涡轮钻井工具在玉北区块二叠系火成岩中的应用及分析

王　琪

（中石化胜利工程有限公司塔里木分公司，新疆库尔勒841000）

涡轮钻井工具在玉北区块二叠系火成岩中的应用及分析

王琪*

（中石化胜利工程有限公司塔里木分公司，新疆库尔勒841000）

玉北区块位于新疆和田，二叠系岩性以火成岩为主，地层非常坚硬而且可钻性差；施工中普遍存在着掉块问题，严重时极易发生掉块卡钻或井壁坍塌等恶性钻井事故，严重影响施工速度。由胜利工程有限公司塔里木分公司70116队施工的玉北4井在二叠系火成岩地层中进行了涡轮钻具的试验，取得了较为满意的效果。介绍了玉北区块涡轮钻具试验的情况，并对试验效果进行了分析。

二叠系；涡轮；玉北；火成岩

1　玉北4井基本情况

1.1玉北4井施工情况

玉北4井于2011年1月18日开钻，一开用∅444.5mm钻头钻进至1001m，∅339.7mm表层套管下深1000.31m；二开用∅311.2mm钻头钻进至3817.53m，∅244.5mm技术套管下深3810.88m；三开用∅215.9mm钻头钻进至5830.52m，∅177.8mm尾管下深3593.77～ 5821.62m；四开用∅149.2mm钻头钻进至6124.65m。于2012年2月3日完钻，井深6124.65m，钻井周期380.79d。

1.2玉北4井二叠系地层情况（如表1所示）

2　玉北4井所使用的涡轮钻井工具简介

2.1涡轮厂家（法国Neyrfor）

2.2涡轮工作原理（如图1所示）

表1　玉北4井二叠系实钻地层简表

2.3涡轮结构（如图2所示）

2.4涡轮尺寸（如图3所示）

3　玉北4井涡轮工具使用情况

玉北4井二叠系使用涡轮钻进情况如表2所示。

3.1第一趟涡轮使用情况

3.1.1钻具组合

8-1/2″Reed E1158钻头+双母+∅213mm扶正器+轴承+∅213mm扶正器+涡轮+∅209mm扶正器+浮阀+6-1/4″钻铤×10+6-1/4″随钻震击器+挠性短节+ 6-1/4″钻铤×2+4A11×410+5″加重×6+5″钻杆+411×520+5-1/2″钻杆。

图1　涡轮工作原理

图2　涡轮结构

3.1.2泥浆性能

密度1.40g/cm3；粘度53s。

3.1.3钻进情况

涡轮第一趟使用情况与牙轮钻头钻进情况对比如表3所示。

3.1.4原因分析

经过对出井钻头分析讨论，初步确定造成本趟涡轮钻进机械钻速较低的原因是钻头选型不合适。起出钻头的PDC齿普遍没有暴露出来，优先磨损的是副排孕镶齿，说明钻头在井底工作时，PDC切削齿根本没有吃进地层，钻头此时相当于纯孕镶钻头，此时钻进方式不是靠PDC齿的切削，而是靠孕镶齿的研磨。因此无论怎样调整钻进参数，实际的机械钻速都达不到预期。

3.2第二趟涡轮使用情况

3.2.1钻具组合

8-1/2″GP1646D钻头+双母+∅213mm扶正器+轴承+∅213mm扶正器+涡轮+∅209mm扶正器+浮阀+6-1/4″钻铤×10+6-1/4″随钻震击器+挠性短节+ 6-1/4″钻铤×2+4A11×410+5″加重×6+5″钻杆+411× 520+5-1/2″钻杆。

3.2.2泥浆性能

密度1.40g/cm3，粘度53s。

3.2.3经过

①5月14日14：45～16：00组装涡轮，地面测试正常。

②5月15日2：00判断已经接触井底，试钻0.5m，参数：钻压1～2t，转盘钻速50r/min，排量25L/s，泵压21MPa。钻压加到3～4t时，涡轮制动，泵压升高到21.5MPa，上提钻具，恢复正常，下放到底继续加压1～2t钻进，反复4～5次制动，米钻时约10～15min。

