2. 中国石油集团工程技术研究院有限公司;
3. 中石油江汉机械研究所有限公司;
4. 中国石油国际勘探开发有限公司
2. CNPC Engineering Technology R & D Company Limited;
3. Jianghan Machinery Research institute limited company of CNPC;
4. China National Oil and Gas Exploration and Development Corporation
0 引言
阿克纠宾地处滨里海盆地，所发现的油气藏中大多数属于盐下油气藏[1]。其中，扎纳若尔油田与北特鲁瓦油田的地质情况非常相似，主要油气藏分布在二叠系以下的石炭系地层中，二叠系膏盐层成为其良好的盖层。目前，上述2油田钻井所面临的难点主要是二开ϕ311.2 mm井眼和三开ϕ215.9 mm井眼机械钻速低，提高钻速难度大。根据地层岩性描述与实钻过程分析，二叠系至石炭系KT1、MKT和KT2厚达2 000~3 000 m，普遍发育致密的泥板岩、硬石膏、砂岩。泥板岩坚硬、含钙质团块或为钙质泥岩，砂岩致密、坚硬、研磨性高，有时含坚硬的燧石砾及石英砾，直井段平均机械钻速1.80~2.50 m/h，定向井段约为1.05 m/h。因此，如何有效提高本区块深部高研磨性地层机械钻速，是提高阿克纠宾地区钻井综合时效与勘探开发效率的关键[2-3]。
1 典型井身结构扎纳若尔油田与北特鲁瓦油田钻探石炭系KT2储层的井身结构一致(见表 1和图 1)，下入深度相似，均采用ϕ339.7 mm套管封固表层，ϕ244.5 mm套管封固二叠系塑性泥岩P1s- P1a层(塑性泥岩段下入厚壁套管ϕ247.7 mm×13.84 mm×110TT×BTC)，防止塑性泥岩蠕变挤毁套管；ϕ215.9 mm套管封固储层。二开ϕ311.2 mm和三开ϕ215.9 mm井眼是本区块钻井提速的主要目标井段。
| 套管层次 | 钻头直径/mm | 井深/m | 套管直径/mm | 下深/m | 钢级 | 扣型 |
| 表层套管 | 444.5 | 900 | 339.7 | 898 | L-80 | BTC |
| 技术套管 | 311.2 | 2 635 | 247.6/244.5 | 2 633 | 110TT/L-80 | BTC |
| 油层套管 | 215.9 | 3 930 | 168.3 | 3 928 | BG90SS | SL-APEX |
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| 图 1 井身结构示意图 Fig.1 Schematic diagram of wellbore configuration |
2 高研磨性地层钻井提速技术
常规钻井技术[4-6]在钻入深部地层岩石时，通常存在机械钻速低、磨损严重以及寿命短等问题，为有效提高阿克纠宾地区机械钻速，2014年以来针对高研磨性地层，主要应用了旋冲钻井、锥形齿钻头+高速螺杆2种钻井提速技术。
2.1 旋冲钻井技术旋冲钻井技术是在常规旋转钻井的基础上，将冲击作用与旋转作用相结合的一种钻井方法[7-8]。其特点是钻头受到纵向上的冲击力、静压力和旋转方向上的扭力共同作用，使得钻头在钻进过程中同时具有冲击和旋转的特性。
旋冲钻具在破碎岩石的过程中受到2个方向上的3个力(见图 2)：①轴向上的静压力W和冲击力F冲；②旋转方向的旋转力N。在钻进岩石的过程中，在冲击力F冲的作用下，岩石的变形速度增大，同时缩短了岩石变形所用的时间。在此过程中，岩石的塑性形变受到抑制，而脆性变大。由于岩石在高频冲击作用下，受作用点的应力集中，瞬时可以达到破碎强度的极值。
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| 图 3 岩石破碎机理图 Fig.3 Rock-breaking mechanism diagram |
在钻遇硬度较大或者胶结较差的地层时，旋冲钻井技术能更好地利用此类地层脆性比较大、抗剪强度较低的特性，使得岩石受到瞬时冲击力与剪切力的双重作用，从而较容易破碎岩石，提高机械钻速。对于硬地层来说，冲击破碎比静压破碎产生岩石裂纹扩张的速度大，使得坚硬的岩石产生大体积破碎，达到了地质录井的要求。
所选用的旋冲钻具(见图 3)通过使用液力锤代替传统螺杆钻具的轴承总成，以机械和液压综合方式为钻头传递高频轴向冲击力。该技术优先在北特鲁瓦油田ϕ311.2 mm井眼和ϕ215.9 mm井眼进行了试验及推广应用，典型钻具组合如表 2所示。
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| 图 3 旋冲钻井工具示意图 Fig.3 Schematic diagram of the rotary percussion drilling tool |
| 井眼直径/mm | 钻具组合 | 钻压/ kN | 转盘转速/ (r·min-1) | 排量/ (L·s-1) |
| 311.2 | ϕ311.2 mm PDC钻头+ϕ244.5 mm旋冲钻具+ϕ203.2 mm钻铤1根+ϕ311.2 mm扶正器+ ϕ203.2 mm钻铤5根+变扣接头+ϕ177.8 mm钻铤9根 | 40~ 100 | 60~70 | 50 |
