劉曉民朱 亮鐘文建羅發(fā)強(qiáng)方俊偉

（1.中石化西北油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆烏魯木齊 830011；2.長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢 430100；3.油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430100）

亞肯北區(qū)礫石層優(yōu)快鉆井技術(shù)

劉曉民1朱 亮2，3鐘文建1羅發(fā)強(qiáng)1方俊偉1

（1.中石化西北油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆烏魯木齊 830011；2.長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢 430100；3.油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430100）

亞肯北區(qū)第四系及庫車組上部地層發(fā)育巨厚礫石層，導(dǎo)致鉆井過程中蹩跳和鉆井效率低下，在研究分析該區(qū)礫石層特征及鉆井難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，從鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)和鉆具結(jié)構(gòu)及鉆進(jìn)參數(shù)等方面優(yōu)化設(shè)計(jì)了大尺寸鑲齒牙輪鉆頭及配套鉆井工藝。鉆井實(shí)踐表明，亞肯北地區(qū)礫石層鉆井過程順利，礫石層段大尺寸牙輪鉆頭壽命長達(dá)404 h，機(jī)械鉆速提高了84.62%，同時大幅度地減少了鉆頭使用個數(shù)，減少了起下鉆時間，提高了鉆井作業(yè)效率。對亞肯北區(qū)鉆井提速方案的制定提供了技術(shù)指導(dǎo)和借鑒。

礫石層；鉆井提速；鑲齒牙輪鉆頭；亞肯北區(qū)塊

亞肯北區(qū)屬天山山前沖積平原，是中石化西北油田分公司貫徹國家“西部大開發(fā)”、“西氣東輸”戰(zhàn)略，培育大型天然氣田的主力勘探區(qū)塊，該區(qū)第四系及庫車組上部發(fā)育巨厚礫石層，鉆井過程中蹩跳嚴(yán)重，可鉆性差，鉆井過程中復(fù)雜情況多、機(jī)械鉆速低、鉆井周期長，為了縮短鉆井周期，加快勘探開發(fā)進(jìn)程，針對該區(qū)存在的礫石層鉆進(jìn)困難的問題，開展了快速鉆井技術(shù)研究與應(yīng)用實(shí)踐，形成了亞肯北地區(qū)礫石層快速鉆井配套技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鉆井提速目標(biāo)。

1 地質(zhì)特點(diǎn)及鉆井技術(shù)難點(diǎn)分析

亞肯北區(qū)第四系地層存在較厚的礫石層。在第四系的西域組上部以雜色厚層狀礫巖為主，與泥巖互層；下部以雜色厚層砂礫巖為主，與黃灰色砂質(zhì)泥巖互層。

礫石層的存在嚴(yán)重制約了該區(qū)鉆進(jìn)效率的提升，其技術(shù)難點(diǎn)主要表現(xiàn)以下幾個方面。

（1）礫石層厚度大。已鉆的KU1井在第四系西域組井段累計(jì)鉆遇5層厚422 m礫石層；在庫車組上部井段累計(jì)鉆遇6層40 m礫石層。

（2）機(jī)械鉆速低。KU1井在礫石層的平均機(jī)械鉆速只有0.26 m/h。

（3）蹩跳鉆嚴(yán)重，導(dǎo)致鉆頭壽命短、損耗量大。KU1井共使用90只鉆進(jìn)鉆頭，其中在礫石層段使用鉆頭達(dá)到49只，占全井鉆進(jìn)鉆頭總數(shù)的54.4%，鉆頭出井分析發(fā)現(xiàn)鉆頭磨損也較為嚴(yán)重。

（4）復(fù)雜情況多。礫石層膠結(jié)差，軟硬不均，井易斜、易垮塌，限制了快速鉆進(jìn)［1］。

2 礫石層牙輪鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 礫石層微觀特征分析

從圖1所示的礫石地層剖面和現(xiàn)場礫石巖樣可以看出，亞肯北區(qū)的礫石地層顆粒間的充填物與礫石顆粒表面為不完全接觸，膠結(jié)較疏松，存在膠結(jié)裂縫，且膠結(jié)介質(zhì)自身強(qiáng)度較低，從鉆進(jìn)時的礫石層巖屑來看，礫石層礫石粒度明顯不均。

圖1 亞肯北區(qū)礫石層剖面圖

2.2 礫石層可鉆性及硬度分析

通過收集到的巖樣及巖屑，按照巖石力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)和石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)開展了巖石可鉆性實(shí)驗(yàn)測試和硬度測試，得到了礫石層的巖石可鉆性剖面和硬度剖面，如圖2所示。

