0 引言

随着浅层油气资源的不断枯竭，油气勘探开发正从常规油气藏向低渗透和非常规油气藏转变，从浅层向深层、超深层发展，导致钻井难度越来越大。同时，全球油价大幅下滑，甚至在某些油田远低于开发成本，致使一些开发成本较高的项目处于瘫痪或半瘫痪状态。因此，各油气田需要不断降低开发成本，以应对钻井难度大和低油价的挑战。而在钻井过程中，难钻地层钻头进尺仅占20%，但却需要80%的钻井时间，因而钻井提速提效是降低开发成本的关键^[1]。

1 钻井提速技术的发展

从顿钻钻井到旋转钻井，从转盘钻进到各种井下提速提效工具，从刮刀钻头到牙轮钻头再到PDC钻头，回顾钻井工具的发展历程可知，人们始终围绕着改进钻头和钻井工具来达到钻井提速提效的目的。

牙轮钻头采用冲击破岩，要求冲击力大于岩石抗压强度；PDC钻头采用剪切破岩，要求扭转力大于岩石剪切强度。而岩石抗剪强度是抗压强度的⅛~，因此采用剪切破岩的PDC钻头钻井效率要高于牙轮钻头。因转盘钻进提供的扭转力较小，为此采用了螺杆钻具配合PDC钻头的复合钻井技术，该技术在软到中硬地层中，钻井提速十分显著，已经取代了牙轮钻头。但是在硬脆性、硬塑性、强研磨性、硬夹层和硬地层等定向钻井工艺中，采用螺杆钻具+PDC钻头提速效果却十分有限^[2]。

2 地层硬度及可钻性分析

岩石硬度是指岩石抵抗其他物体压入的破碎强度，即在压头压入岩石后，岩石产生第1次体积破碎时接触面上单位面积的载荷。岩石硬度等级如表 1所示。硬度在1 GPa以下软到中软地层非常适合PDC钻井，硬度在2 GPa以下中硬地层，PDC钻进优势也比较明显。但硬度超过2 GPa时，采用传统钻头钻具组合，机械钻速和进尺的优势已经十分有限，有待提高^[3]。

3 硬脆性地层提速 3.1 硬脆性地层破岩分析

硬脆性地层硬度P_Y=P/S, 单位为MPa。其中：P为岩石产生脆性破坏时的载荷，单位为N；S为压头的底面积，单位为mm²。因为在硬脆性地层中钻进时，载荷与吃深成正比(见图 1)，所以在相同硬度脆性地层中，载荷越大，接触面积越大，破碎体积越大，机械钻速越快。硬脆性地层硬度增加时，通过增加载荷或减小切削齿与地层接触面积达到提速目的。另外，根据固体力学理论，岩石变形与应力之间的关系为：

(1)

式中：σ为应力, E为弹性模量, x为形变, η为黏滞系数，t为载荷作用时间。

图 2为冲击力随时间变化关系。由图可见，冲击力在几十微秒内由0上升至几十千牛，再经几百微秒又重新下降至0。由于冲击动载作用时间极短，式(1)中第2部分增大，岩石应力很快接近或超过强度极限，发生脆性变形，随着冲击速度增加，岩石塑性降低，表现为塑性体向脆性体转化的趋势。冲击动载的这种特性有利于岩石中裂隙的扩张，形成大体积的破碎，提高破碎岩石的效率^[4]。

采用锥球齿金刚石钻头可减小切削齿与地层的接触面积，而液动冲击器可增加高频的轴向冲击载荷，达到岩石的破碎强度。因此采用锥球齿金刚石钻头配合液动冲击器可以有效提高钻头的破岩效率，同时高频的轴向冲击载荷变化幅度小，能有效保护锥球齿金刚石钻头的PDC复合片，延长钻头的使用寿命^[5]。

3.2 液动冲击器+锥球齿金刚石钻头提速

液动冲击器通过使用液力锤代替传统螺杆钻具轴承总成，能够在为钻头提供转速及扭矩的同时，以机械和液压复合的方式为钻头传递高频轴向冲击载荷，钻头在冲击动载和静压旋转的联合作用下破碎岩石。在钻遇硬脆性地层时，可有效增强钻头的破岩效率，提高机械钻速^[6]。

锥球齿金刚石钻头是指在常规PDC钻头的基础上，将钻头上某些部位的复合片更换为锥球齿，优化高低差。在钻进过程中，锥球齿优先与井底接触，将分散的载荷集中于一点，提高破岩效率^[3]。在一定的钻压下，与常规PDC复合片相比，锥球齿与地层的接触面积较小，能将更高的集中载荷作用在地层上。根据脆性地层的硬度计算公式，达到地层岩石破碎时所需的载荷较小，有利于在硬度较高的地层中钻进。锥球齿金刚石钻头的锥球齿更容易将载荷集中作用于较小面积的地层上，进而形成应力集中。

