复合钻井是指螺杆和顶驱一起驱动钻头的钻井技术，钻头转速相当于螺杆转速和顶驱转速之和。钻头转速通常可以达到200 r/min以上，远高于单纯用顶驱驱动的转速(约100~120 r/min)，高转速能充分发挥PDC钻头的功效。由于生产工艺的改进，当前螺杆的性能和寿命都有了很大的提高，因此在现场采用复合钻井技术有了基础保障。螺杆质量的提高，寿命延长，可以保证长时间的井下作业，避免了由于螺杆的失效而频繁起下钻，充分体现了螺杆钻具的优势；复合钻井的钻具组合中使用钻铤数量少，得以简化钻具组合，有利于防止粘卡等井下复杂情况的发生，尤其在定向井中优势更为明显；使用螺杆有利于井下轨迹控制。

1 复合钻井破岩机理

PDC钻头破碎岩石的主要作用机理是靠切削破碎地层而不是靠压人破碎地层。通常PDC钻头的切削速度与转速成正比关系，而钻压对PDC钻头的切削速度影响不敏感(目前也有理论分析认为在有些地层使用PDC钻头时可采用低转速高钻压，但这将带来井斜、方位控制的问题)。在中、软地层，PDC钻头宜选用高转速、低钻压参数。单纯依靠顶驱驱动钻头的钻进，随着井眼的加深，扭矩的增大，只能选择较低转速，较难发挥PDC钻头的作用，而螺杆钻具的高转速可以为PDC钻头提高切削速度提供井下动力保障，因此，螺杆钻具加顶驱驱动，可以大大提高PDC钻头的切削速度，可以实现在中、软地层大幅度提高机械钻速的目的^[1]。

2 地层适应性分析

复合钻井技术，从实钻来讲，就是要选择高转速小钻压的钻井参数。没有配置螺杆的常规钻具组合，可以提供中低转速高钻压的钻井参数。通过对比地层对转速、钻压的敏感性，即对比在两种钻井参数下的机械钻速，以机械钻速作为指标选择合适的地层来应用复合钻井技术。

分析埕北区块以往的钻井情况，明化镇组和馆陶组上段的地层对转速敏感，采用高转速可明显提高机械钻速，东营组上部地层对转速也较敏感，这些地层均适合高转速钻进，可以采用复合钻井技术。在馆陶组下段，因含有大粒径的砾石，而砾石容易磨损和损坏PDC钻头的复合片，易造成钻头失效，使用PDC钻头复合钻井时，必须控制钻压和转速。东营组下部、沙河街组的地层致密、可钻性变差，对转速的敏感性很差，需要采用高钻压，通常复合钻井的效果不如常规钻井，因此，钻沙河街组时，直井中一般不使用复合钻井。

3 复合钻井技术 3.1 钻具组合

对比以往在埕北区块采用的塔式钻具、钟摆钻具，从尽量简化下部钻具组合、减少井下复杂情况出发，优选了不同井段的推荐钻具组合。

3.1.1 直井中的钻具组合

(1) Φ311.2 mm井眼：Φ311.2 mm PDC钻头+Φ244 mm直螺杆+浮阀+Φ203.2 mm钻铤1根+Φ310 mm螺旋扶正器+Φ203.2 m钻铤8根+Φ203.2 mm震击器+Φ127 mm加重钻杆×13根+Φ127 mm钻杆。

(2) Φ241.3 mm井眼：Φ241.3 mm PDC钻头+Φ197 mm直螺杆+浮阀+Φ184.2 mm钻铤1根+Φ240 mm螺旋扶正器+Φ184.2 mm钻铤8根+Φ165.1 mm震击器+Φ127 mm加重钻杆×13根+Φ127 mm钻杆。

(3) Φ215.9 mm井眼：Φ215.9 mm PDC钻头+Φ172 mm直螺杆+浮阀+Φ215 mm螺旋扶正器+Φ165.1 mm钻铤+Φ165.1 mm震击器+Φ127 mm加重钻杆×13根+Φ127 mm钻杆。

3.1.2 定向井中的钻具组合

(1) Φ311.2 mm井眼：Φ311.2 mm PDC钻头+Φ244 mm单弯螺杆(带扶正器1只，1.25°)+浮阀+螺旋扶正器+Φ203.2 mm无磁钻铤+Φ203.2 mm MWD+Φ203.2 mm无磁钻铤+Φ203.2 mm钻铤+Φ203.2 mm震击器+Φ127 mm加重钻杆×6根+Φ127 mm钻杆

(2) Φ215.9 mm井眼：Φ215.9 mm PDC钻头+Φ172 mm单弯螺杆(带205~212 mm扶正器一只)+浮阀+螺旋扶正器+Φ165.1 mm无磁钻铤+Φ165.1 mm MWD+Φ165.1 mm无磁钻铤+Φ165.1 mm钻铤+Φ165.1 mm震击器+Φ127 mm加重钻杆×6根+Φ127 mm钻杆。

3.2 螺杆优选

螺杆的选择要满足钻井参数、井眼上的要求。螺杆能提供的转速决定于排量的大小，钻压的大小与螺杆能承受的扭矩、螺杆泵压的升高值有关。通常PDC钻头需要较大的排量。从现场使用效果(螺杆的使用寿命、提供的排量能力和输出扭矩等)和对有关国内螺杆厂家的同类型产品的对比，推荐不同井段选用的螺杆钻具见表 1^[2]。

