深部难钻地层提速工具现状及发展趋势

李相勇，王春华，杨决算，李玉海，万发明，纪 博，李 博

(大庆钻探钻井工程技术研究院，黑龙江大庆163413)

深部难钻地层岩石具有硬度大、可钻性级值高等特性，造成机械钻速低，起下钻频繁，为了缩短钻井周期，达到降本增效的目的，本文在分析该地层钻井提速技术难点的基础上，考虑到砾岩和火山岩的岩石特性，在钻井提速工具研制等方面进行了研究，开展大量现场应用，提速效果显著，缩短了钻井周期。

1 深部难钻地层提速技术难点分析

1.1 深部难钻地层岩石坚硬，钻头磨损严重

深部难钻地层岩石可钻性级值大、研磨性强、硬度高，其中泉头组为棕红、暗紫色泥岩与紫灰、灰绿砂泥岩；登娄库组为灰色、灰绿色砂泥岩互层，夹杂色泥岩；营城组为安山岩、角砾岩、凝灰岩、流纹岩、砾岩；沙河子组为灰白色砂岩、泥岩夹凝灰岩。硬度2000～5000MPa，可钻性级值8～10.38级，营城组可钻性级值大于10级，沙河子组可钻性8～9级，钻头磨损较为严重，存在砂泥岩互层、砾石层、区域横向差异大等特性。

1.2 钻头适应性差，无法满足深部难钻地层提速要求

由于深部难钻地层岩性特性，要求钻头必须具有良好的耐磨性及抗冲击能力，所以钻头的选择和使用受到很大限制，常规PDC钻头还不适合该层位钻进，通常使用牙轮钻头钻进，国内外牙轮钻头也多出现钻头断齿、掉齿、缩径、磨尖等现象。

2 深部难钻地层钻井提速技术研究

2.1 常规提速技术分析

深部坚硬地层单只钻头进尺少，严重影响了勘探开发进度，使用螺杆配合PDC钻头复合钻进提速，目前还只在泉头组以上地层应用，登娄库组以下地层没有开展，而且由于深井温度较高，使得螺杆寿命降低，使用效果不理想。采用气体钻井技术钻进可较大提高机械钻速，但由于地层出水预测技术还不准确，出水后易引起钻头泥包、卡钻的事故，并且气液转换后井壁不稳定，此外气体钻井设备复杂，成本相对较高。

深部地层多采用牙轮钻头钻进，但牙轮钻头寿命较低多为60～80h，且存在轴承失效、断齿、掉齿、掉牙轮等风险，深部坚硬地层600m的井段一般需要8～12只牙轮钻头，平均单只进尺50m，机械钻速1.2m/h左右，个别井段单只进尺不足15m，机械钻速0.6～0.8m/h。单只钻头进尺少，需要多次起下钻作业，严重影响了深部地层勘探开发进度。

2.2 冲击辅助破岩技术

2.2.1 周向冲击辅助破岩工具

周向冲击辅助破岩工具通过钻井液驱动动力机构，带动冲击机构对锤头做功，在传统钻井方式的基础上，在钻头周向上产生均匀稳定的高频冲击力，在轴向上产生高频水力加压脉冲，使钻头和井底始终保持连续的高频切削，减少扭矩波动，提高钻头切削效率。钻头随钻柱旋转钻进过程中，在钻压、旋转和脉动冲击下联合作用破碎岩石，使钻头在传统刮削破岩的基础上，增加了机械冲击和水力脉冲的辅助作用，有效解决了PDC钻头在深井硬地层、软硬交错地层钻进时，钻柱纵向弹跳以及周向粘滑问题。此外利用井底水力脉动，可有效减少压持效应引起的岩石重复切削，一定程度上改善井底附近的岩石受力状况，提高钻头的破岩效率。

2.2.2 轴向冲击辅助破岩工具

轴向冲击辅助破岩工具的动力机构内部的转子在钻井液驱动下高速旋转，并带动冲击机构旋转，产生高频的机械冲击传递给冲击工具下本体，冲击工具下本体连接钻头，使高频机械冲击传递给钻头辅助钻头破岩，由于冲击载荷在极短的时间内变化幅度很大，在这种急剧变化的载荷作用下，冲击能量将以应力波的形式和一定的波速传播到钻头齿表面，最终作用在井底岩石上，破碎岩石，最终实现冲击钻井提速的目的。

3 提速工具现场应用效果

到目前为止周向冲击辅助破岩工具已在大庆、新疆、吉林、内蒙等区块共应用83口井，总进尺53143m，平均机械钻速2.84m/h，与常规钻进方式相比平均提速126%，单井钻井周期平均缩短钻10～20d，提速效果明显。

轴向冲击辅助破岩工具也已开展了现场试验，单趟钻进尺349m，平均机械钻速4.53m/h，累计工作时间102h，与上一趟钻牙轮钻头钻进相比机械钻速提高了127%，进尺提高190%。与临井同层位平均机械钻速提高144%，平均单只钻头进尺提高223%，提速效果显著。

4 新型提速工具研究

随着油田深部油气藏的勘探和开发的深入，新的勘探领域内地层岩石硬度高、可钻性差的特点日益突出，在石英含量高、软硬交错等难钻地层，常规提速工具效果并不明显。

目前研制的周向和轴向冲击辅助破岩这2种工具在营城组以下的含砾、石英含量高等难钻地层提速效果不明显。为了发挥2种钻井技术破岩方式的优势，未来提速工具的发展方向将结合轴向和周向冲击振动的特点，提出复合冲击钻井技术。目前正在开展复合冲击钻井技术研究，此项技术是将流体的能量转换成工具的周向和轴向高频往复的冲击机械能，周向冲击振动可使钻杆的旋转破岩能量传递到钻头上，降低粘滑效应；轴向冲击振动则给钻头提供轴向破岩的能量，从而提高钻头吃入地层深度，提高破岩效率，达到提速的目的。

5 结论

（1）深部难钻地层存在岩石坚硬、钻头适应性差等技术难点，严重影响钻井机械钻速。

（2）采用周向和轴向冲击辅助破岩工具，能够产生高频冲击辅助钻头破岩，可在深部难钻地层中取得较好的提速效果，能够大幅提高机械钻速，提高单只钻头进尺，减少起下钻次数，降低钻井成本。

（3）通过复合冲击钻井新技术的研发，可为深部难钻地层提速提供新的技术支持。