高研磨性硬地层钻井提速技术

兰 凯张金成母亚军晁文学

（1. 中国石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院，河南濮阳 457001；2.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101；3. 中国石化中原石油工程有限公司西南钻井分公司，四川南充 637001）

高研磨性硬地层钻井提速技术

兰 凯1张金成2母亚军3晁文学1

（1. 中国石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院，河南濮阳 457001；2.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101；3. 中国石化中原石油工程有限公司西南钻井分公司，四川南充 637001）

引用格式：兰凯，张金成，母亚军，等.高研磨性硬地层钻井提速技术［J］.石油钻采工艺，2015，37（6）：18-22.

川东北陆相自流井组和须家河组地层岩性致密、研磨性强，机械钻速低、钻头消耗量大，是制约该区域钻井提速的关键层段。为实现提速，各种新型井下工具得到了试验应用，但效果参差不齐。通过计算分层段岩石可钻性，推荐自流井组至须家河组采用孕镶金刚石钻头提高破岩效率；为降低硬地层和软硬交互层段钻头失效导致的钻速低问题，开展了三开井段典型钻具组合扭转和纵向振动理论分析，提出东岳庙段以浅地层采用扭力冲击器配合PDC钻头降低黏滑，珍珠冲段含砾岩层段需使用减震工具或改变钻具组合降低纵振，砂泥岩互层段需推广使用双向减震器或水力加压器降低纵振；采用高速螺杆+孕镶金刚石钻头的复合钻进，提高自流井组至须家河组大井眼定向速度。5口井现场实施后，机械钻速成倍增加、钻头新度提高30%，须家河组Ø311.2 mm井眼定向速度提高1.32倍。

高研磨性地层；扭转振动；纵向振动；孕镶金刚石钻头；扭力冲击器；水力加压器；动力钻具

川东北地区陆相自流井组和须家河组地层岩性致密，砂岩石英含量高、且多为硅质胶结，硬度大，研磨性强，地层可钻性级值平均在6级以上，部分层段高于8级，机械钻速低；且该层段含砂砾岩互层和砂泥岩互层，憋跳钻现象时有发生，钻头进尺短［1-5］。前期的钻井实践表明，在陆相的自流井组、须家河组，机械钻速平均0.36～0.75 m/h；其中YYHF-1井90.89 m的井段使用了11只钻头，PL1-2井287 m井段使用了10只钻头。

为了提高该层段的机械钻速，混合钻头、扭力冲击器、涡轮钻具、旋冲工具、水力加压器等多种提速工具在工区得到了大量试验应用，有些取得了显著的提速效果，而有些则不尽如人意。为了更好的发挥提速工具的使用效果、指明提速的可能途径，文中从提高钻头破岩效率、保证钻头运行平稳性、优选大尺寸井眼斜井段动力钻具出发，探讨了提高钻头使用寿命和行程钻速从而实现高研磨性地层钻井提速的机理，针对性的优选出相适应的提速工具，并在川东北地区多口井应用，实现了钻井提速提效。

1　硬地层钻头优选研究

1.1岩石可钻性分析

采用岩石力学实验与测井资料相结合的方法对岩石力学参数进行预测，得到元坝地区陆相地层岩石力学参数分布特征，见表1。

表1　元坝地区陆相地层岩石力学参数统计平均值

表1的计算结果表明，随着埋深的增加，岩石显著压实，抗压和抗剪强度逐步增加。

在岩心可钻性实验的基础上，得到分层段的可钻性规律：上沙溪庙组可钻性较好，可钻性极值基本在7.0以下；进入下沙溪庙组后可钻性级值明显增大，自流井组为砂泥岩互层、可钻性变化幅值大，须家河组为致密细砂岩夹粉砂岩和泥岩，可钻性级值高，部分层段可钻性级值达到8.5～9.3，钻井难度明显增加。图1为PL1-2H井自流井组和须家河组可钻性随井深分布规律，在3 048 m之前的自流井组幅值跳变严重，且平均值小于后段的须家河组。

