摘　要：塔北地區(qū)目前是塔里木盆地增加油氣儲量的重點(diǎn)區(qū)域，然而該區(qū)儲層埋藏深，上部地層傾角較大、下部地層可鉆性差，導(dǎo)致機(jī)械鉆速低、鉆井周期長。為此，重點(diǎn)在近4100m進(jìn)尺的；Æ241.3 mm井眼段以提高機(jī)械鉆速和行程鉆速為目標(biāo)，采集該區(qū)3口井的侏羅系—奧陶系的巖心來測定地層可鉆級值等巖石力學(xué)參數(shù)，試驗(yàn)優(yōu)選出適應(yīng)的高效提速技術(shù)措施：上部新近系—三疊系井段采用抗高溫等壁厚X-treme螺桿配合PDC鉆頭復(fù)合鉆進(jìn)，下部三疊系—奧陶系井段采用扭力沖擊器TorkBuster配合專用PDC鉆頭鉆進(jìn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，上述兩種技術(shù)的結(jié)合使用大幅度提高了第二次鉆進(jìn)的Æ 241.3mm井段的機(jī)械鉆速。井深達(dá)6785m的9號直井全井平均機(jī)械鉆速達(dá)到了l0.69m／h，較鄰井9 2號井的6.72m／h提高了59.07％；鉆井周期僅55d，較鄰井9-2號井鉆井周期減少了33.46d，下降幅度達(dá)37.83％；目前，該技術(shù)已在塔北地區(qū)得到了推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：塔里木盆地  北部地區(qū)  可鉆性差　X-treme螺桿  扭力沖擊器  機(jī)械鉆速

ROP enhancing technologies and their application in deep wells in the northern Tarim Basin

Abstract：Hydrocarbon reservoirs in the northern area are the most potential pay zones contributing to the increase of oil and gas reserves in the Tarim Basin．However，well drilling is challenging there with a low ROP and a long drilling cycle due to dissatisfactory geological factors，such as the great buried depth of such reservoirs，the big stratigraphic dip of upper bed layers，the poor drillability of lower bed layers，and so on．In view of this，this paper aims to find an efficient way to significantly improve the ROP and the drilling rate of a trip，focusing on such well sections with the borehole diameter of Æ241.3mm and the drill footage of 4，100m in this study area．First，the core samples from the Jurassic-Ordovician formations were coilected from three wells therc to test the me chanical properties of rocks，such as the measurement of the formation drillability．On this basis，adaptable technical measures for improving the ROP and the drilling rate of a trip were optimally selected through experiments．In the well sections through the upperparts of Neogene-Triassic Fms，the composite drilling was applied with X-treme^TM nlotors and PDC drill bits；in the lower well seetions through the lower parts of Neogene-Triassic Fins，the ForkBuster motor was chosen together with the specific PDC drill bits．In this way，the ROP of such．Æ241.3mm well sections was highly enhanced in the second spud-in．In thc vertical well of 9^#with a total depth of 6，785m，the average ROP reached up to 10.69m／h，which was increased by 59.07％compared to that of 6.72m／h in the neighboring well 9-2^#；its drilling cycle is only 55 days，which is decreased by 37.83％ compared to that of 88.46 days in the well 9-2^#．By till now，the above technical measures have been widely applied in wells in the northern tarimTM Basin．

Key words：Tarim Basin，north，drillability，X-treme motor^TM，TorkBuster，ROP

塔北地區(qū)位于塔里木盆地北部，目前是塔里木油田探明油氣儲量最多、富集程度最高的地區(qū)^[1]，已發(fā)現(xiàn)了哈拉哈塘、新墾、熱普等油氣區(qū)塊，也是堪探開發(fā)的重點(diǎn)區(qū)域。古生界海相奧陶系為該地區(qū)主力產(chǎn)層，由于遭受多期巖溶作用，儲層以巖溶縫洞型為主^[2]。該地區(qū)儲層埋深大，通常在5000～8000m；地質(zhì)條件復(fù)雜，上部地層松軟、傾角較大，鉆井過程中易井斜；下部地層溫度高、壓力大，巖石堅(jiān)硬，可鉆性差，導(dǎo)致機(jī)械鉆速低，鉆井周期長，嚴(yán)重制約了油氣勘探開發(fā)的進(jìn)度。針對這些提速難點(diǎn)，優(yōu)選出對該地區(qū)適應(yīng)性良好的高效提速措施，即上部新近系—三疊系井段采用抗高溫等壁厚螺桿+PDC鉆頭復(fù)合鉆井技術(shù)、下部三疊系—奧陶系井段采用扭力沖擊工具+專用PDC鉆頭提速技術(shù)。實(shí)踐表明，該措施提速效果顯著。

