摘　要：四川盆地元壩氣田天然氣資源豐富，是中國石化的重點(diǎn)勘探開發(fā)區(qū)塊，但鉆速慢、鉆井周期長是該區(qū)深井  超深井所面臨的共同難題，該區(qū)域陸相侏羅系沙溪廟組—三疊系須家河組地層巖石致密、硬度高、可鉆性差，此井段鉆井周期約200d，占全井鉆井周期的45％，嚴(yán)重制約了鉆井提速提效。為此，開展了扭力沖擊器配合PDC鉆頭、渦輪配合孕鑲金剛石鉆頭、氣體鉆井等新技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)，在試驗(yàn)效果的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析基礎(chǔ)上，提出了延長氣體鉆井應(yīng)用井段和深度的方案；對(duì)于不宜開展氣體鉆井的鉆井液井段，如侏羅系自流井組中上部以淺地層或鉆井液密度較低的地層推薦采用扭力沖擊器提速，自流井組中下部—須家河組地層推薦應(yīng)用渦輪鉆具提速的方案。YB27-1H等11口井第三次開鉆的Æ314.1mm井段平均進(jìn)尺l885.29m，鉆井周期縮短到l66.18d，較前期平均值縮短34d。采用上述配套技術(shù)后，無論是鉆井周期、日進(jìn)尺均優(yōu)于前期施工井，陸相地層提速提效取得了顯著效果。

關(guān)鍵詞：元壩氣田  鉆井技術(shù)  扭力沖擊器  渦輪鉆井  氣體鉆井  四川盆地

ROP enhancing technologies for ultra-deep wells in the continental strata in the Yuanba Gas Field, Sichuan Basin

Abstract：As one of the most important exploration & development target zones of Sinopec，the Yuanba Gas Field is promising for its great Potentlal of natural gas resources in the deep continental formations in the Sichuan Basin．However，the low drilling speed and long drilling cycle are the conlnlon challenges of ultra-deep wells in this field．The continental Shaximiao and Xujiahe reservoir rocks are made up of tlght and hard quartz sandstones with poor drillability，where the average drilling cycle of wells is approximately 200 days，accounting for 45％ of the total drilling cycle．Hence，the ROP enhancement is severely restricted there．In view of this,through technlcal research and the introduction of advanced technologies，pilot tests were conducted，such as gas drilling，drilling with the torslonal impact generator and PDC bit，drilling with the turbine and impregnated diamond bit，and so forth．Based on the techmcal and economlc analysis of the test effects，an innovative drilling performance plan was put forward for extending the well in tervals and lnereaslng the depth of gas drilling；as for such intervals that could not undergo gas drilling，it is recommended that the torsional lmpact generator be adopted to improve the drilling speed in shallow formations in the upper and middle parts of the Ziliujing Fm or the formation with relatively low density drilling fluid and that turbine drilling tools be used for raising the drilling speed in the middle and lower parts of the Ziliujing and Xujiahe Fins．Under the guidance of the ROP enhancement plan，11 wells，including Well YB27-1H，were drilled，and the statistical analysis showed that the average footage of Æ314.1mm interval in the third spud-in is l885.29m，the drilling cycle is shortened to 166.18 days，which is 34 days shorter than the earlier average record．The effect of the plan iS excellent in shortening the drilling cycle and improving the daily footage compared with the earlier drilling record．proving its capability to meet the challenges in this study area．

Key words：Yuanba Gas Field，drilling technology，torsional impact generator，turbine drilling，gas drilling，Sichuan Basin

四川盆地川東北元壩地區(qū)天然氣資源豐富，作為川氣東送工程資源接替的重要陣地，已成為中國石油化工股份有限公司繼普光氣田之后天然氣增儲(chǔ)上產(chǎn)的又一重點(diǎn)探區(qū)^[1-2]。目前已有10多口井在海相二疊系長興組、吳家坪組獲得工業(yè)氣流，天然氣最高無阻流量達(dá)到751×10⁴m³／d，近期多口井在陸相侏羅系自流井組、三疊系須家河組鉆獲高壓裂縫性氣藏，揭示了元壩氣田良好的勘探開發(fā)前景。無論是海相深井還是陸相專層井均面臨陸相深部地層因巖石硬度高、可鉆性差、非均質(zhì)性強(qiáng)而導(dǎo)致的速度慢、周期長難題^[3]。甲乙方都試圖采用高效鉆頭和成熟鉆井技術(shù)來提高機(jī)械鉆速，但機(jī)械鉆速未獲得較大突破。