趙燕梅和伙伴們，從嚴(yán)把車輛進(jìn)站入手，對所有進(jìn)站車輛的車容車貌、裝卸油口、電子封簽、油品專用標(biāo)識，以及滅火器、接地線等安全防護(hù)點(diǎn)，進(jìn)行嚴(yán)格細(xì)致的檢查，絕不放過一個隱患，打造了“青年文明號”品牌。

從礫石層可鉆性剖面圖可以看出，礫石層可鉆性級值在2～7之間，屬于軟～中硬地層，可鉆性級值范圍大，硬度小于500 MPa，硬度級別為軟到中軟，硬度變化也較大，說明礫石層非均質(zhì)性明顯。這與實(shí)鉆表現(xiàn)出的鉆頭工作不穩(wěn)定、機(jī)械鉆速變化大的情況相吻合。

圖2 礫石層剖面圖

實(shí)鉆資料表明在亞肯北區(qū)第四系礫石層呈現(xiàn)出以下特征：100～400 m，礫石層松散，粒度不均，大塊礫石成游離狀態(tài)，可鉆性級值在3.0～7.0；400～950 m，松散和半膠結(jié)礫石層，可鉆性級值在2.5～6.5。由此分析認(rèn)為在礫石層段應(yīng)選用牙輪鉆頭鉆進(jìn)。

2.3 鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化

在分析了地層特點(diǎn)和巖石可鉆性特征分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，主要從以下4個方面對鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

（1）切削齒結(jié)構(gòu)。采用寬頂齒技術(shù)，有效提高牙齒的井底破碎體積；采用修邊齒技術(shù)，具有優(yōu)異的側(cè)切能力，修整井壁及保護(hù)軸承；采用圓頂凸楔齒技術(shù)，極大增強(qiáng)齒的攻擊性，提高了齒的強(qiáng)度，降低齒的應(yīng)力集中。鉆頭切削齒如圖3所示。

圖3 優(yōu)化切削齒結(jié)構(gòu)

（2）軸承密封。采用三級滾柱、三級止推O形橡膠密封滾動軸承，增加軸承軸向密封保護(hù)，避免巖屑進(jìn)入鉆頭軸承，大大延長軸承壽命。

（3）牙輪鉆頭水力系統(tǒng)。采用中心噴嘴：鉆頭中心位置布置噴嘴，有效清洗牙輪，減少泥包，提高機(jī)械鉆速；采用加長噴嘴：縮短噴嘴到井底的距離，提高射流對井底的沖擊力。

（4）牙輪鉆頭牙掌結(jié)構(gòu)。在牙輪鉆頭牙掌布置合金齒，可以有效地保護(hù)掌尖和密封，有效增強(qiáng)鉆頭抗縮徑能力。

通過上述優(yōu)化，形成了亞肯北區(qū)礫石層段鉆進(jìn)的鉆頭選型方案，見表1。

表1 亞肯北區(qū)礫石層段牙輪鉆頭選型方案

3 礫石層鉆具組合及鉆井參數(shù)優(yōu)化

實(shí)鉆表明，在礫石層鉆進(jìn)時都有不同程度的蹩跳鉆現(xiàn)象，如鉆遇膠結(jié)強(qiáng)度高礫石層段跳鉆現(xiàn)象更為嚴(yán)重，因此不能正常加壓進(jìn)行鉆進(jìn)，只能采用小鉆壓施工，導(dǎo)致機(jī)械鉆速較慢。長時間跳鉆還能損壞鉆頭和鉆具，引起事故，所以鉆礫石層時要使用減震器。

另外在礫石層比較容易出現(xiàn)垮塌、掉塊等現(xiàn)象，造成井眼不規(guī)則，導(dǎo)致環(huán)空返砂比較困難，將會引起泵壓升高，影響水力作用的正常發(fā)揮。為此可設(shè)計(jì)采用大尺寸鉆具，以減小循環(huán)壓耗，降低泵壓，充分發(fā)揮水力沖擊作用，同時可以提高環(huán)空返速和攜砂能力［2-6］。以此為原則，優(yōu)化設(shè)計(jì)了適合亞肯北區(qū)的鉆具組合及鉆井參數(shù)：

鉆具組合：?660.4 mm牙輪+?279.4 mm鉆鋌×2根+?660.4 mm扶正器+?241.2 mm鉆鋌×6根+?203.2 mm鉆鋌×3根+NC561?520+?139.7 mm加重鉆桿×6根+?139.7 mm鉆桿。鉆井參數(shù)：鉆壓40～60 kN；轉(zhuǎn)速60 r/min；排量55～60 L/s。

