塔里木山前井涡轮配合孕镶金刚石钻头钻井提速技术

王树超王维韬雨松.渤海钻探工程有限公司塔里木钻井分公司；.重庆科技学院石油与天然气工程学院

塔里木山前井涡轮配合孕镶金刚石钻头钻井提速技术

王树超1王维韬2雨松1
1.渤海钻探工程有限公司塔里木钻井分公司；2.重庆科技学院石油与天然气工程学院

塔里木盆地山前井是塔里木油田油气勘探开发的重要区域之一。针对山前井地层研磨性强、可钻性级值高，单只钻头进尺低，钻头消耗量大，机械钻速低，钻井成本高等问题，引进涡轮配合孕镶金刚石钻头钻井技术。2口山前井钻进实验数据表明：博孜102井配套工具进尺704 m，纯钻时间407.5 h，平均机械钻速1.73 m/h；克深2-1-14井配套工具进尺146.8 m，纯钻71.75 h，平均机械钻速2.05 m/h。两组配套工具与邻井同层PDC钻头、牙轮钻头对比，钻井速度提高了2～4倍，单只钻头平均进尺提高了3～10倍，平均纯钻时间提高了1.7～2.5倍。工具实验结果表明，涡轮配合孕镶金刚钻头钻井技术在塔里木山前井具有较好的提速效果，可为塔里木山前井钻井提速提供技术支持。

塔里木山前构造；深井提速；涡轮钻具；孕镶金刚石钻头；破岩工具

深井、超深井钻探过程中，钻井提速技术是安全、快速钻井的基本保障之一。钻井速度的快慢直接影响着钻井成本，决定着钻井工程的经济效益［1-3］。塔里木油田是我国当前增产上储的主要含油盆地之一。山前博孜和克深区块是塔里木油田油气勘探开发的重要区域之一。山前井常规钻进表明，该地层研磨性强、可钻性差，单只钻头进尺低，机械钻速低，钻井成本高。

当前深井、超深井提速技术主要有欠平衡钻井、脉冲射流钻井、超高压水射流及扭转冲击钻井技术等［4-6］。大量钻井实验表明［7-8］，涡轮配孕镶金刚石钻头钻具组合具有较高的耐研磨能力，工作时间长，动力输出功率大，工作平稳，井眼轨迹平滑。涡轮配合孕镶金刚石钻头钻具组合能够满足塔里木油田山前井强研磨性地层的提速要求。

1 涡轮钻具概况Introduction of the turbodrill

涡轮钻具能将钻井液的高压液能转化为钻头高效破岩的机械能。其组成部分有动力端、轴承端、辅助装置。动力端是通过高能钻井液冲击多组叶片，进而提供周向旋转的破岩动力。轴承端由传动轴和多组止推轴承构成，主要功能是促进扭矩稳定传递，保护动力端和钻头。辅助装置包括LC2和多次旁通阀等机构。LC2安装在近钻头端扶正块位置，主要功能是防止卡钻，一旦钻头卡死，可以制动涡轮。多次旁通阀在井漏的情况下，可以实现钻具多次开关，进行大颗粒堵漏后，恢复正常涡轮钻进。

涡轮钻具主要技术特点：（1）涡轮钻具动力潜能高，可靠性好，全金属结构，工作性能稳定；（2）转速800～2 000 r/min，适用孕镶金刚石钻头；（3）轴向平衡完美，侧向振动小，保护钻头等井下工具；（4）井眼轨迹平滑，保护井壁完整，有利于后期作业。

2 涡轮配合孕镶金刚石钻头组合Combination of turbodrill and impregnated diamond bit

涡轮钻具轴承端的PDC止推轴承（如图1）具有较高的耐研磨能力，可在超高温（233 ℃）下作业，并能够承受较大的轴向载荷。PDC材质具有较小的摩擦因数，不受钻井液中存在的化学物质影响。轴承的高承载能力和低摩擦因数可使其高效、长寿命运转。

孕镶金刚石钻头（如图2）为金刚石材料钻头中的一种。钻头胎体里均匀包镶着金刚石颗粒。钻进时胎体磨损，金刚石颗粒能不断出露自锐，高效切削工作面岩石。胎体有一定高度，外径略大于钻头体外径、内径略小于钻头体内径，胎体的外侧面、内侧面和底面均有水槽，使钻井液及时清洗破碎岩屑和冷却钻头。