3.3 钻井参数优选

选择的钻井参数要控制在螺杆推荐参数内，可以保护螺杆，延长螺杆的使用寿命。

215.9 mm井段排量一般为1 900~2 100 L/min，241.3 mm井段为2 200~2 400 L/min，311.2 mm井段为3 200~4 200 L/min。如果机械钻速较慢，钻头不泥包，比如馆陶组砾岩井段，可以采用较小的排量，排量小，螺杆转速也相应降低，同时采用较小的钻压，达到保护钻头的作用。

复合钻进时，钻头转速相当于顶驱转速和螺杆转速的叠加，一般在200 r/min以上。原则上，井眼井斜越大，井眼越小，顶驱转速应越小。直井使用螺杆时顶驱转速控制在80 r/min以内^[3]。

选用的钻压既要考虑钻进的需要，又要考虑到螺杆的性能。一般在40~60 kN范围内，根据螺杆情况可以调整钻压。

3.4 应用技术要点

(1) 选择好合适地层的PDC钻头。如果PDC钻头不适合地层，即使提高钻头转速后也不会有好的效果。

(2) 要严格执行螺杆钻具操作规程，保护和使用好螺杆钻具，因螺杆损坏而频繁起钻更换，将使复合钻井技术失去意义。同时，在选择螺杆时注意螺杆的适用温度范围(目前国产螺杆的适用温度范围有两种，一种为额定温度95℃，最高温度120℃；还有一种为额定温度105℃，最高温度150℃，根据井下温度选用合适的螺杆类型)^[4]。在发现异常现象时做出准确判断，螺杆损坏时及时起出更换。

(3) 螺杆操作必须注意：坚持短程起下钻修整井壁，以确保井眼畅通，避免长井段的划眼；井下有井漏、井涌等复杂情况时，不要使用复合钻井；螺杆寿命大都在100 h左右，要预留部分安全使用时间；起下钻过程遇阻卡情况，不要进行强拉、硬压，进行泥浆循环和划眼操作。

(4) 螺杆钻具的马达为容积式，决定螺杆性能的因素是输人流量(排量)和作用于二端的压力降，而不是钻井液的类型。因此对钻井液要求：要限制钻井液中的硬质颗粒大小、数量等，固相会加速轴承、马达的磨损而减少螺杆的寿命。建议固相含量不大于1%，有研究表明：如果固相含量达到5%，螺杆寿命会减少50%。其次，注意钻井液中避免使用易发泡的处理剂或添加剂，以免产生的气泡对钻具产生气蚀作用，加速螺杆的损坏^[5]。

4 应用效果

在埕北区块的埕北818井、埕北819井、埕北斜820井、埕北古110井等四口井中已经使用了16根螺杆，其中埕北斜820井是定向井，机械钻速提高明显。

4.1 直井中复合钻井的效果

表 2、表 3是两种钻井方式的对比。通过对比发现，使用复合钻井技术后，不管在明化镇组、馆陶组等较软的地层，还是在东营组等较硬的地层中，机械钻速都有较大幅度的提高，一般都在10%以上。这说明复合钻井可以充分发挥PDC钻头的功效，提高机械钻速。

从表 2、表 3的对比中我们发现，复合钻井技术在明化镇组、馆上段等软地层的优势最为明显，提高钻速的幅度在16%~30%左右，而在东营组等地层提高钻速的幅度相对要小些，大概在10%~20%左右。

井身质量：使用复合钻井技术，降低了钻压，提高了转速，有利于控制井斜，提高了井身质量。

4.2 定向井中复合钻井的效果

通常在定向井施工中，利用斜向器和弯接头组合造斜工具进行造斜后需要起钻换增斜钻具或稳斜钻具进行增斜或稳斜，需要频繁进行起下钻作业，行程钻速太低。而采用复合钻进技术，利用带扶正器的单弯螺杆加PDC钻头，不仅可以造斜、增斜，而且还可以稳斜。通过实践证明，这种钻具结构稳斜、稳方位的效果很好，省去了多趟的起下钻，节约了钻井时间，提高了机械转速。若实钻过程中需要调整井斜或方位时，只要停止转盘转动，采用滑动钻井方式就可直接进行。

埕北斜820井的应用见表 4。在1 495~4 401 m井段使用了复合钻进技术。

复合钻井技术，在定向井中的优势，体现在两方面：一是提高了机械钻速。埕北斜820井、埕北40侧井在沙河街组的机械钻速对比见表 5，通过对比可以看到使用复合钻井明显提高了机械钻速。二是有利于井眼轨迹控制，埕北40侧井，进行了5次起下钻作业变换钻具组合用以调整井眼轨迹，而在埕北斜820井中没有一次专门为调整井眼轨迹进行起下钻作业的。按照通常3 000 m井深的一次起下钻时间为18 h左右，5次起下钻大约可以节约3.75 d，如果按2012年勘探二号钻井平台38万元/天的日费计算，单这一项就可节约直接成本142.5万元。

5 结论

(1) 螺杆配合PDC钻头的复合钻井技术，可以更好地发挥PDC钻头的功效，与PDC钻头常规钻具相比，能大幅度提高机械钻速，在直井和定向井的应用都取得了良好的效果。

(2) 这些井在应用复合钻井技术时把握了地层的适应性，以及钻井时注意掌握钻进参数的合理选择，值得同区域以后的钻井借鉴。

(3) 选择性能可靠的螺杆，能更好地延长井下工作时间，进一步发挥PDC的优势。