1　鉆井提速難點(diǎn)

塔北地區(qū)地層自上而下主要為新生界第四系、新近系、古近系，中生界白堊系、侏羅系、三疊系，古生界二疊系、石炭系、泥盆系、志留系、奧陶系，部分區(qū)塊存在層位缺失。實(shí)鉆資料顯示古生界機(jī)械鉆速慢，為提速瓶頸地層。因此以該地區(qū)哈拉哈塘區(qū)塊為例，進(jìn)行了一定數(shù)量的此井段巖心室內(nèi)測試，測試結(jié)果如表1所示。根據(jù)實(shí)鉆資料和巖心室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)塔北地區(qū)鉆井提速難點(diǎn)如下。

1)新近系—三疊系：主要為泥巖、粉砂巖和砂巖，侏羅系含少量的礫巖。地層松軟、傾角較大，鉆進(jìn)過程易井斜；泥巖吸水性強(qiáng)，易造漿形成虛厚泥餅，起下鉆困難；含礫砂巖對PDC鉆頭極具破壞性；偶爾出現(xiàn)少量煤層，易導(dǎo)致井壁垮塌，造成井眼擴(kuò)大和井壁失穩(wěn)。

2)二疊系：巖性復(fù)雜，主要為玄武巖、砂巖和泥巖互層。地層硬度大，達(dá)l581.26MPa，可鉆性差，三牙輪可鉆性級值達(dá)7.65，PDC鉆頭可鉆性級值達(dá)6.1；玄武巖致密、性脆、硬度極高，耐磨性強(qiáng)，對鉆頭傷害極大，導(dǎo)致跳鉆現(xiàn)象，崩壞PDC鉆頭切削齒；PDC鉆頭失效造成多余的起下鉆，而換成牙輪鉆頭后機(jī)械鉆速極低，多分布于1～2m／h，低至1m／h，導(dǎo)致鉆井周期增大，為該地區(qū)鉆井難度最大的地層。圖l為塊狀玄武巖屑照片。

3)石炭系一志留系：主要為砂泥巖不等互層、石灰?guī)r和礫巖。地層堅(jiān)硬，硬度達(dá)2232MPa，抗壓強(qiáng)度達(dá)221.2MPa，可鉆性差，砂巖研磨性強(qiáng)，機(jī)械鉆速慢且鉆頭損耗快，PDC鉆頭平均機(jī)械鉆速約為2m／h，而三牙輪鉆頭平均機(jī)械鉆速約為1.5m／h；部分區(qū)塊石炭系含有砂礫巖(圖2)，對PDC鉆頭破壞性強(qiáng)。

4)志留系—奧陶系中上部：主要為細(xì)砂巖、泥巖和泥灰?guī)r。巖石抗壓強(qiáng)度達(dá)到200MPa，硬度大，可鉆性差；夾層多且夾層之間強(qiáng)度差別大，易導(dǎo)致PDC鉆頭出現(xiàn)崩齒現(xiàn)象。

5)奧陶系中下部：主要為夾泥質(zhì)灰?guī)r和石灰?guī)r。地層硬度大，抗壓強(qiáng)度高，達(dá)138MPa，可鉆性差；鉆遇灰?guī)r裂縫，應(yīng)力敏感，鉆井液密度安全窗口窄，易同時(shí)溢流井漏；有些地區(qū)硫化氫含量高，對井控工作不利。

6)同時(shí)，根據(jù)哈拉哈塘地區(qū)奧陶系主力產(chǎn)層段實(shí)測溫壓資料統(tǒng)計(jì)分析，地溫梯度約2.1℃／l00m，壓力系數(shù)介于l.05～1.20，目的層溫度達(dá)145℃，地層壓力75MPa，高地層溫度導(dǎo)致常規(guī)螺桿等提速工具工作時(shí)間短、提速效果差。

綜上可知提速難點(diǎn)主要為地質(zhì)條件復(fù)雜，上部地層松軟、傾角較大，鉆進(jìn)過程易井斜；深部古生界地層為提速瓶頸，地層溫度高、壓力大，巖石堅(jiān)硬，研磨性強(qiáng)，可鉆性差，機(jī)械鉆速低，鉆井周期長。