图1　PL1-2H自流井组、须家河组可钻性分布

1.2钻头优选

岩石力学参数的分析结果表明，自流井组珍珠冲段到须家河组地层可钻性差、硬度高、纯剪强度大。实践表明在该层段内采用牙轮钻头时碎断齿严重、进尺少、机械钻速低；PDC钻头能提高钻速，但在软硬交互层段不耐冲击，易提前失效。为提高机械钻速，试验应用了孕镶金刚石钻头。

在YB222井自流井组Ø311.2 mm井眼中，采用孕镶金刚石钻头DD3540-AT共进尺369.31 m、平均机械钻速1.14 m/h。在YLH-1井须家河组水平段Ø215.9 mm井眼中，采用1只孕镶金刚石钻头K705共进尺1 292 m、平均机械钻速2.76 m/h、出井新度90%。

完钻井统计结果表明［2］，元坝地区自流井、须家河组平均机械钻速为0.81 m/h；相较之下，YB222井自流井组试验井段机械钻速提高40.74%，YLH-1井须家河组试验井段机械钻速提高2.41倍。

实践证明，孕镶金刚石钻头可以有效提高自流井组至须家河组的机械钻速。

2　提高钻头运动平稳性研究

由于陆相地层软硬交互频繁且地层研磨性强，憋跳钻时有发生，钻头磨损快、崩齿现象多，既减少了行程进尺、增加钻头消耗量，也增加了井下复杂风险。因此，在选择了合适的破岩钻头后，也需要采取相应的技术措施提高钻头在软硬交错地层的运动平稳性，提高钻头寿命，从而实现提速。

2.1硬地层降低黏滑振动技术

在钻遇深部硬地层时，钻头和钻柱系统的周期性黏滑振动使得钻头产生间歇性破岩过程，其强大的瞬时冲击极易造成钻头的损坏。以元坝陆相三开井段的4 000 m典型钻具组合为例（Ø215.9 mmPDC×0.22 m+Ø158.8 mmDC×9.18 m+Ø158.8 mmDC×173.36 m +Ø127 mmHWDP×128.19 m+Ø127 mmDP×1570.64 m+Ø139.7 mmDP），建立扭转振动模型［6-8］，计算出钻柱系统的本征角频率为2.219 5 Hz，扭转自然振动周期为2.830 9 s；不同钻压作用下钻柱系统的黏滑振动频率变化规律如图2，不同钻压和转速作用下钻头的角速度变化规律如图3。

图2　不同钻压和转速时，钻柱系统的黏滑振动频率

图3　不同钻压和转速时，钻头的旋转角速度

从图2可以看出，增大钻压会降低黏滑振动产生的激振频率，即增压越大，黏滑产生的可能性越大；增大转速会增大黏滑振动频率，即转速越高，黏滑发生的间隔时间越短。

从图3可以看出，当转速一定时，增大钻压钻头的旋转角速度波动显著增加，黏滑振动表现增强，但振动间隔时间延长；当钻压一定时，增大转速会显著增加钻头的旋转角速度；对比结果表明，转速增加比增加钻压引起的黏滑振动作用更显著，总体而言发生黏滑振动时钻头的角速度会增大至转盘转速的2倍以上，其冲击作用对钻头的破坏巨大。

黏滑振动分析的结果表明：在钻井实践中，增大转速可避免外激振动频率小于钻柱固有频率，降低钻压则既可减少钻柱弯曲、减小钻柱与井壁摩擦也可降低钻头与地层相互作用的破岩阻力，均有利于降低黏滑振动；但降低钻压虽有利于避免黏滑振动，但不利于提速，为实现钻井提速提效，以高频扭转冲击工具为代表的减振工具得到了试验应用［9-10］。

