复合片)，刀翼螺旋度较大、短保径的PDC钻头；在自流井组  须家河组井段，选择六刀翼、16mm复合片、长保径PDC钻头。

       2)在龙岗构造沙溪庙组钻进时高度重视钻头泥包的问题，在起下钻过程、钻进、接立柱、循环等各种工况均可能发生泥包，要尽量减少不必要的拉划时间、小排量循环时间。初期泥包较晚期泥包容易处理，应要求井队技术人员和刹把操作人员充分利用综合录井数据，及时发现泥包，及时处理。

       3)旋转冲击器能产生自动轴向振动，从原理上可以看作螺杆和水力振荡器的复合体，下步可试验PDC+旋转冲击器+弯接头+MWD的钻井方式进行定向，缓解定向托压，提高定向效率。

       4)旋转冲击器和高速涡轮工作循环压耗高达8MPa，给钻机循环系统带来的负荷较高，要发挥出旋转冲击器的最佳效果，最好选用设备新度系数较高，循环系统额定泵压为52MPa的钻机。

 

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本文作者：王明华

作者单位：中国石油川庆钻探工程公司川西钻探公司