1　元壩陸相鉆井面臨的難題

元壩陸相地層埋深平均在4800m，砂泥巖交錯(cuò)、多為硅質(zhì)膠結(jié)、巖性致密、非均質(zhì)性強(qiáng)，巖石抗壓強(qiáng)度在68.89～148.05MPa，巖石內(nèi)摩擦角為26.65°～48.44°，可鉆性級(jí)值普遍在5～8級(jí)甚至更高，屬高硬度、高研磨性地層。

第三次開鉆的Æ311.2mm(或Æ314.1mm)井眼，采用鉆井液鉆進(jìn)的平均機(jī)械鉆速0.90m／h，單只鉆頭進(jìn)尺60.77m，侏羅系沙溪廟組須家河組井段平均機(jī)械鉆速l.06m／h，自流井、須家河組鉆速只有0.81m／h(圖1)。第三次開鉆鉆進(jìn)井段(沙溪廟組上段底部—三疊系雷口坡組三段)所耗時(shí)間最長，約占全井鉆井周期的45％。

根據(jù)已鉆井資料分析，陸相深部井段鉆速慢的原因主要有以下幾個(gè)方面：

1)自流井組、須家河組巖石致密、硬度大、可鉆性差，影響鉆井提速^[4]。自流井組須家河組地層可鉆性級(jí)值明顯增加，部分層段高于8級(jí)，鉆井難度明顯增加。該層段含礫石且砂礫巖互層，制約鉆頭選型和提速工具的使用壽命。YBl井自流井組的4460～4540m、YBl01井4475～4492m井段鉆遇礫石層；YBl井須四段的4670～4685m、Ybl0l井4900～4910m井段鉆遇礫石層。

2)陸相多層位地層出水，沙溪廟組上段底部易坍塌，空氣鉆井鉆遇復(fù)雜情況必須轉(zhuǎn)換為鉆井液鉆井，氣體鉆井應(yīng)用井段受限。統(tǒng)計(jì)元壩22口井的氣體鉆，77.3％井深超過3000m，也有5口井鉆深約2900m。

3)低密度鉆井液應(yīng)用井段有限，高密度條件下鉆速慢。自流井、須家河組易鉆遇高壓裂縫性氣層，YL3、YL5等井鉆遇高壓裂縫后，壓井液密度超過2.30g／cm³。密度低于1.50g／cm³的井段較短，僅氣體鉆井結(jié)束井深至自流井頂部(約l50m)。高密度條件下鉆速慢，新工藝、新技術(shù)應(yīng)用效果也不理想。前期應(yīng)用的旋沖鉆井技術(shù)也因高密度條件下固相含量高，對(duì)工具的沖蝕性加強(qiáng)，影響了使用壽命和使用效果。

4)新工藝、新工具、新技術(shù)推廣應(yīng)用受成本和風(fēng)險(xiǎn)制約。體現(xiàn)在2個(gè)方面：①初次應(yīng)用無成功經(jīng)驗(yàn)可借鑒，相鄰區(qū)塊應(yīng)用效果缺乏說服力，應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)大，一旦失敗，推廣應(yīng)用難度更大；②應(yīng)用效果好的工具和技術(shù)，處于“壟斷”地位，成本普遍較高，需權(quán)衡其使用的經(jīng)濟(jì)性。

2　提速提效鉆井關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)元壩陸相深部地層鉆井難題，通過攻關(guān)研究，引進(jìn)和應(yīng)用了扭力沖擊器、渦輪鉆井的提速工具和工藝，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與完善，基本形成了自流井組中上部以淺采用扭力沖擊器配合PDC鉆頭、自流井組中下部和須家河組采用渦輪配合孕鑲金剛石的鉆井提速配套技術(shù)，輔以高效鉆頭，較大幅度地提高了元壩深井鉆井速度。

