下扬子区临古1井高研磨性地层钻井技术

下扬子区临古1井高研磨性地层钻井技术
秦春;黎学年;刘紫云;张艳;陈小元;王委
【摘要】临古1井是下扬子区中古生界地层的一口重点预探井,设计井深3 200m.该井在泥盆系和志留系钻遇高研磨性石英砂岩和白云岩,造成钻头寿命短、磨损严重.针对高研磨性地层钻井难点,开展了岩石力学特性分析,优选T1376B型PDC钻头进行个性化设计,钻头进尺提高179％,最高机械钻速2.78 m/h.同时采用自激振荡式旋转冲击钻井技术改善底部钻具组合力学特性,延长钻头使用寿命,同比机械钻速提高36.45％,对高研磨性地层钻井提速有显著效果.
【期刊名称】《复杂油气藏》
【年(卷),期】2015(008)004
【总页数】5页(P73-77)
【关键词】下扬子区;高研磨性;石英砂岩;钻头优选;旋冲钻井工具
【作者】秦春;黎学年;刘紫云;张艳;陈小元;王委
【作者单位】中国石化江苏石油工程有限公司钻井处,江苏扬州225261;中国石化江苏石油工程有限公司钻井处,江苏扬州225261;中国石化江苏石油工程有限公司钻井处,江苏扬州225261;湖北省油气钻采重点实验室(长江大学),湖北武汉430100;中国石化江苏石油工程有限公司钻井处,江苏扬州225261;中国石化江苏石油工程有限公司钻井处,江苏扬州225261
【正文语种】中文
【中图分类】TE242
临古1井是江苏油田在下扬子海相中古生界部署的一口重点预探井，为三开直井：一开φ444.5 mm钻头钻至井深340 m，下φ339.7 mm表层套管至338.39 m，封固第四系不稳定地层；二开φ311.1 mm钻头钻至井深2 270 m；三开由于主
要目的层二叠系龙潭组地层断缺，仅钻遇28 m。

φ215.9 mm钻头钻进至志留系
井深2 986.43 m提前裸眼完钻。

该井二开采用φ215.9 mm钻头钻电测口袋钻遇栖霞组灰黑色泥岩、灰岩地层，三开钻完套管附件后钻遇高研磨性泥盆系五通组石英砂岩，均造成钻头在短时间内严重磨损，先期损坏。

通过优选PDC和牙轮钻头，个性化设计PDC钻头，并配合自激振荡式旋冲钻井技术，顺利完成了临古1井高研磨性地层的安全、快速钻井。

全井钻井周期80.83 d，平均机械钻速2.86 m/h，在古生界地层累计钻遇高研磨性石英砂岩406 m。

(1)下扬子区逆冲、推覆构造发育，地质构造复杂，地层不确定大，钻头选型困难。

(2)海相地层可钻性差，研磨性高。

如泥盆系的致密石英砂岩地层抗压强度达到
172 MPa，内摩擦角达到50°，地层可钻性达到6级，属于硬、极高研磨地层。

高研磨地层造成钻头磨损严重，使用寿命短，增大了钻头的使用风险。

(3)该区地层倾角大，井斜控制困难，常规钻具防斜打直仅能依靠吊打，影响机械
钻速。

2.1 钻头优选技术
针对钻遇高研磨性石英砂岩牙轮钻头的磨损情况，利用岩石力学分析软件和临古1井φ311 mm井眼测井资料对二开井段的地层进行岩石力学分析，如图1所示。

井段300～1 200 mK2t1以上地层抗压强度10 MPa，内摩擦角小于30°，从井
深1 200 m地层抗压强度和内摩擦角开始明显增大，从井深1 800 m地层内摩擦角大于42°，2 000 m以后地层抗压强度超过100 MPa，地层岩石为高抗压强度、极高研磨性硬地层[1]。

根据地层岩石力学特性和牙轮钻头磨损情况，二叠系龙潭组及以下地层为抗压强度
高，具有极高研磨性的硬地层。

优选采用13 mm切削齿、中等抛物线冠部形状、弧线形7刀翼、高布齿密度、中等后倾角、低摩阻保径、双排齿等设计特征的
φ215.9 mm T1376B和FL1357JH型PDC钻头和12刀翼、20粒/克拉的
φ215.9 mm I3036孕镶金刚石钻头[2-5]。

牙轮钻头优选圆锥形内排齿、球形外排齿、金刚石复合齿保径或掌背扶正块加强保径的φ215.9 mm HJT637GH和HJT637GL钻头。

钻头使用情况见表1。

PDC钻头入井前先采用MD517X牙轮钻头和随钻打捞杯冲洗井底，捞出大量栖霞组灰岩掉块和少量断齿和滚珠。

T1376B PDC钻头在井深2 356 m的五通组石英砂岩地层入井，快钻时17 min/m，慢钻时30～40 min/m，钻进井段2 356.00～2 445.95 m，进尺89.95 m，钻时44.25 h，机械钻速2.03 m/h。

钻头出井时钻头胎体心部磨出凹槽，槽深至喷嘴流道槽，辅刀翼外锥齿碎裂严重，保径完好，外径215 mm。

T1376B PDC钻头相当于7只牙轮钻头在石英砂岩地层的进尺，机械钻速比牙轮钻头提高40%。

该钻头入井前后对比见图2。

在2 445.95～2 453.67 m井段，采用φ215.9 mm I3036孕镶金刚石钻头+直螺杆复合钻进，进尺仅7.72m，因孕镶金刚石钻头底部磨平泵压升高起钻。