图1　PDC止推轴承结构示意图Fig.1 Structure of PDC thrust bearing

图2　孕镶金刚石钻头Fig.2 Impregnated diamond bit

涡轮钻具配有长保径的母扣孕镶金刚石钻头（如图3）。这能减少钻头的横向运动，获得高质量的井眼，降低出现螺旋形井眼的风险。

图3　带有长保径的母扣钻头Fig.3 Box bit with prolonged gauge structure

3 山前井地层性质及技术措施Formation properties of wells in piedmont zone and applicable techniques

3.1博孜102井

Well Bozi-102

博孜102井新近系康村组（3 755～5 330 m）分3个岩性段。上段岩性以灰质粉砂岩、含砾细砂岩、含砾粉砂岩砂砾岩为主；中段岩性以中厚-巨厚层状小砾岩、砂砾岩、泥质小砾岩为主；下段岩性以灰质粉砂岩、砂砾岩、不等厚互层为主。

该井涡轮配合孕镶金刚石钻头应用井段4 591～4 974.19 m，4 974.19～5 294 m。

钻具组合结构：Ø333.38 mm孕镶金刚石钻头+ Ø241.3 mm涡轮钻具+Ø228.6 mm钻铤×3根+ Ø203.2 mm钻铤×8根+震击器+Ø203.2 mm钻铤×3根+Ø139.7 mm 加重钻杆×6根+Ø139.7 mm钻杆。

机械参数：钻压40～120 kN，排量35～41 L/s，立压26～32 MPa，转盘转速45～80 r/min。

钻井液性能：密度1.64～1.80 g/cm3，塑粘45～50 mPa·s，屈服值14 Pa，初/终切5/17 Pa。

3.2克深2-1-14井

Well Keshen-2-1-14

克深2-1-14井白垩系巴什基奇克组（6 776～7016 m）为3个岩性段。上段岩性以褐色、棕褐色中厚层-巨厚层状砂岩为主。中段岩性以棕褐色厚-巨厚层状砂岩夹薄层-中厚层泥岩、粉砂质泥岩。下段岩性以棕红、浅棕色厚-巨厚层细砂岩、中砂岩为主夹薄-中厚层状泥岩。

该井涡轮配合孕镶金刚石钻头应用井段6 784 ～6 858.27 m，6 876～6 947.54 m。

钻具组合结构：Ø215.9 mm孕镶金刚石钻头+Ø168.3 mm138级涡轮钻具+Ø158.75 mm钻铤×12根+震击器+Ø158.75 mm钻铤×6根+Ø127 mm非标钻杆。

机械参数：钻压50～70 kN，排量26～27 L/s，立压30～30.5 MPa，转盘转速45～55 r/min，扭矩8～9 kN·m。

钻井液性能：密度1.88～1.89 g/cm3，黏度64～67 s。

3.3工具操作技术要点

Key technical points for operation of relevant tools

钻具组合在应用过程需要进行井口测试、起下钻/划眼、钻进等3个步骤。

在井口以小排量进行空运转试验，检查涡轮钻具是否容易启动及螺纹处有无渗漏。记录立管压力和排量，地面测试时最大压力不能超过7 MPa。下钻时，严格控制下钻速度，操作平稳，严禁猛刹、猛放。下钻遇阻不允许超过30 kN，尽量避免用钻头划眼。

正常钻进时钻压控制40～10 kN，转盘转速50 r/ min。均匀送钻，严防溜钻、顿钻，通过扭矩、立管压力等变化情况，准确判断涡轮工作状态。钻进中若钻头憋停，应停顶驱，再上提钻具，然后启动转盘，缓慢下放钻具恢复钻进，绝对不允许中间停泵。

4 山前井现场实验结果分析Field test results of wells in piedmont zone

4.1博孜102井

Well Bozi-102

在应用井段中使用了2只Ø333.38mm孕镶金刚石钻头，与邻井博孜101井相应井段使用的2只PDC钻头的实钻数据对比，见表1。

表1　实钻数据对比Table 1 Comparison of actual drilling data

由表1数据可知：单只孕镶钻头平均进尺是PDC钻头的2.86倍，是牙轮钻头的4.84倍。单只孕镶钻头平均纯钻时间是PDC的2.09倍，是牙轮钻头的2.17倍。单只孕镶钻头的平均机械钻速是PDC钻头的1.41倍，是牙轮钻头的2.22倍。