2　高效提速措施

目前塔北主要應(yīng)用Æ273.05mm表層套管×Æ200.03mm技術(shù)套管×裸眼的井身結(jié)構(gòu)，目的層奧陶系埋深介于6500～7100m，第二次開鉆的Æ241.3mm井段主要集中在1500～6600m，并且提速瓶頸位于其下部井段，因此第二次開鉆的Æ241.3mm井段的高效提速措施能夠大幅降低鉆井周期，提高綜合勘探開發(fā)效果。通過理論和現(xiàn)場應(yīng)用分析，優(yōu)選出的第二次開鉆的Æ241.3mm井段的高效提速措施為上部采用抗高溫等壁厚螺桿+PDC鉆頭復(fù)合鉆井技術(shù)而下部采用扭力沖擊工具+專用PDC鉆頭提速技術(shù)。

2．1　抗高溫等壁厚螺桿+PDC鉆頭復(fù)合鉆井技術(shù)

2．1．1等壁厚螺桿簡介與提速原理

X-treme等壁厚螺桿的基本結(jié)構(gòu)和常規(guī)螺桿相同，最大的特點(diǎn)是采用耐高溫橡膠的等壁厚定子^[3]，具有長壽命、大扭矩、耐高溫和適應(yīng)絕大多數(shù)鉆井液體系等優(yōu)點(diǎn)^[4]。

螺桿與轉(zhuǎn)盤復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)，PDC鉆頭轉(zhuǎn)速等于轉(zhuǎn)盤與螺桿轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之和，從而能高轉(zhuǎn)速切削巖石，提高破巖效率和機(jī)械鉆速；同時(shí)+螺桿+PDC鉆頭高轉(zhuǎn)速復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)能改善鉆柱的受力情況，減少鉆柱的彎曲程度，降低井下鉆具事故，起到了良好的防斜糾斜效果引，達(dá)到了防斜打快的目的。

2．1．2應(yīng)用效果與分析

X-treme螺桿(Æ203mm)+PDC鉆頭復(fù)合鉆井技術(shù)在塔北地區(qū)哈拉哈塘、新墾、熱普區(qū)塊13口井第二次開鉆的Æ241.3mm井眼上部井段進(jìn)行了應(yīng)用，應(yīng)用地層為新近系—三疊系、部分井進(jìn)入二疊系頂部，平均單井進(jìn)尺3631.3m，平均機(jī)械鉆速和行程鉆速分別為l6.66m／h和11.89m／h，表2為X-treme螺桿(Æ203mm)與鄰井常規(guī)螺桿應(yīng)用情況對比。

塔北地區(qū)的應(yīng)用效果表明，X-treme螺桿4-PDC鉆頭復(fù)合鉆井技術(shù)提速效果顯著。在第二次開鉆的Æ241.3mm上部井段平均機(jī)械鉆速和行程鉆速分別達(dá)16.66m／h和ll.89m／h，與鄰井同井段應(yīng)用常規(guī)螺桿相比，分別提高66.1％和55％；大部分井實(shí)現(xiàn)第二次開鉆的Æ241.3mm井眼一趟鉆從新近系鉆至三疊系，單趟最大進(jìn)尺達(dá)4136m，而鄰井同井段需2～4根螺桿，因此減少起下鉆次數(shù)；平均單井節(jié)約時(shí)間達(dá)6.99d，降低了鉆井周期；具有長壽命、大扭矩、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)的X-treme螺桿配合PDC鉆頭復(fù)合鉆井技術(shù)對塔北地區(qū)新近系—三疊系地層適應(yīng)性良好。

2．2　扭力沖擊工具+專用PDC鉆頭提速技術(shù)

2．2．1　TorkBuster提速機(jī)理及優(yōu)點(diǎn)

在正常鉆井條件下，PDC鉆頭能夠連續(xù)地剪切地層(圖3-a)。而PDC鉆頭鉆堅(jiān)硬地層時(shí)，鉆頭經(jīng)常南于扭矩不足停轉(zhuǎn)(圖3-b)，此時(shí)扭矩能量就會聚集在鉆柱之中，導(dǎo)致鉆柱像發(fā)條一樣打卷扭曲(圖3-c)，一旦所需扭矩能量達(dá)到剪切破碎地層的能量，鉆頭將以高于正常轉(zhuǎn)速破巖(圖3-d)。這種猛烈變化運(yùn)動(dòng)即為“卡—滑”現(xiàn)象，會導(dǎo)致鉆頭使用壽命降低、下部鉆具事故增加^[6]。

TorkBuster(阿特拉公司)將鉆井液的流體能量轉(zhuǎn)換成高頻(680～2400次／rain)、均勻穩(wěn)定的扭向機(jī)械沖擊能量并直接傳遞給PDC鉆頭實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)破巖，此時(shí)PDC鉆頭上就有兩個(gè)力在切削地層，一個(gè)是轉(zhuǎn)盤提供的扭力，一個(gè)是TorkBuster提供的扭向沖擊力，相當(dāng)于每分鐘額外680～2400次切削地層，使鉆頭不需要等待積蓄足夠的能量就可以切削地層，消除了“卡—滑”現(xiàn)象，保持鉆頭對地層切削的連續(xù)性(圖3-e)，因此能夠大幅提高機(jī)械鉆速，延長鉆柱壽命，提高鉆井效率。

