深部地層高頻旋轉(zhuǎn)沖擊破巖技術(shù)在蘆4H井的研究與應(yīng)用

趙久平

（吐哈油田公司工程技術(shù)研究院，新疆鄯善838202）

三塘湖馬朗—條湖凹陷深層火山巖油藏是儲(chǔ)量增長(zhǎng)和產(chǎn)能接替的重要領(lǐng)域，但中深部地層火成巖跨度大（1800～3600m），與沉積巖相比，存在可鉆性差、研磨性強(qiáng)、裂縫與破碎帶發(fā)育等難點(diǎn)，井壁穩(wěn)定性差與漏失頻發(fā)，行程鉆速低，復(fù)雜事故率高，導(dǎo)致鉆井周期長(zhǎng)，制約了深層火成巖勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程。

蘆4H井導(dǎo)眼于2017年5月23日完鉆，完鉆井深3800m，完鉆層位為二疊系蘆草溝組。鉆探過(guò)程中，在主要目的層段（對(duì)應(yīng)蘆草溝組I段頂部3671.9～3722.6m油層段）錄井見(jiàn)到油氣顯示，氣測(cè)全烴最高達(dá)1.8%，巖性為含灰泥巖、含云泥巖及凝灰質(zhì)泥巖互層，該段井壁取芯11顆，其中6顆有油氣顯示；核磁測(cè)井資料顯示目的層段物性相對(duì)較好，測(cè)井解釋油層6.2m/1層，差油層16.0m/1層。經(jīng)過(guò)油藏地質(zhì)綜合分析認(rèn)為，自蘆4井向西儲(chǔ)層含油氣性變好，油層厚度亦有增厚趨勢(shì)，且ML1井已在該儲(chǔ)層段獲得工業(yè)油流，蘆4H井具備向西側(cè)鉆地質(zhì)條件。經(jīng)2017年5月26日油田公司勘探例會(huì)討論決定，要求在原設(shè)計(jì)軌跡基礎(chǔ)上重新調(diào)整設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)鉆矯正后的構(gòu)造圖，在ML1井以北185m處設(shè)計(jì)控制點(diǎn)C，以確保軌跡進(jìn)入ML1井對(duì)應(yīng)的主力油層中部。

根據(jù)蘆4H深部地層地質(zhì)巖性特點(diǎn)，優(yōu)化常規(guī)鉆井方式，提出“保證井下安全，減少?gòu)?fù)雜事故”的高頻旋轉(zhuǎn)沖擊破巖鉆井技術(shù)。

1 高頻旋轉(zhuǎn)沖擊破巖技術(shù)——沖擊鉆頭（圖1）

圖1 沖擊鉆頭：尖錐齒、斧頭齒

根據(jù)蘆4H探井深部地層巖性特點(diǎn)分析，沖擊鉆頭選用尖錐齒和斧頭齒兩種齒型，而尖錐齒作為備排齒，這種排齒方式主要是分擔(dān)沖擊載荷，保護(hù)切削結(jié)構(gòu)，大幅延長(zhǎng)進(jìn)尺；斧頭齒主要是沖擊與剪切兩種混合的破巖作用，攻擊性更強(qiáng)，適合于砂泥巖互層夾少量砂礫巖地層，抗沖擊性能提高，保障了鉆頭使用壽命，延長(zhǎng)了單只鉆頭進(jìn)尺。兩種齒型的鉆頭，反扭矩更低，扭矩波動(dòng)范圍更窄，有助于保持底部鉆具工具面穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)更高的造斜率。

（1）尖錐齒鉆頭優(yōu)點(diǎn)：

①PDC齒容易崩齒，而尖錐齒接觸點(diǎn)位置受力非常集中；

②PDC齒沖撞地層壽命較短，而尖錐齒沖撞次數(shù)較多，高效地破碎高抗壓強(qiáng)度的巖石。

（2）斧頭齒優(yōu)點(diǎn)：

①相同鉆井參數(shù)下，斧頭齒的吃入深度大22%；

②斧頭齒中央突起部分局部應(yīng)力高，高效破巖。

2 高頻旋轉(zhuǎn)沖擊破巖技術(shù)——沖擊螺桿（圖2）

圖2 沖擊螺桿示意圖

鉆井底部動(dòng)力鉆具主要是螺桿，沖擊螺桿相比于常規(guī)螺桿破巖效果較好，通過(guò)螺桿主軸每旋轉(zhuǎn)一圈，鉆頭短節(jié)就上下沖擊若干次，形成固定頻率的沖擊力，從而使鉆頭邊旋轉(zhuǎn)邊沖擊巖層，達(dá)到快速破巖的目的。

3 解決復(fù)雜地層鉆井技術(shù)難題

該井試驗(yàn)中，有效解決了煤層、破碎、易縮易塌等復(fù)雜地層遇阻、卡鉆等鉆井難題，清除出難破碎的巖屑和掉塊，保證減少井下復(fù)雜事故的發(fā)生。