2．1　扭力沖擊器配合PDC鉆井技術(shù)

自2009年起，在元壩地區(qū)試驗(yàn)阿特拉公司TorkBuster扭力沖擊器，該工具是一種純機(jī)械動(dòng)力丁具。

它將鉆井液的流體能量轉(zhuǎn)換成扭向的、高頻的(750～1500次／min)、均勻穩(wěn)定的機(jī)械沖擊能量，并直接傳遞給PDC鉆頭，這就使鉆頭不需要等待積蓄足夠的扭力能量就可以切削地層^[5-6]。

從YB6等井的鉆井應(yīng)用試驗(yàn)分析，扭力沖擊器單趟鉆進(jìn)尺和機(jī)械鉆速最大的敏感性因素是鉆井液密度，當(dāng)鉆井液密度高于l.70g／cm³，進(jìn)尺和機(jī)械鉆速降低明顯，YBl6井、YB271井施工時(shí)最低鉆井液密度1.72g／cm³，平均機(jī)械鉆速僅0.76m／h，單趟鉆進(jìn)尺72m。而YBl0、YBl24等井在沙溪廟組—侏羅系千佛崖組應(yīng)用，鉆井液密度在1.15～1.55g／cm³，平均機(jī)械鉆速2.23m／h，單趟鉆進(jìn)尺269.65m，體現(xiàn)出鉆井提速提效的功效。因此，建議扭力沖擊器在自流井組中上部以淺地層或鉆井液密度較低的地層應(yīng)用。

經(jīng)濟(jì)性方面，通過盈虧平衡法分析，以ZJ70鉆機(jī)施工為例，當(dāng)施丁進(jìn)尺低于65m時(shí)，常規(guī)牙輪鉆頭鉆井成本較扭力沖擊器配合進(jìn)口PDC鉆頭低，隨著進(jìn)尺的增加，扭力沖擊器配合進(jìn)口PDC鉆頭鉆井總成本降低；當(dāng)施工進(jìn)尺大于110 m，進(jìn)口PDC鉆頭配合扭力沖擊器低于國產(chǎn)PDC鉆頭常規(guī)鉆井成本，隨著進(jìn)尺的增加，扭力沖擊器鉆井成本逐步降低。在第二套工具使用初期，成本相當(dāng)，之后扭力沖擊器更有利于降低鉆井成本。

2．2　渦輪配合孕鑲金剛石鉆頭鉆井技術(shù)

繼川西XC8井應(yīng)用之后，大家對(duì)高速渦輪在四川盆地致密地層的應(yīng)用效果都充滿信心，也成為該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于元壩地區(qū)陸相深部地層的重要原因。

高速渦輪有如下技術(shù)特點(diǎn)^[7-8]：效率高，如Smith公司渦輪轉(zhuǎn)速可以達(dá)到l444r／min，是普通螺桿的7倍；工作平穩(wěn)，減少井下振動(dòng)引起的鉆頭損害(碎齒、胎體斷裂等)，延長鉆頭壽命；使用壽命長，沒有橡膠件，在井下工作時(shí)間可超過400h；壓降高，如l50級(jí)T2MKl-Ⅱ型壓降為l5.13～16.80MPa，對(duì)機(jī)泵條件要求較高。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，元壩長興組深井在第三次開鉆后，應(yīng)用渦輪配合孕鑲金剛石鉆頭17井次，陸相專層井應(yīng)用7井次，平均單趟鉆進(jìn)尺211.11m，平均機(jī)械鉆速1.37m／h。與自流井組、須家河組平均機(jī)械鉆速0.81m／h相比，提高了69.14％。其中，YB224井千佛崖組至須一段地層進(jìn)尺ll74.4m，平均機(jī)械鉆速1.72m／h，同比提高了l23％。實(shí)踐證明，高速渦輪配合孕鑲金剛石鉆頭復(fù)合鉆井技術(shù)是元壩地區(qū)下部陸相地層提速的一種有效手段。