扭力冲击器是一种将钻井液的流体能量转换成周向的、高频的（750～1 500次/min）、均匀稳定的冲击能量直接传递给PDC钻头［11］。增加该工具后，钻头的扭矩分布更平稳（如图4），黏滑振动现象得到缓解，既提高了机械钻速、又保护钻头提高了行程进尺。

图4　Ø215.9 mm井眼、140 kN钻压、60 rpm转速时，钻头处扭矩对比

采用PDC钻头配合扭力冲击器［12］，2013年先后在YL17、YL28和YL701井推广应用，平均机械钻速达2.48 m/h，比常规牙轮钻井提高2.51倍，比螺杆+PDC复合钻井提高1.71倍，同时将地层适用层段由大安寨段延伸至东岳庙段甚至须家河组。

2.2软硬交互地层降低纵向振动技术

常规钻井中钻压需由钻头上部的钻铤重量提供，但这种刚性加压方式极易造成跳钻、假钻压、钻具弯曲等问题，在钻遇软硬互层段时，由于岩性的变化，使得钻头纵向振动增加，更加剧了憋跳钻等现象，严重危及井下工具的寿命，制约机械钻速的提高。

基于钻柱纵向振动数学微分方程［6，13，14］，以YL28井三开井段4 200 m处钻遇自流井组珍珠冲段含砾岩层的钻具组合为例，采用激励位移法分析钻柱的纵向振动情况。计算参数：Ø215.9 mm三牙轮钻头+430×4A10浮阀×0.61 m+Ø158.8 mm钻铤×191.87 m+4A11×410接头×0.5 m+Ø127 mm加重钻杆×119.05 m+旁通阀×0.45 m+Ø127 mm钻杆×1 570.64 m +411×520接头×0.49 m+Ø139.7 mm钻杆，钻井液黏度0.03 Pa·s，钻头激励位移0.01 m。得到钻头受力波动幅值随转速的变化规律如图5。

图5　YL28井4 200 m处钻头受力波动幅值与转速关系

从图5中可以看出，不采用任何减震措施时，在珍珠冲组高研磨性含砾岩地层钻进时，钻头受力波动幅值较大，三牙轮钻头的轴承寿命难以保证。在YL28井实钻中转速60～65 r/min，采用全新的HJT617GK型牙轮钻头入井，进尺21.77 m、机械钻速仅为0.60 m/h，起出后牙轮磨损严重，旷动严重，牙轮上切削齿全部磨光脱落，保径齿全部磨光，综合新度60%。

为降低钻柱纵向振动的影响，后期通过优选牙轮钻头、改变钻柱结构参数、使用柔性阻尼器等减震工具，自流井组珍珠冲段机械钻速提高到0.85 m/h。

同样，在二开沙溪庙组砂泥岩互层段，推广使用双向减震器和水力加压器，降低钻柱纵向振动危害，图6为模拟YL32井在3 200 m处钻头受力波动幅值及减震工具加装位置的研究结果。配合常规钻井液钻井方式，YL32井在3 220.5～3 483.7 m砂泥岩互层段内采用水力加压器，钻压120～140 kN、转速65 r/min，平均机械钻速1.48 m/h，钻头出井后新度60%、磨损均匀；YL28井在3 406.34～3 432.15 m采用水力加压器、3 432.15 ～3 584.20 m采用减震器，平均机械钻速2.21 m/h。配合气体钻井工艺，采用钻头后接减震器的组合方式，在YL28井实现了单只PDC钻头进尺1 663.52 m、平均机械钻速22.76 m/h、钻头外径磨损1 mm、钻头出井后综合新度大于90%。

图6　YL32井3 200 m处钻头受力波动幅值与转速关系

3　动力钻具优化研究

川东北地区部署的陆相水平井，定向施工段主要在须家河组，增斜段井眼直径311.2 mm、水平段井眼直径215.9 mm，地层压力系数高达1.85。采用常规螺杆钻具时，地层研磨性强钻头失效快，工具面难控制、大井眼定向效率低，煤层、炭质泥岩段井壁稳定性差，但采用油基钻井液时影响螺杆钻具的使用寿命。表2为YLH-1井采用常规螺杆钻具增斜钻进的效果。因此，需要优选合适的动力钻具配合孕镶金刚石钻头，实现高研磨性致密地层大尺寸斜井段的科学提速。