通過(guò)工具應(yīng)用前后對(duì)比圖（圖3）明顯看出：返出巖屑變得均勻，返出量增多。沖擊螺桿比常規(guī)螺桿造斜段造斜率明顯高出3°～6°/30m，可以大幅縮短定向周期，有效提升復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)間，達(dá)到鉆井提速目的。

圖3 工具使用前后對(duì)比圖

4 兩種新型底部鉆井工具的配套應(yīng)用

參照區(qū)域地質(zhì)巖性分析及復(fù)雜層段分布情況，采用針對(duì)性強(qiáng)的沖擊鉆頭，實(shí)現(xiàn)了在中硬地層中抗沖擊、抗磨、抗壓百分占比得出所適應(yīng)地層的選型。相應(yīng)的研究分析了井下動(dòng)力鉆具后，提出了“高頻旋轉(zhuǎn)沖擊”的創(chuàng)新型底部鉆具模式，使得鉆具粘卡現(xiàn)象明顯降低。

沖擊鉆頭：蘆4H直井段、造斜段前期常規(guī)PDC鉆頭泥包、崩齒問(wèn)題突出，嚴(yán)重影響鉆井平均機(jī)速，應(yīng)用新型底部鉆具配合模式后，沒(méi)有出現(xiàn)泥包現(xiàn)象，鉆頭崩齒現(xiàn)象得到了較好解決，如圖4所示。

圖4 沖擊鉆頭使用前后對(duì)比圖

沖擊螺桿：優(yōu)化瓣比，采用帶沖擊的中速大扭矩螺桿，增大鉆頭扭矩、提高破巖效率，延長(zhǎng)螺桿使用壽命，提高生產(chǎn)時(shí)效，如圖5所示。

圖5 沖擊螺桿優(yōu)化后示意圖

通過(guò)該井試驗(yàn)，鉆具不拖壓時(shí)，當(dāng)鉆壓加之14t時(shí)，出現(xiàn)工具面從0°直接旋轉(zhuǎn)至270°左右運(yùn)行，反扭角較大，但當(dāng)鉆壓降至10t或更小鉆壓6t時(shí)，反扭角變化較小，工具面較穩(wěn)，由此判斷螺桿的沖擊力度較大，在井底帶動(dòng)底部鉆具活動(dòng)，有沖擊和防卡作用。

5 一整套新型的鉆具組合方式

（1）直井段鉆具組合：?216mm沖擊鉆頭＋?172mm 1.25°沖擊螺桿+?212mm扶正器+?172mm鉆具浮閥+?172mm定向接頭+?178mm無(wú)磁鉆鋌+?178mm DC+?212mm井壁修復(fù)器+?165mm鉆鋌×9根+?127mm加重鉆桿+?172mm隨鉆震擊器+?127mm加重鉆桿×11根+?127mm鉆桿。

（2）造斜段鉆具組合：?216mm沖擊鉆頭＋?172mm單彎沖擊螺桿（1.5°）+?165mm單流閥+?165mm定向接頭+?165mm無(wú)磁鉆鋌+?127mm加重鉆桿×3根+?127mm斜坡鉆桿15根+?127mm加重鉆桿×42根+?127mm鉆桿。

（3）水平段鉆具組合：?216mm沖擊鉆頭＋?172mm單彎沖擊螺桿（1.25°，雙扶208×212）+?165mm單流閥+?165mm定向接頭+?165mm無(wú)磁鉆鋌+?127mm加重鉆桿×3根+?127mm斜坡鉆桿×115根+?127mm加重鉆桿×42根+?127mm鉆桿。

通過(guò)開(kāi)展項(xiàng)目研究試驗(yàn)，成功形成了一套適應(yīng)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)效益高的高頻旋轉(zhuǎn)沖擊破巖鉆井技術(shù)，如表1所示。

歷年來(lái)，針對(duì)鉆井提速井中高效破巖鉆井技術(shù)，通常采用“常規(guī)PDC鉆頭+常規(guī)單彎螺桿”模式，大塊巖屑、掉塊從井底帶離不出去，嚴(yán)重影響井下安全，中硬地層鉆頭磨損嚴(yán)重、進(jìn)尺慢等制約項(xiàng)成為了鉆井提速的根本性原因。通過(guò)創(chuàng)新型底部鉆具組合方式，有效解決了高效破巖技術(shù)難題，創(chuàng)新了兩套底部工具，形成了一整套底部鉆具組合方式，同時(shí)具有經(jīng)濟(jì)效益高、易于規(guī)模化推廣應(yīng)用的特點(diǎn)。

6 認(rèn)識(shí)與建議

通過(guò)開(kāi)展優(yōu)快鉆井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及推廣應(yīng)用，深層蘆草溝組油藏優(yōu)快鉆井與油氣勘探取得突破。與前期鉆井性能平均相比，鉆井周期由95.48d縮短至50.47d，機(jī)械鉆速由2.92m/h增加至5.43m/h，復(fù)雜事故時(shí)效由2.09%降至0.53%，有效解決了制約三塘湖深層火成巖鉆井的技術(shù)瓶頸，為規(guī)模高效勘探開(kāi)發(fā)同類型油藏動(dòng)用提供了經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)手段。