與扭力沖擊器相比，渦輪鉆井在高致密儲(chǔ)層中的適應(yīng)性更好，通過與常規(guī)轉(zhuǎn)盤鉆井、旋沖鉆井、螺桿配合PDC鉆頭復(fù)合鉆井等對(duì)比分析，渦輪鉆井是目前適合自流井組底部礫石層和須家河組高研磨性地層的最好的方法之一。雖然國內(nèi)外有Smith、俄羅斯、武漢地大、成都奧尤等多家服務(wù)商，但應(yīng)用效果差異較大，主要是應(yīng)用井段和應(yīng)用井次的差異。選擇何種渦輪鉆具還需要根據(jù)使用效果和鉆井成本綜合確定。受國外渦輪租賃費(fèi)和服務(wù)費(fèi)制約，推薦在自流井組中下部須家河組應(yīng)用，待國產(chǎn)渦輪解決使用壽命后，在經(jīng)濟(jì)可行的情況下再延伸應(yīng)用井段。

2．3　氣體鉆井技術(shù)

氣體鉆井技術(shù)在陸相中上部地層已推廣應(yīng)用^[9-10]，第二次開鉆的大尺寸井眼段氣體鉆井鉆至中后期因井壁失穩(wěn)、返砂不暢等導(dǎo)致提前結(jié)束，井深超過1500m時(shí)，空氣排量普遍超過l80m³／min，鉆至完鉆井深時(shí)排量最高達(dá)300m³／min，受地層、井眼尺寸和設(shè)備制約，Æ444.5mm井眼氣體鉆井深度已達(dá)極限，元壩工期8口井只有3口井鉆至設(shè)計(jì)井深。

根據(jù)井壁穩(wěn)定性分析結(jié)果，深度小于2800m的地層當(dāng)量應(yīng)力低于地層巖石的綜合強(qiáng)度，氣體鉆井井壁穩(wěn)定性較好如圖2，而深度超過2800m的地層坍塌密度高于空氣鉆井臨界坍塌壓力當(dāng)量密度值(圖3)，這些層段‘營氣鉆井過程中存在垮塌掉塊，可通過優(yōu)化鉆井參數(shù)來克服，并做好氣液轉(zhuǎn)換準(zhǔn)備；千佛崖組—須家河組地層氣體鉆井穩(wěn)定性較差，YB3井在自流井組3727.8～3791.5m應(yīng)用氮?dú)忏@井，僅進(jìn)尺63.7m，不但后期通井循環(huán)時(shí)間較長，鉆井費(fèi)用也有所增加，在目前技術(shù)條件下該井段采用氣體鉆井還存在一定難度。

在沙溪廟組上段及以下深井段應(yīng)用氣體鉆井可以通過3種方式完成：①增加空壓機(jī)數(shù)量，提高2800m以下深井段攜巖效果，延長第二次開鉆鉆進(jìn)井段空氣鉆井深度；②縮小井眼尺寸，在第三次開鉆鉆進(jìn)井段繼續(xù)試驗(yàn)空氣(氮?dú)?span lang="EN-US">)鉆井，通過封隔上沙溪廟組底部易塌層后二次入井，減少長井段井塌風(fēng)險(xiǎn)；③提高氣液轉(zhuǎn)換工藝，縮短后期通井循環(huán)時(shí)間。通過不斷總結(jié)氣體鉆井施工經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)選鉆井參數(shù)，延長氣體鉆井應(yīng)用井段和深度后，能夠?qū)崿F(xiàn)陸相深部地層大幅度提速目標(biāo)。

2．4　鉆頭選型技術(shù)