表2　YLH-1井定向增斜段常规螺杆钻具钻井效果

3.1导向涡轮+孕镶金刚石钻井技术

与常规螺杆钻具相比，涡轮钻具转速高、扭矩大、无横向振动的特点，与孕镶金刚石钻头的工作需要相吻合，同时采用全金属部件，消除了橡胶件不耐温、油基钻井液体系中加速老化的问题。Ø168.28 mm Neyrfor1.25°涡轮钻具先后在YLH-1和PL1-2H井应用，效果见表3。YLH-1井平均机械钻速1.73 m/h，较常规螺杆钻具提高1.11倍。PL1-2H井平均机械钻速1.27 m/h，较常规螺杆钻具提高0.98倍。

3.2高速螺杆+孕镶金刚石钻井技术

高速涡轮虽然能提供高转速，但施工泵压高，同时高转速条件下钻头在油基钻井液中冷却效果差，易导致钻头提前失效。为此在PL1-2H井在三开Ø215.9 mm水平井段试验应用0.75°单弯双扶高速螺杆。表4为应用效果对比，可以看出，与涡轮相比机械钻速相对较低；与常规复合钻进相比，机械钻速大幅度提升；同时，起下钻减少，时效提高，对钻井设备的要求低。因此，高速螺杆+孕镶金刚石钻头的复合钻进对于川东北陆相水平井提速提效具有更大的现实意义。

表3　导向涡轮+孕镶金刚石钻井技术应用效果

4　结论

（1）孕镶金刚石钻头可以有效提高自流井组至须家河组的机械钻速。

表4　等壁厚螺杆/高速螺杆+孕镶金刚石钻井技术应用效果

（2）在自流井组东岳庙段以浅的地层，采用扭力冲击器配合PDC钻头，可以降低硬地层的黏滑振动，增加钻头的有效进尺，实现机械钻速的成倍提高。

（3）自流井组珍珠冲段含砾岩层段纵向振动对钻头的冲击磨损严重，可以通过优选牙轮钻头、改变钻柱结构参数、使用柔性阻尼器等减震工具，使机械钻速提高到0.85 m/h以上，同时减少钻头使用数量。

（4）在砂泥岩互层段跳钻比较严重时，可以推广使用双向减震器和水力加压器，降低钻柱纵向振动危害。

（5）在自流井组至须家河组实施大井眼定向钻井时，可以采用高速螺杆+孕镶金刚石钻头的复合钻进实现提速提效。

［1］张金成，张东清，张新军. 元坝地区超深井钻井提速难点与技术对策［J］. 石油钻探技术，2011，39（6）：6-10.

［2］龙刚，刘伟，管志川，等. 元坝地区陆相地层钻井提速配套技术［J］. 天然气工业，2013，33（7）：80-84.

［3］高航献，瞿佳，曾鹏珲. 元坝地区钻井提速探索与实践［J］. 石油钻探技术，2010，38（4）：26-29.

［4］董明键，肖新磊，边培明. 复合钻井技术在元坝地区陆相地层中的应用［J］. 石油钻探技术，2010，38（4）：38-40.

［5］胡大梁，严焱诚，李群生，等. 混合钻头在元坝须家河组高研磨性地层的应用［J］. 钻采工艺，2013，36（6）：8-12.

［6］李子丰，张永贵，侯绪田，等. 钻柱纵向和扭转振动分析［J］. 工程力学，2004，21（6）：203-210.

［7］韩春杰，阎铁. 大位移井钻柱“粘滞-滑动”规律研究［J］.天然气工业，2004，24（11）：58-60.