③钻进至3887.5m时泵压逐渐升高到24MPa，降泵冲到62冲（20L/s），此时泵压21MPa。检查钻杆滤子，无杂物及岩屑。

表2　玉北4井涡轮钻井工具使用情况统计

表3　玉北4井牙轮、涡轮（配合PDC）钻进对比

④换2#泵维持70冲，泵压21MPa，转盘钻速50r/min，4t试钻进。此时涡轮处于制动状态，钻头转速等于转盘转速，钻时很慢。

⑤15日10：45起钻完，发现涡轮轴承段及钻头脱落。

落鱼结构：钻头长度0.36m+涡轮轴承长度5.01m，总长5.37m。

打捞钻具组合：对扣接头+5″加重钻杆×9+411× 4A11+6-1/4″随钻震击器+4A11×410+5″钻杆。

打捞过程：5月15日19：30下钻完探鱼头开始循环冲洗鱼头，至20：30对扣，泵冲40冲，泵压3.5MPa，后慢慢转动转盘下放，泵压3.5MPa升至5MPa，下压2t，开始转动转盘紧扣，现场判断捞获成功后起钻。

3.2.4原因分析

①工具原因：两部分连接在一起，外部是丝扣特殊梯形扣，紧扣扭矩28000lb.ft，大钳拉力7000lbs，内部为花键及锥面联接，理论来讲，当外部丝扣联接到位时，内部2个公母锥面应该紧压在一起，能够正常的传递扭矩。如果装配不合理，可能内部2个锥面压紧时，外部丝扣就是按规定扭矩紧完扣，2个台肩面可能未压紧。

②井下原因：这趟下的是大齿PDC钻头，牙齿直径16mm，地层可钻性好，PDC齿很容易吃进地层，钻压稍大，地层就会对钻头产生很大的反扭矩，这个反扭矩如果超过涡轮的输出扭矩，钻头就会制动，而钻头制动后，未能解锁，由涡轮高转速转动带动钻头及钻具转动，使钻具在薄弱点处被倒开。

3.3第三趟涡轮使用情况

3.3.1钻具组合

8-1/2″E1158A2钻头+双母+∅213mm扶正器+轴承+∅213mm扶正器+涡轮+411×4A10+∅209mm扶正器+回压凡尔+6-1/4″钻铤×1+测斜短节+6-1/4″钻铤×9+6-1/4″随钻震击器+挠性短节+6-1/4″钻铤×2+ 4A11×410+5″加重×6+5″钻杆×200+411×520+5-1/2″钻杆。

钻进参数：钻压5～9t，转盘50r/min，排量28L/s，泵压25MPa。

泥浆性能：1.35～1.45g/cm3，50～60s。

本趟涡轮钻进情况与螺杆钻进情况对比如表4所示。

3.3.2起钻原因

6月5日2：45钻进至4533m，扭矩上涨，开始有严重的憋转盘现象，泵压较高（排量24L/s，泵压25MPa），返砂量较少，活动钻具，上提下放有严重的阻卡现象。初步判断是由于排量较小，引起返砂异常，扶正器尺寸较大（2个均为∅214mm），扶正器之间岩屑堆积较多造成的。循环至5：30，继续钻进至7：30又出现上述现象。10：30开始打入高粘泥浆60m3，12：40返出岩屑量不太明显，14：00短起5根钻杆（起钻正常）开泵，排量26L/s，泵压24MPa，判断涡轮钻具出现问题，16：00开始起钻。6月6日6：30起钻完，检查钻头，切削部位磨损较严重。卸掉钻头开始测试涡轮，泵压7MPa时，排量15.5L/s（1#泵泵冲48冲），与刚入井时测试相比，相同泵压7MPa，排量降低。涡轮轴承间隙变大。判断涡轮出现问题。

表4　玉北4井进口复合型PDC+涡轮与PDC+螺杆钻速对比

3.4第四趟涡轮使用情况

3.4.1钻具组合

8-1/2″K507钻头+∅213mm扶正器+轴承+∅213mm扶正器+涡轮+回压凡尔+411×4A10+6-1/4″钻铤×10+ 6-1/4″随钻震击器+挠性短节+6-1/4″钻铤×2+4A11× 410+5″加重×9+5″钻杆×200+411×520+5-1/2″钻杆× 165+521×410+5″钻杆。

3.4.2泥浆性能

密度1.45g/cm3，粘度60s。

3.4.3钻井参数

钻压6～8t；转速40+涡轮；排量26L/s；泵压24.5MPa。

3.4.4钻进情况

纯钻时间：107h；

钻进井段：4578.19～4876.01m；

进尺：297.82m；

平均机械钻速：2.78m/h；

所钻地层：库普库兹满组（未穿）。

3.5第五趟涡轮使用情况

3.5.1钻具组合

8-1/2″K507+∅213mm扶正器+轴承（∅168.3mm）+ ∅213mm扶正器+涡轮（∅168.3mm）+回压凡尔+411× 4A10+6-1/4″钻铤×10+4A11×410+411×4A11+6-1/4″随钻震击器+6-1/4″钻铤×2+4A11×410+5″加重×9+5″钻杆×200+411×520+5-1/2″钻杆×165+5″钻杆。