| 215.9 | ϕ215.9 mm钻头+ϕ177.4 mm旋冲钻具+ϕ158.8 mm钻铤1根+ϕ215.9 mm扶正器+ϕ158.8 mm DC 18根 | 70~ 100 | 70 | 30 |
2.2 锥形齿钻头技术
对于常规的PDC钻头而言，由于钻头外围转速高，内部转速低，钻头中心部位的岩石难以被有效破碎，而刀翼外部的切削齿由于承担主要的破岩工作，更易失效，尤其是对于硬地层钻进。与PDC切削齿相比，锥形齿钻头[9-11]在岩石破碎中心产生局部应力集中(见图 4)，有着更厚的金刚石层，抗冲击强度更强。同时由于锥形齿具有独特的锥形结构，其散热能力比传统的PDC切削齿强。随着机械钻速的提高，锥形齿钻头的扭矩平均减少了约1/3，因而具有更强的定向响应和更平滑的工具面控制能力。
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| 图 4 锥形齿与圆柱齿受力对比示意图 Fig.4 Schematic diagram of the force on the conical cutter and cylindrical cutter |
针对阿克纠宾地区地层高研磨性地层采用锥形齿钻头[12](5刀翼ϕ16 mm复合片锥形齿高抗压PDC钻头)，配合斯伦贝谢高速螺杆，有效提高了岩石的破碎效率和钻速，减轻了钻头用量，且钻头工作平稳，减少振动对钻柱的破坏作用。典型钻具组合如表 3所示。
| 井眼直径/mm | 钻具组合 | 钻压/ kN | 转速/ (r·min-1) | 排量/ (L·s-1) |
| 215.9 | 锥形齿ϕ216.0 mm MDZi516PDC钻头+ϕ172.0 mm高速螺杆+ϕ158.8 mm钻铤1根+ϕ215.9 mm扶正器+ϕ158.8 mm钻铤18根 | 140~ 160 | 170~190 | 30~33 |
3 提速技术应用效果分析
针对阿克纠宾北特鲁瓦和扎纳若尔MKT、KT1和KT2高研磨性地层，形成了以旋冲钻井和锥形齿钻头为主体的钻井提速关键技术，并进行了全面的推广应用，有效提高了下部高研磨性地层的机械钻速，取得了良好的应用效果。但是，2种工具也不同程度地体现了对地层和井型的不适应性。
现场应用显示，旋冲钻井技术在KT1及MKT地层的机械钻速明显高于牙轮钻头常规钻进，是牙轮钻头常规钻进钻速的2~3倍(见图 5)。二开平均机械钻速7.12 m/h，提高了2.93倍，三开平均机械钻速5.33 m/h，提高了1.95倍。但是，旋冲钻井技术在KT2层机械钻速没有明显的优势，只能提高50%左右或基本持平。结合地层岩性分析，旋冲钻井技术在岩性稳定的MKT地层，提速效果稳定，但在岩性不均匀的KT1及KT2地层，钻时变化比较明显，说明地层岩性对旋冲钻井技术提速效果的影响较大。
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| 图 5 旋冲钻井应用指标 Fig.5 Application indicators of the rotary percussion drilling |
锥形齿钻头+高速螺杆复合钻进与常规钻进方式对比，直井与水平井机械钻速均提高1倍以上(见图 6)。其中：直井段常规钻进方式机械钻速约为2.50 m/h，应用锥形齿钻头+高速螺杆的平均机械钻速约为5.49 m/h，机械钻速提高约1.19倍；定向段螺杆+牙轮定向平均机械钻速约为1.08 m/h，应用锥形齿钻头+高速螺杆的平均机械钻速约为2.54 m/h，机械钻速提高约1.35倍。
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| 图 6 锥形齿钻头应用指标 Fig.6 Application indicators of the conical cutter bit |
由于定向井设计对井斜角和增斜率的要求不同，所以机械钻速呈现较大差异，但从整体提速趋势分析，使用锥形齿钻头机械钻速指标仍优于传统定向，但使用锥形齿钻头+高速螺杆复合钻进增大了轨迹控制的难度，增加了脱靶的可能性，因此在增斜率较高、位移较大的定向作业中使用该钻头和螺杆仍存在较高的施工风险。
4 结论及建议(1) 通过旋冲钻井技术及锥形齿钻头的现场试验与推广应用，基本解决了阿克纠宾扎纳若尔和北特鲁瓦油田二开ϕ311.2 mm和三开ϕ215.9 mm井眼地层研磨性强、机械钻速低等问题，平均机械钻速提高1~3倍，良好的提速效果证明了旋冲钻井技术和锥形齿钻头在本区的适用性。
(2) 通过对比阿克纠宾扎纳若尔、北特鲁瓦与肯基亚克油田地层岩性与实钻情况，肯基亚克油田所钻遇的高研磨性地层岩性与前两者一致，埋藏深度3 000~3 800 m，较前两者增加约1 000 m，平均机械钻速约1.70 m/h，提速空间较大，建议在肯基亚克油田无盐丘井ϕ311.2 mm井眼优先试验旋冲钻井技术及锥形齿钻头，以解决该井段提速的难题。
(3) 根据阿克纠宾扎纳若尔和北特鲁瓦油田开发要求，其水平井水平段长度将由原常规400 m延长至1 000 m，导致井眼轨迹控制难度增大。鉴于使用锥形齿钻头+高速螺杆复合钻进存在提速效果差异性较大和脱靶概率较高等问题，为保证提速效果，建议该技术在长水平段水平井中应用前进行井眼轨道优化论证及钻具受力分析。
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