玉门青西地区钻井综合提速技术研究与应用

王建龙，柳 鹤，刘学松，孙四维

（中国石油集团渤海钻探工程技术研究院，天津 300450）

玉门油田青西地区地层沉积时间老，上部逆掩推覆带来的志留系、白垩系地层，具有倾角大、硬度高、研磨性强等特点，常规的钻井技术暴露出井斜控制困难、憋跳钻、钻头黏滑振动等难题，导致机械钻速慢，掉牙轮、断钻具等井下事故复杂率高。逆掩推覆老地层的机械钻速低，常规的钻井技术提速空间非常有限，这也是青西地区钻井成本居高不下的主要原因。因此，非常有必要针对该区块的技术难题，优选匹配的钻井提速工具，提高机械钻速，降低井下事故复杂率[1-4]。

1 青西地区钻井技术难点

1.1 井斜控制困难

逆掩推覆体带来山前高陡构造，地层倾角35°以上，部分达到70°～90°，地层自然增斜能力强，防斜打快问题非常突出。常规的钟摆钻具吊打机械钻速低，平均机械钻速仅1.95 m/h；前期开展了垂直钻井系统试验，防斜打快效果好，但是成本居高不下，推广难度较高。

1.2 憋跳钻严重，钻头先期破坏

古近系牛胳套-胳塘沟普遍含砾，砾石含量高，砾径大，PDC钻头很难适应。牙轮钻头单只钻头进尺段，机械钻速低，憋跳钻和钻具损坏问题严重。柳A、青A等井实钻结果显示，单只牙轮钻头平均进尺240 m，机械钻速3 m/h。

1.3 强研磨性地层钻头黏滑震动严重，机械钻速低

深部白垩系地层岩石硬度高、研磨性强，可钻性差，可钻性极值7～9级，中沟组以7级为主，下沟组8～9级。白垩系地层“螺杆钻具+PDC钻头”钻进过程中黏滑震动明显，导致钻头磨损严重，机械钻速低。统计2015-2016年完钻的4 500 m以上的深井中，平均段长1 450 m钻头14只，机械钻速1.32 m/h。

1.4 定向井滑动钻进托压严重，滑动效率低

统计2014-2015年玉门油田青西地区完钻的定向井，当井斜角超过30°以后，会出现不同程度的滑动钻进托压问题，滑动钻进平均机械钻速仅1.26 m/h，行程钻速0.96 m/h。随着井斜角的增大，裸眼段长的延伸，托压现象愈加严重。

2 青西地区钻井综合提速方案模板

2.1 液动冲击器“防斜打直”技术

液动冲击器适用于逆掩推覆提带来的志留系、白垩系地层，防斜打直和提高硬地层的破岩效率。该工具由分流盘、射流元件、活塞杆、活塞冲锤和砧子组成（见图1），依靠高压钻井液推动内部活塞冲锤上下运动，撞击钻头，产生10 kN～20 kN轴向冲击力，钻头在冲击动载和静载回转的作用下破碎岩石，大幅度提高了破岩效率。在高陡构造地层中，液动冲击器自身可以施加10 kN～20 kN的钻压，可以减少依靠底部钻具施加钻压导致的钻柱弯曲，因此有轻压掉打防止井斜的功效。

窿A井，志留系地层岩性为逆掩推覆体的粉砂岩和白云岩，常规钻井机械钻速1.87 m/h，钻头磨损严重（见图2（a））。使用液动冲击器技术后，控制钻压30 kN～60 kN，转速55 r/min，252 m～466 m机械钻速达到了2.69 m/h，机械钻速提高44%，井斜角控制在3°以内，钻头轻微磨损（见图 2（b））。

图1 液动冲击器结构示意图

图2 使用液动冲击器前后钻头磨损情况对比图

图3 减震推力器结构示意图

2.2 减震推力器“吸震防跳钻”技术

减震推力器适用于青西地区古近系牛胳套-胳塘沟高含砾地层，吸震防跳钻，保护钻头，提高钻头的进尺和机械钻速。该工具为多级活塞机构，一般1～3级，主要由上接头、推力机构、花键芯轴和压力显示机构组成，扭矩由花键提供，上部与钻铤相连接，下部与螺杆钻具或钻头连接，推力机构由活塞及密封系统、活塞杆、缸体组成（见图3）。该工具利用螺杆钻具或钻头的压力降，给钻头施加柔性钻压的工具，能够起到吸收井底钻具的震动能量，降低钻头和钻具疲劳程度，保护钻头，均匀送钻，提高钻进机械效率。