3.5.2泥浆性能

密度1.45g/cm3，粘度60s。

3.5.3钻井参数

钻压6～8t；转速40+涡轮；排量26L/s；泵压24.5MPa。

3.5.4钻进情况

纯钻时间：26.2h；

钻进井段：4899.12～4934.11m；

进尺：34.99m；

平均机械钻速：1.70m/h；

所钻地层：库普库兹满组（未穿）。

3.6卡钻情况简述

3.6.1事故经过

钻进至4934.11m时发生坍塌卡钻，经过泡解卡剂、震击、套铣、回填侧钻，2011年8月6日10时00分事故解除。

3.6.2原因分析

本井实钻P2kp、P1kk岩性组合特征与邻井差别较大，本井P2kp中下部为泥质岩与玄武岩略等厚互层，火山岩较薄、互层频繁，底部见2m厚变质岩。P1kk上部4808～4858m井段为一套棕褐、深灰、灰色泥质岩，含灰质，局部高岭土化；中部4858～4892m井段为一层厚34m火山岩（现场暂定岩性为辉绿岩，岩性硬、脆，易剥落垮塌）；下部4892～4933m井段为一套褐灰、灰色泥岩、灰质泥岩。

（1）此次卡钻为井壁突然坍塌导致，坍塌前没有征兆。卡钻后环空曾被堵塞，无法开泵，多次开泵才顶通，但仍有较硬的掉块卡在钻具与井壁中间。

（2）现场分析可能是4858～4892m井段火山岩垮塌，造成卡钻。卡钻发生后返回掉块岩性分析，与此段火山岩一致。

（3）库组的火成岩是本井新钻到的地层，玉北地区已钻井未曾钻遇，其地质特性与开普兹雷克组火成岩可能存在差异，其合理的泥浆密度、坍塌周期有待认识。从牙轮钻头随钻打捞杯中捞出掉块看，其最大尺寸为60mm×40mm×10mm。

（4）钻具结构不是导致卡钻的主要原因，邻井使用不同的钻具，也因火成岩井壁坍塌发生卡钻。

（5）涡轮钻具的工作原理及结构特征使事故处理空间变小。

①涡轮本体尺寸为6-5/8″，在8-1/2″井眼内套铣难度较大；

（②由于涡轮工作所需要的压耗较高，现有设备条件下无法开大排量，增强对井底掉块的携带；

③涡轮扶正器位置最可能导致掉块堆积，大尺寸掉块在此处可能卡死钻具。

4　玉北4井与邻井二叠系钻进情况对比

玉北4井与临井二叠系火成岩钻进情况对比如表5所示。

表5　玉北4井与临井二叠系火成岩钻进情况对比

5　结论与认识

（1）玉北4井使用涡轮钻进火成岩平均钻速2.50m/ h，玉北1-5井和玉东4井没有使用涡轮，火成岩平均钻速1.16m/h和1.19m/h。由此看出，使用涡轮钻具钻进火成岩的速度还是比常规钻具和螺杆要快1倍左右。

（2）从玉北4井涡轮卡钻的经验可以得出，只要在钻穿火成岩后立即起钻更换常规钻具钻进，即可避免火成岩掉块卡钻的危险。

（3）合理的选择钻头类型（孕镶或PDC）可进一步提高涡轮钻具的工作效率。

（4）玉北地区二叠系火成岩的坍塌压力和坍塌周期有待进一步认识，以便确定合理的泥浆密度，为今后钻井施工提供安全保障。

［1］曹立明，常晓峰，孟祥卿.涡轮钻具及孕镶钻头在元坝124井的应用［J］.中国石油和化工标准与质量，2011（10）：199-200，196.

［2］申军武，张平，罗永刚，杨磊.玉北区块快速钻井技术探讨［J］.西部探矿工程，2013（2）：88-92.

［3］邓炜，赵斌.提高西北油田玉北区块钻井速度研究［J］.科技创新，2011（14）：44-45.

TE242

B

1004-5716（2016）04-0067-05

2015-03-24

2015-03-24

王琪（1982-），男（汉族），山东广饶人，工程师，现从事钻井技术工作。