4 礫石層鉆進(jìn)應(yīng)用效果分析

在研究分析亞肯北區(qū)地質(zhì)條件及鉆井工程難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一系列針對礫石層鉆進(jìn)的優(yōu)化方案，并在KU2井進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用。

從表2所示的數(shù)據(jù)來看，KU2井礫石層通過優(yōu)化牙輪鉆頭、鉆具組合及鉆進(jìn)參數(shù)，單只鉆頭純鉆時間大幅度增加，鉆井提速效果顯著。KU2井一開平均機(jī)械鉆速0.48 m/h；較KU1井一開機(jī)械鉆速0.26 m/h相比，提高了84.62%。鉆頭使用個數(shù)也較KU1井的49只鉆頭，減少到了9只鉆頭，在提高鉆井效率的同時，經(jīng)濟(jì)成本得到了很好的控制。

表2 KU2井礫石層鉆頭使用效果

5 結(jié)論

（1）亞肯北區(qū)存在較厚的礫石層，表現(xiàn)出機(jī)械鉆速低、蹩跳鉆嚴(yán)重、鉆頭壽命短、損耗量大且復(fù)雜情況多的特點(diǎn)。

（2）礫石層可鉆性級值范圍跨度較大，表現(xiàn)出不均質(zhì)和可鉆性較差的特點(diǎn)，考慮到礫石呈現(xiàn)出較松散且游離程度高的特點(diǎn)，在礫石層段應(yīng)選用牙輪鉆頭鉆進(jìn)。

（3）根據(jù)礫石層特點(diǎn)，宜采用大尺寸鉆具組合，同時配合小鉆壓進(jìn)行鉆進(jìn)。

［1］高紹智，張建華，李天明，等.適用于礫石夾層鉆進(jìn)的PDC鉆頭［J］.石油鉆采工藝，2006，28（4）：20-21．

［2］張建華.西部地區(qū)礫石層鉆井難點(diǎn)及對策［J］.石油鉆探技術(shù)，2006，34（3）：84-86．

［3］王延民，梁紅軍，李皋，等.塔里木DB區(qū)塊礫石層特征及對優(yōu)快鉆井影響［J］.新疆地質(zhì)，2012，30（1）：113-115．

［4］方甲興，王興武.塔1井巨厚礫石層鉆井技術(shù)［J］.鉆采工藝，2003，26（6）：4-6．

［5］李夢剛，楚廣川，張濤，等.塔河油田優(yōu)快鉆井技術(shù)實(shí)踐與認(rèn)識［J］.石油鉆探技術(shù)，2008，36（4）：18-21．

［6］王成嶺，李作賓，蔣金寶，等.塔河油田12區(qū)超深井快速鉆井技術(shù)［J］.石油鉆探技術(shù)，2010，38（3）：17-21．

（修改稿收到日期 2013-12-23）

〔編輯 薛改珍〕

Optimized drilling technology in gravel layer in North Yaken

LIU Xiaomin1,ZHU Liang2,3,ZHONG Wenjian1,LUO Faqiang1,FANG Junwei1
（1.Research Institute of Engineering Technology,Sinopec Northwest Oilfield Company,Urumqi830011,China;2.Petroleum Engineering School of Yangtze University,Wuhan430100,China;3.Key Laboratory of Oil and Gas Drilling Project of Hubei Province,Wuhan430100,China）

The extraordinary thick gravel layer in Quatemary system and upper formation of Kuche member in the North Yaken cause stick-slip and low efficiency during drilling.Based on study and analysis of feature of gravel layer and difficulty of drilling,the thesis optimizes and designs insert roller bit with large size and matched drilling technology in aspects of drilling bit parameter,drilling rig structure and drilling parameter.The drilling practice indicates that the drilling process in gravel layer of the North Yaken is successful.The service life of roller bit with large size in gravel layer is up to 404 hours and rate of penetration is increased by 84.62%.Meanwhile,the number of bits needed is greatly reduced,the time of tripping is decreased,and the efficiency of the drilling is also improved.The study provides guidance and reference for making the scheme to improve the drilling speed in Northern Yaken .

Gravel layer;increasing the drilling speed;inserted roller bit;North Yaken

劉曉民，朱亮，鐘文建，等.亞肯北區(qū)礫石層優(yōu)快鉆井技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2014，36（1）：11-13.

TE242

：A

1000-7393（2014）01-0011-03

10.13639/j.odpt.2014.01.003

“十二五”國家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”課題“碳酸鹽巖縫洞型油藏鉆井技術(shù)完善與推廣”（編號：2011ZX05049-02-02）資助。

劉曉民，1981年生。2007年獲中國石油大學(xué)（北京）油氣井工程專業(yè)碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事鉆井工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。電話：0991-3161177。E-mail：xiaomin505@126.com。