TorkBuster的優(yōu)點(diǎn)：消除“卡—滑”現(xiàn)象，減少反沖扭力和扭力振蕩；高頻扭沖力能夠提高破巖效率和機(jī)械鉆速；純機(jī)械構(gòu)造，無橡膠、電子元件，失效后不影響正常鉆進(jìn)；延長鉆頭的壽命、減少起下鉆次數(shù)，減小下部鉆具組合及鉆桿的疲勞^[7]。

2．2．2應(yīng)用效果與分析

TorkBuster(Æ165mm)住塔北地區(qū)哈拉哈塘、新墾、熱普區(qū)塊進(jìn)行了兩個(gè)階段的應(yīng)用。第一階段配合UD513鉆頭試驗(yàn)2口井，提速效果不理想。

第二階段對鉆頭進(jìn)行優(yōu)化，配合針對塔北地區(qū)設(shè)計(jì)的PDC鉆頭U513M在10口井第二次開鉆的Æ241.3mm下部井段進(jìn)行了應(yīng)用，應(yīng)用地層為三疊系—奧陶系，平均單井進(jìn)尺1284.5m，平均機(jī)械鉆速和行程鉆速分別為4.44m／h和3.2lm／h，與鄰井同井段應(yīng)用常規(guī)鉆井技術(shù)相比，分別提高170.7％和181.6％；表3為TorkBuster與鄰井常規(guī)鉆井技術(shù)應(yīng)用情況對比，TorkBuster+U513M技術(shù)提速效果顯著。

攻克了螺桿等鉆具無法攻克的二疊系極堅(jiān)硬玄武巖，單趟最大進(jìn)尺827m，除l5號井因鉆井液不適應(yīng)地層導(dǎo)致此井段出現(xiàn)5趟起下鉆外，大部分井實(shí)現(xiàn)兩趟從三疊系鉆完第二次開鉆的Æ241.3mm至奧陶系，平均單井節(jié)約時(shí)間達(dá)30.27d，大幅降低鉆井周期、提高了鉆井效率；井深6785m的直井9號同時(shí)應(yīng)用了此兩種提速技術(shù)，平均機(jī)械鉆速l0.69m／h，鉆井周期僅55d，提速效果遠(yuǎn)高于鄰井9-2號和其他油田相似深度井^[8-12]。(表4)。能夠消除“卡—滑”現(xiàn)象并保持鉆頭對地層連續(xù)切削的TorkBuster配合高抗沖擊的專用PDC鉆頭U513M提速技術(shù)對塔北地區(qū)三疊系—奧陶系地層具有良好的適應(yīng)性。

3　結(jié)論與建議

1)塔北地區(qū)目前是塔里木油田勘探開發(fā)的重點(diǎn)區(qū)域，然而儲層埋深大；上部地層松軟、傾角較大，易井斜；下部地層溫度高、壓力大，巖石堅(jiān)硬，可鉆性差，尤其是二疊系玄武巖，導(dǎo)致機(jī)械鉆速低，鉆井周期長。

2)針對塔北地區(qū)提速難點(diǎn)，并結(jié)合理論與實(shí)踐分析，優(yōu)選出高效提速措施，即上部新近系—三疊系井段采用抗高溫等壁厚X-treme螺桿+PDC鉆頭復(fù)合鉆井技術(shù)而下部三疊系  奧陶系井段采用扭力沖擊工具TorkBuster+專用PDC鉆頭U513M提速技術(shù)?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，該提速措施能夠大幅提高機(jī)械鉆速、降低鉆井周期，對該地區(qū)具有良好的適應(yīng)性；兩種技術(shù)結(jié)合使用實(shí)現(xiàn)了第二次開鉆的Æ241.3mm井段無縫對接鉆井提速，井深6785m的直井9號鉆井周期僅55d，提速效果國內(nèi)領(lǐng)先。

3)建議在塔北地區(qū)大力推廣X-treme螺桿+PDC鉆頭復(fù)合鉆井技術(shù)和扭力沖擊工具TorkBuster+U513M提速技術(shù)，同時(shí)優(yōu)選合適的鉆井液體系與鉆井、水力參數(shù)，充分發(fā)揮兩種技術(shù)的提速效果。

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本文作者：滕學(xué)清  白登相  楊成新  何世明  周小君  李寧

作者單位：中國石油塔罩木油山公司

  西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院