［8］祝效华，汤历平，孟苹苹，等. PDC钻头粘滑振动机理分析［J］. 石油矿场机械，2012，41（4）：13-16.

［9］孙起昱，张雨生，李少海，等. 钻头扭转冲击器在元坝10井的试验［J］. 石油钻探技术，2010，38（6）：84-87.

［10］周祥林，张金成，张东清. TorkBuster扭力冲击器在元坝地区的试验应用［J］. 钻采工艺，2012，35（2）：15-17.

［11］李玮，何选蓬，闫铁，等. 近钻头扭转冲击器破岩机理及应用［J］. 石油钻采工艺，2014，36（5）： 1-4.

［12］蒲洪江，兰凯，刘明国，等. 元坝101-1H酸性气藏超深水平井优快钻井技术［J］. 石油钻采工艺，2015，37（2）： 12-15.

［13］王文龙，胡群爱，刘化伟，等. 钻柱纵向振动分析与应用［J］. 振动与冲击，2011，30（6）：229-233.

［14］王文龙，李子丰. 不同激振条件下减振器对钻柱纵向振动的影响［J］. 工程力学，2011，28（4）：221-225.

（修改稿收到日期 2015-10-25）

〔编辑 薛改珍〕

Technology for increasing drilling speed in high abrasive hard formation

LAN Kai1，ZHANG Jincheng2，MU Yajun3，CHAO Wenxue1
（1. Drilling Engineering and Technology Research Institute，Zhongyuan Petroleum Engineering Co. Ltd，SINOPEC，Puyang 457001，China；2. Research Institute of Petroleum Engineering，SINOPEC，Beijing 100101，China；3. Southwest Drilling Company Zhongyuan Petroleum Engineering Co. Ltd，SINOPEC，Nanchong 637001，China）

The formation in Ziliujin Group and Xujiahe Group in northeast of Sichuan has compact and highly abrasive rock，can lead to low mechanical drilling speed and high consumption of drill bit，so that it is the key formation which restrict the increase of drilling speed in this area. In order to increase the drilling speed，various new-type downhole tools have been applied，but the effect varies from one to another. Through calculation of rock drillabillity in rock stratum separation section，it is recommended to adopt the impregnated diamond drill bit in the areas from Ziliujin Group to Xujiahe Group，so as to improve the rock-breaking efficiency. In order to reduce the low drilling speed problem caused by failure of drill bit in hard formation and soft-hard alternating formation，the theoretical analysis on torsion and longitudinal vibration of typical drilling tool combination in Three Section has been carried out，so as to advise that，the torsional impacter should be used to help the PDC drill bit to reduce sliding effect in the formation above Dongyuemiao Section，the shock absorbing tool should be used or the drilling tool combination should be changed to reduce the longitudinal vibration in conglomerate-bearing formation in Zhenzhuchong Section，and the double-acting shock absorber or hydraulic thruster should be used to reduce the longitudinal vibration in sand slime formation. The combined drilling technology based on high-speed screw + impregnated diamond drill bit should be used to increase the orientation speed of large wellbore in areas from Ziliujin Group to Xujiahe Group. After the implementation of such technologies in 5 wells，the mechanical drilling speed has been doubled，the new degree of drill bit has been improved by 30%，and the orientation speed of Ø311.2 mm wellbore in Xujiahe Group has been increased by 1.32 times.

high abrasive formation； torsional vibration； longitudinal vibration； impregnated diamond drill bit； torsional impacter；hydraulic thruster； dynamical drilling tools

TE21

A

1000-7393（ 2015 ） 06-0018-05 doi:10.13639/j.odpt.2015.06.005

国家科技重大专项“高含硫气藏超深水平井钻完井技术”（编号：2011ZX05017-002）的部分内容。

兰凯，1982年生。2008年获中国地质大学（武汉）博士学位，2011年从西南石油大学博士后流动站出站，主要从事复杂结构井钻完井技术研究，博士，高级工程师。E-mail：lank.oszy@sinopec.com。