青B井是一口三开定向井，设计井深4 479.85 m，最大井斜角21.43°。二开Φ241.3 mm井眼中钻遇大量的砾石层，钻进过程中跳钻现象严重（见图4（a）），钻头寿命低，钻具损坏率高。自1 002 m开始使用Φ203 mm减震推力器技术，钻压稳定在100 kN，钻头振动明显减小（见图4（b）），两趟钻配合两只钻头进尺1 207 m，机械钻速较邻井柳12井同地层分别提高67.0%、90.69%。

2.3 扭力冲击器+专用PDC钻头“防黏滑”技术

扭力冲击器适合于深部白垩系硬地层，有效解决了钻头的黏滑震动问题，提高深部硬地层的机械钻速。该工具由锤外壳、转向器、液动锤等部件组成（见图5）。通过工具内部独特的流道结构，将钻井液的流体能量转换成周向的、高频的、均匀稳定的周向机械冲击力（约2 kN/m），并直接传递给PDC钻头，可有效降低黏滞滑脱效应，加大剪切冲击力，提高PDC钻头寿命和钻速。

图5 扭力冲击器结构示意图

扭力冲击器对钻头的结构参数要求较高，东北石油大学李思琪等研究表明：PDC钻头质量越小、截面积越大、长度越短，扭力冲击器的冲击能量利用率越高。因此，结合玉门油田青西地区白垩系地层的特点，以及PDC钻头参数对能量的利用率的影响，个性化设计了一种扭力冲击器专用PDC钻头（见图6）。该钻头为钢体钻头，深水槽，保证复合片快速冷却；五刀翼，13 mm复合片，双排布置，增加耐磨性；钻头夹持部分缩短为25 mm，缩短钻头长度，减少钻头质量，提高冲击能量利用率。

图4 青B井使用工具前后跳钻情况对比图

图6 玉门青西地区扭力冲击器专用PDC钻头示意图

窿B井，是一口直井，设计井深4 900 m。该井钻进白垩系下沟组-赤金堡组时，钻头黏滑震动现象严重，机械钻速仅为0.75 m/h，钻头磨损严重。自4 500 m开始使用扭力冲击器+专用PDC钻头技术。该技术两趟钻进尺100 m，机械钻速达到1.05 m/h，相比入井之前，机械钻速提高40.0%。

图7 水力振荡器结构示意图

2.4 水力振荡器“缓托压”技术

水力振荡器技术是目前缓解定向托压最有效的方法之一，适用于青西地区井斜角超过30°的定向井，解决定向托压问题。该工具由脉冲短节和振荡短节组成，其中脉冲短节由螺杆电动机、阀组组成，振荡短节由心轴、碟簧、活塞组组成（见图7）。钻井液通过脉冲短节时，螺杆电动机带动盘组产生压力脉冲，驱动振荡短节活塞和碟簧组结构，使振荡短节产生轴向振动，降低了滑动钻进的摩阻，提高了定向效率。

青C井是一口定向井，设计井深5 288 m，最大井斜角30.74°。三开钻进至3 900 m，定向托压150 kN以上，滑动钻进平均行程钻速0.49 m/h，定向极其困难。自3986m开始使用水力振荡器技术，两趟钻进尺242 m，滑动钻进平均行程钻速达到1.1 m/h，提高124.5%，节约钻井周期63.8 h。

3 结论

玉门油田青西地区地层老、岩石可钻性差，常规技术提速非常有限，单种提速工具不能完全解决该区块的钻井提速问题，需要全井筒利用钻井综合提速技术。通过先导性试验，总结形成了该区块的钻井综合提速方案模板，即防斜打直利用液动冲击器技术，砾岩层防跳钻利用减震推力器技术，深部硬地层防黏滑利用扭力冲击器+专用PDC钻头技术，定向防托压利用水力振荡器技术。

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