考虑之前石英砂岩对牙轮钻头的磨损情况，第一只HJT637GH钻头仅使用12.83 h后起钻观察，钻头仅断齿6颗，保径基本完好，外径215 mm，说明HJT637GH钻头适合高研磨性石英砂岩地层。

在志留系石英砂岩和灰黑色泥岩互层地层，
FL1357JH PDC钻头机械钻速达到3.04 m/h，较15#HJT637GH牙轮钻头提高79.88%。

针对T1376B出井后的磨损情况对该型号钻头进行优化设计：①切削齿的露齿高度降低1 mm；②3个固定水眼改为喷嘴，改善井底流场；③内锥切削齿的后倾角增大2°，提高抗冲击能力。

改进后的17#T1376B钻头连续入井4次，进尺
251.16 m，相对改进前提高179%，平均机械钻速1.57 m/h，最高机械钻速2.78 m/h。

改进后T1376B PDC钻头入井前后对比见图3。

2.2 自激振荡式旋转冲击钻井技术
2.2.1 自激振荡式旋冲旋冲钻井原理及特点
自激振荡式旋转冲击钻井技术是在钻头的上部连接自激振荡式旋转冲击钻井工具，产生高频周期性的冲击力，将冲击钻进和旋转钻进相结合的一种钻井方法。

该技术利用井底水力能量增强钻头冲击力，优化井底流场，改善岩石受力状况，达到提高机械钻速的目标[6-9]。

工具结构见图4。

技术特点：
(1)采用优化的自激振荡式水力元件调制直接作用于钻头的冲击力，能量利用效率高，工具压力损耗小。

(2)具有“小振幅、高频率”的特点，对钻头和地层的适应性强，可防止PDC钻头黏滑和自锁现象，有利于在非均质地层钻进。

(3)该工具安装在钻头上部，适用于PDC和牙轮钻头，采用常规钻井参数和钻具组合，压力损耗约0.5～1.0 MPa，使用寿命超过200 h。

2.2.2 应用效果
自激振荡式旋转冲击钻井工具在临古1井入井4次，先后采用2种钻具组合配合PDC和牙轮钻头使用。

考虑上部栖霞组灰岩掉块，在2 586～2 654 m井段采用塔式钻具组合：φ215.9 mm钻头+φ178 mm自激振荡式旋转冲击钻井工具
+φ178 mmNDC+φ178 mmSDC×8根+φ159 mmSDC×15根+柔性短节
+φ159 mm随钻震击器+φ127 mmHWDP×18根+φ127 mmDP。

由于地层倾角大，轻压吊打井斜仍达到10.98°/2 646.48 m，起钻采用螺杆钻具纠斜。

后3趟采用自激振荡式旋转冲击钻井工具+单扶钟摆钻具组合，钻进参数：钻压60～800 kN(PDC)/180～200 kN(牙轮)，转速60～80 r/min，排量30～34 L/s。

该工具累计进尺180.99 m，井下工作时间171.92 h，出井工具新度80%左右，工具使用完好。

临古1井在石英砂岩井段使用自激振荡式旋转冲击钻井工具配合T1376B型号PDC钻头，机械钻速比未使用工具前的相同型号PDC钻头提高36.45%，比不同型号FL1357JH钻头提高33.82%，具体数据见表2和图5。

在白云岩井段使用自激振荡式旋转冲击钻井工具配合T1376B PDC钻头第2次入井的机械钻速比19#T1376B PDC钻头转盘钻进提高21.84%，具体数据见表1和图5。

由于石英砂岩和白云岩硬度大，可钻性差，研磨性高，对钻头损伤比较大，牙轮表现为断掉齿、保径磨损严重，PDC表现为复合片早期破损，寿命大大缩短。

使用自激振荡式旋转冲击钻井工具，由于其产生的高频率、低振幅的振动可以吸收部分瞬间过大的冲击载荷，减少钻头的压持作用，有效减少硬脆性地层对钻头的损伤，延长了钻头使用寿命。

临古1井三开共使用5只牙轮钻头，其中4次未使用工具，最高进尺29.67 m，使用时间不到20 h，而使用自激振荡式旋转冲击钻井工具的牙轮钻头进尺达到66.17 m，使用时间达到77.17 h，钻头出井仅牙齿磨损，无断齿，单只牙轮钻头进尺提高123%。

使用的4只PDC钻头，其中3只未使用工具，单只最高进尺89.95 m，使用自激振荡式旋转冲击钻井工具的PDC钻头入井3次，总进尺达114.82 m，单只PDC钻头进尺提高27.65%。

(1)临古1井高研磨性地层造成钻头寿命短，磨损严重，通过钻头优选及个性化设计，确保了该井的顺利施工。

(2)优选13 mm切削齿、中等抛物线冠部形状、高布齿密度、双排齿、7刀翼等设计特性的PDC钻头对高研磨性地层适应性较好。

(3)自激振荡式旋转冲击钻井工具改善了底部钻具组合力学特性，减少了对钻头的
损坏，延长了钻头使用寿命，有助于高研磨性地层钻井提速。

(4)临古1井由于地层倾角较大，采用常规防斜钻具轻压吊打，降低了机械钻速。

在下扬子区后续井施工中应尝试使用垂直钻井系统进行防斜打直，进一步提高机械钻速。

【相关文献】
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