锥球齿金刚石钻头在液动冲击器高频垂直载荷的作用下，更容易形成破碎坑，在硬脆性地层中有较好的使用效果。克拉玛依克北断裂带石炭系地层使用的1只国内某厂家的锥球齿金刚石钻头配合国产液动冲击器，进尺70.3 m，纯钻时间35.2 h，机械钻速2 m/h。与国外某厂家的PDC钻头配合其自产的液动冲击器相比，进尺提高37%，机械钻速提高62%，如图 3所示。

4 硬塑性地层提速 4.1 硬塑性地层岩性特征

岩石按其自然属性本身并不具有塑性，只有在井底围压作用下才呈现出塑性。硬塑性地层一般是埋藏较深的致密泥岩和细砂岩，同时具有较高的硬度和塑性。岩石的塑性强度可以用塑性系数来表示，塑性系数是指岩石在压头压入后，产生第1次体积破碎时破碎消耗总功与弹性变形功的比值。该比值越大，地层塑性越强，岩石破碎需要消耗的总功越大，因此要求牙齿在吃入地层时能够形成足够大的破碎坑。

在硬塑性地层中，牙轮钻头提速是通过增加齿顶宽来扩大牙齿与井底的刮切面积，以达到增大井底破碎坑体积的目的，但提速效果并不显著。而PDC复合片吃入地层困难，并且存在反扭矩大，容易产生“黏滑”现象等问题，破岩效率低。因此，采用PDC钻头提速需缩短2次破岩的时间，使地层来不及恢复变形就已经发生了持续破岩，并使PDC复合片能够吃入地层，或者能够释放硬塑性地层中的应力。

采用扭力冲击器可以缩短2次破岩之间的时间，采用尖圆混合齿钻头中尖齿的犁削释放地层中应力，达到提速的目的。因此在硬塑性地层中采用扭力冲击器配合尖圆混合齿钻头能够显著提高钻头的机械钻速^[7]。

4.2 扭力冲击器+尖圆混合齿钻头提速

扭力冲击器是将钻井液的流体能量转换成高频稳定的扭向冲击力并传递给PDC钻头，消除钻头工作时出现的横向、纵向和扭向振动。扭力冲击器产生的高频扭向冲击力在硬塑性地层中钻进时，地层来不及恢复塑性变形就已经发生了持续破岩^[8]。尖圆混合齿PDC钻头采用尖形齿与圆形齿交替布置，且尖形齿高于圆形齿。在钻进过程中，尖形齿优先与井底接触，当尖形齿吃入地层时对地层产生预破碎，释放地层应力，尤其是在钻遇致密泥岩砂岩和硬塑性地层可产生较好的破碎作用，提速效果明显。

在哈萨克斯坦希望油田使用1只国内某厂家生产的尖圆混合齿钻头，该钻头入深954 m，出深1 933 m，进尺979 m，纯钻时间91 h，机械钻速10.76 m/h，二开TD起钻。相比邻井同层段其他厂家钻头，该尖圆混合齿钻头的机械钻速提高126%^[9]。

5 硬地层定向段提速 5.1 硬地层定向钻进特点

钻头在破岩过程中会产生反扭矩，并通过钻头传递到动力马达和钻柱上，引起钻具反向旋转，导致钻头工具面控制不稳，从而影响钻进的连续性和速度。图 4所示为采用牙轮钻头、PDC钻头和混合钻头定向钻进时扭矩与钻压的关系。用牙轮钻头定向钻进时，牙轮滚动可以释放一部分扭矩，改善了钻头的动态平衡，工具面相对较稳。PDC钻头采用剪切破岩定向钻进时所需扭矩较大，相应反扭矩也较大。另外，PDC钻头没有活动部件，产生的反扭矩不容易释放，所以PDC定向容易出现工具面不稳。而混合钻头兼顾了牙轮钻头和PDC钻头的优点，在定向钻进时扭矩随钻压增加的幅度介于牙轮钻头和PDC钻头之间，既能很好地控制工具面，又能提高定向钻进时的机械钻速，因此更适用于硬质夹层、结核状地层和塑性泥岩地层定向段的钻进^[10-12]。

5.2 等壁厚大扭矩螺杆+混合钻头定向段提速

如前文所述，在硬地层、硬塑性和硬夹层等复杂地层中定向钻进时，牙轮钻头机械钻速较低，使用寿命短，PDC钻头工具面不易控制，定向效果差，而采用等壁厚大扭矩螺杆+混合钻头能有效提高定向段钻进速度。大庆汪深区块营城组岩性为暗紫流纹岩和凝灰岩等，地层可钻性极差，一直使用高端牙轮钻头钻进。在汪深1-平1井使用国外某厂家生产的混合钻头定向钻进，4只混合钻头平均进尺130 m，平均机械钻速2.43 m/h，与同井牙轮钻头相比，进尺提高54%，机械钻速提高48%^[13]。

6 结束语

硬脆性地层、硬塑性地层及硬地层在定向钻进过程中提速较难，是钻井提速提效和降低钻井成本的关键层段。针对不同地层提出的钻井提速解决方案，经过现场试验证明能够在相应的地层中达到提速的目的，并且成本相对较低，可推广应用。