第三次開鉆鉆進(jìn)的Æ311.2mm或Æ314.1mm井眼，牙輪鉆頭常規(guī)鉆井時(shí)平均機(jī)械鉆速0.87m／h，共使用牙輪鉆頭30多種型號(hào)，以HJT537GK、SJT537GK牙輪鉆頭使用頻率最高；PDC鉆頭常規(guī)鉆井時(shí)平均機(jī)械鉆速1.13m／h，單趟鉆進(jìn)尺97.15m，但受地層制約(礫石、夾層)，未推廣應(yīng)用，應(yīng)用效果較好的DFl906BU(YB273井，深遠(yuǎn)公司PDC鉆頭)和迪普公司DM665H等PDC鉆頭均是在鉆井液密度相對(duì)較低的情況下取得的，當(dāng)鉆井液密度高于2.00g／cm³后，單趟鉆進(jìn)尺和機(jī)械鉆速達(dá)不到理想效果，如億斯達(dá)公司EHl316E鉆頭在鉆井液密度2.24g／cm³的情況下，平均機(jī)械鉆速僅0.41m／h，單趟鉆進(jìn)尺僅44.5m。

目前應(yīng)用較好的鉆頭主要是進(jìn)口鉆頭，普遍與提速工具配合。自主研發(fā)高壽命鉆頭，突破礫石層、夾層、泥頁巖層鉆井難題^[11]，最大限度地降低鉆井綜合成本是目前急需解決的技術(shù)難題。國內(nèi)針對(duì)自流井組、須家河組地層特點(diǎn)，研制了不同結(jié)構(gòu)和性能的金剛石全面鉆進(jìn)鉆頭、大粒度金剛石結(jié)合特殊自銳切削齒的新型孕鑲鉆頭、高研磨性地層異形單牙輪鉆頭^[12-13]，試驗(yàn)證明刀翼式和二次鑲嵌式金剛石鉆頭配套國產(chǎn)螺桿鉆進(jìn)工藝是非常有效的，既降低了成本又縮短了鉆進(jìn)時(shí)間，達(dá)到了鉆探提速的目的。

3　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

元壩地區(qū)長興組深井在陸相深部地層已應(yīng)用扭力沖擊器17井次，陸相專層井應(yīng)用9井次，平均單趟鉆進(jìn)尺262.98m，平均機(jī)械鉆速2.60m／h。在Æ314.1mm井眼段應(yīng)用進(jìn)尺3286.39m，平均機(jī)械鉆速2.07m／h，單趟鉆進(jìn)尺l93.32m；應(yīng)用渦輪配合孕鑲金剛石19井次，陸相專層井應(yīng)用7井次，平均單趟鉆進(jìn)尺208.74m，平均機(jī)械鉆速1.37m／h，與自流井組、須家河組平均機(jī)械鉆速0.63m／h相比，提高了ll7.46％；應(yīng)用高效PDC鉆頭5井次，同比相鄰井段提速10.22％，單趟鉆進(jìn)尺提高21.25m。

截至2013年4月，除YB27-2井外，中國石化西南油氣分公司在元壩地區(qū)部署的產(chǎn)能建設(shè)井均完成第三次開鉆。從表1中可以看出，采用推薦的技術(shù)集成應(yīng)用后，無論是鉆井周期還是日進(jìn)尺均優(yōu)于前期施工井。ll口井第三次開鉆平均鉆井時(shí)間166.18d，較前期平均值縮短34d。

4　結(jié)論及建議

1)通過多口井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，扭力沖擊器、渦輪鉆井技術(shù)能夠較好地解決元壩陸相地層常規(guī)鉆井機(jī)械鉆速慢的難題，在提高機(jī)械鉆速的同時(shí)，延長了鉆頭的使用壽命。

2)元壩上沙溪廟組及以淺地層坍塌壓力相對(duì)較低，已全面推廣應(yīng)用氣體鉆井；千佛崖組—須家河組地層在確保井壁坍塌的巖屑及時(shí)排出情況下可開展氣體鉆井，建議適當(dāng)延長氣體鉆井應(yīng)用井段和深度。

3)在地面設(shè)備允許的條件下，應(yīng)盡量提高排量，避免低轉(zhuǎn)速且排量不足的情況下發(fā)生鉆頭泥包。建議加快試驗(yàn)國產(chǎn)渦輪、孕鑲金剛石鉆頭、高速螺桿，降低鉆井成本。

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本文作者：龍剛  劉偉  管志川  唐洪衛(wèi)  江波

作者單位：中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院

  中國石化西南油氣分公司工程技術(shù)處

  中國石化西南石油工程有限公司四川鉆井分公司