4.2克深2-1-14井

Well Keshen-2-1-14

在应用井段使用了1只Ø215.9 mm孕镶金刚石钻头，与邻井克深205井相应井段的PDC钻头实钻数据对比，具体如表2。

表2　孕镶钻头与本井PDC钻头、邻井钻头技术指标对比Table 2 Comparisons for specifications of impregnated bit and PDC bit in the well and bits used in neighboring wells

由表2数据可知：单只孕镶钻头平均进尺是PDC钻头平均进尺的6～10倍。单只孕镶钻头平均纯钻时间是PDC钻头平均纯钻时间的1.7～2.5倍。孕镶钻头的平均机械钻速是PDC钻头平均机械钻速的近4倍以上。

4.3应用效果分析

Application results

涡轮配合孕镶金刚钻头钻井技术最大优势在于工具工作时间长，纯钻时效高，能够提高单只钻头寿命及进尺，减少起下钻时间。

工具自带2～3个稳定器，有利于提高钻具的稳定性，保护钻具及井下工具，可提供良好的井眼条件，有利于提高固井和完井质量。

由于机械钻速的提高，缩短了钻井周期，减少了钻井液对储层的浸泡时间，有利于井壁稳定，及保护和发现油气层。

5 结论及建议Conclusions and suggestions

涡轮配合孕镶金刚石钻头技术是高研磨性地层提高钻井速度的有效技术，是提速降本的有效手段，有利于加快油气田勘探开发的进程。

建议在高研磨地层推广使用涡轮配合孕镶金刚石钻头钻井技术。涡轮钻具正常工作时压耗大，要求在稳定的立压28～32 MPa下工作，建议在应用涡轮配合孕镶金刚石钻头钻井技术前，对钻机设备及高压管汇系统进行认真评估。

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（修改稿收到日期 2016-02-11）

〔编辑 薛改珍〕

Combination of turbodrill and impregnated diamond bit to enhance ROP in drilling of wells in piedmont zone， Tarim Basin
WANG Shuchao1， WANG Weitao2， YU Song1

1. Tarim Drilling Branch Company of CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited， Korla， Xinjiang 841000， China；
2. College of Petroleum and Natural Gas Engineering， Chongqing University of Science and Technology， Chongqing 400030， China

Piedmont zone in the Tarim Basin is one of key zones for hydrocarbon exploration and development in the Tarim Oilfield. With consideration to high abrasiveness and high drillability of the piedmont zone， low footage per bit， significant bit consumption，low ROP， high drilling costs and other challenges， the combination of turbodrill and impregnated diamond bit was introduced. It was used in 2 wells （well Bozi-102 and well Keshen-2-1-14） drilled in the piedmont zone. According to the drilling data， in Well Bozi-102，the combined assembly achieved a total footage of 704 m， with drilling time of 407.5 h and average ROP of 1.73 m/h， and in Well Keshen-2-1-14， the combined assembly achieved a total footage of 146.8 m， with drilling time of 71.75 h and average ROP of 2.05 m/h. Compared with PDC bits and roller bits deployed in identical formation in neighboring wells， the proposed assembly can enhance ROP by 2-4 times， average footage per bit by 3-10 times， and average drilling time by 1.7-2.5 times. Relevant test results show that the combination of turbodrill and impregnated diamond bit can effectively enhance ROP in drilling of wells in piedmont zone， the Tarim Basin， as a powerful technical support.

piedmont structure of Tarim； ROP enhancement in deep well； turbodrill； impregnated diamond bit； rock-breaking tool

WANG Shuchao， WANG Weitao， YU Song. Combination of turbodrill and impregnated diamond bit to enhance ROP in drilling of wells in piedmont zone， Tarim Basin［J］.Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（2）： 156-159.

TE21

A

1000 -7393（ 2016 ） 02 -0156-04

10.13639/j.odpt.2016.02.005

王树超 （1962-）， 1981年毕业于华北石油学校钻井专业，现从事科研管理和新技术推广应用工作，工程师。通讯地址：（841000）新疆库尔勒市塔里木石油勘探开发指挥部第四勘探公司。电话：0996-2173724。E-mail：wangshuchao1@cnpc.com.cn

引用格式：王树超，王维韬，雨松. 塔里木山前井涡轮配合孕镶金刚石钻头钻井提速技术［J］.石油钻采工艺，2016，38（2）：156-159.