深井_超深井钻井提速技术难点及对策分析_汤卫华

化学工程与装备

2015年 第2期 96 Chemical Engineering & Equipment 2015年2月

深井、超深井钻井提速技术难点及对策分析

汤卫华

（中石化中原石油工程公司塔里木分公司，新疆 库尔勒 841000）

摘 要：据目前来看，深井、超深井的钻井的钻速持续偏低成为机械运转所面对的一大问题所在，这一问题对开采深部的油气能源造成了极大的障碍。本文首要一点便是从高温直螺杆、涡轮钻具以及旋冲工具等可以提升钻速等工具的使用上进行了使用规律上的研讨，且阐明了在我国的油田中的使用成效如何。此外还对于机械钻速紧密相连的提速技术等的提速机理及使用成效做出相关讨论。 关键词：深井；机械钻速；高温直螺杆工具；钻头优化

随着浅层油气能源的渐近匮乏,国内石油和天然气的勘探形式的标准正逐步由浅层转换向深层的发展，以深井和超深井的方式而存在。而深层地下的油气能源开采的潜能巨大，这种地方多存在于我国的盆地地区。但尽管如此，经实践证明，深层地下若想得以进行开采，面临的主要问题便是深井、超深井钻井提速技术方面的困难，只有提升深井和超深井机械的钻速，才能够加大开采力度、将盆地石油和天然气的开采出来。因此，本文便从深井、超深井机械技术的钻速所面对的困难开始分析，并提出提升技术所采取的主要措施，以使得油田、天然气能源的资源更加丰富。 1 深井钻井提速的难点剖析 1.1 深层地下的岩石质层的钻性较差

伴随着井的深度不断增大，深层地下的岩石所承压的阻力逐步增加，并且致其岩石的缝隙和整体构架产生变化，导致变形，导致其深度平均延伸一千米，岩石的硬度密度、抗挤压的强度以及磨损度翻倍的增长，继而使得岩石的凝固密度更大，联结更加紧密，凿钻度变得越来越差，可钻度也越来越低。图一便为新疆某区块不同井深条件下细砂岩的岩石力学性质的数据分析，据图一可以得出：此地区的石炭系砂岩抗压强度高达221MPa，极大的超出了通常性质的PDC 钻头钻性极点124MPa 的数值。且因这井的深度不断增大，此地区的细砂岩的硬度密度、抗挤压的强度以及磨损度都在不断增长，继而使得岩石的凝结密度更大，联结更加紧密，钻性即变得越来越差。

1.2 深层地下的井内的恒定温度略高

API 的数据表明，正常的温度应为2.7340C/100m。假想若地表温度为200C，则井内的稳定温度则为20+2.734x 井深的长度。若井的深度超出了井5000m 后，则井下的稳定温度则已达到了国际上所规定的高温标准范围(国际标准为1500C)。这将给井下的机械钻速带来很大的困难，同时会造成不小的损失，原因在于，若井下温度过于高，则橡胶材质的工具零件则会经过高温而快速老化，从而造成脱落并失去

了原本效果，从而使得井底的堵塞状况越来越严重，碎屑的长期堆积，从而降低了机械的钻速效果。 1.3 钻头加压带来的难处

在对深井进行凿钻的进程中，往往会随同井深的不断加大，而造成钻柱扭曲的状况发生，这种情况下会致其钻井倾斜的效果，并使得钻压的传递性越来越差，加大了施工的难度，极大降低了传统的钻井方式，破岩的效率大大降低。此外，为了防御钻井倾斜的情况发生，通常会采用保守的轻压

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吊打策略，所以极大降低了机械的钻速。

1.4 复杂的地质条件

大部分的深井,超深井地层地质条件复杂, ,因此大大减慢了机械的钻井速度。如在四川东部地区的深井钻井过程中,经常遇到海拔较高和陡峭的地质结构，致其产生严重偏差,机械钻速极其低，井的倾斜度过高，有断层发育。在沙溪庙自流井部分地段中,共存的泥岩、页岩、砂岩、页岩较为严重,经常形成钻头泥包现象，并且钻速太低,甚至会导致钻卡严重的故障，对机械钻速产生的影响极大。根据四川西部地区的钻井数据表明,该层包含了不同水平的砾石层,当使用牙轮钻头钻进时，钻头弹起的状况频繁发生，加之在使用PDC钻头钻井时，对切削的损害更大,加之深层地下的井段岩石岩性软硬分布宽广，从而给选择深井钻头的形状上带来了较大难处,因而严重影响了机械的钻井速度。 2 深井提速技术与应用效果

对于国内深井、超深井的机械钻速技术，若想得到有效地提升，本论文则首先从复合性的钻进、改良钻头的样式设计、提速工具等层面进行了技术上的措施总结，并根据我国部分油田的亲身实践取得的成效进行说理论证。

2.1 强化性的钻井技术

2.1.1 高温直螺杆的高效PDC钻头复合钻井技术

传统的常温直螺杆耐高温最高为1200C，在高温度的深井中作业时长仅仅为十小时，但在我国，通常将抗高温超出了120℃的螺杆称为高温螺杆。此项技术的提速机理主要在于，它是在基于延伸螺杆的长度上再延伸其使用的时长，并提升PDC的钻头破岩的整体功效。下图为我国某油田的使用情况，可进行参考对比：

2.1.2 涡轮钻具与金刚石钻头的复合钻井技术

涡轮速度的复合钻井的提速原理就在于，此技术是根据钻井液推动涡轮叶片,并驱动钻机击破岩石，致其破碎。当排出到一定的量时，输出的转矩和速度可以相互转换,其耐高温性能良好，在较高温度的井段环境下作业时长可高达九百小时。涡轮钻具可以分为高速涡钻钻具与低速涡轮钻具,前者是极高的转动速度，但转矩很小；后者转动速度极小，但扭矩大。根据不同的地质岩石的性质,择取不同的漩涡钻，并配合不同的钻头,可以大大提升深井机械的钻速能力。 2.1.3 旋冲工具复合钻井技术

此旋冲工具主要由电机和液压锤组合而成,此工具击破岩石的方法可以解析为旋转岩石破坏和击破岩石钻井的过程。旋冲工具工作时，石钻钻孔和岩石影响高压力的冲击作用,牙齿与岩石接触压力集中,岩石内部分子受到压迫振动，从而使之疲劳，进而被损伤，遭到破坏。同时,形成大规模削减的脆弱断裂。此外,受到连续攻击的影响，在井底岩层的表面形成了不同裂纹，且逐渐延长，帮助创建剪切和旋转剪切破碎岩石体,增加岩石碎片的结果。该工具对硬脆性岩石加速的成效显著,但并不适用于塑料性的地层。

2.2 钻头优化的提速技术

在深井钻井中，钻头占据主要地位,钻头和地层的适应能力直接决定了钻探的效率。由于深层地下的形成时期具有强大的耐磨层,且可钻性差,因此务必采取合理的改良设计技术,设计钻头样式，以便与深层地下的岩石相适应。

2.2.1 牙轮钻头改良技术

牙轮的钻头改良设计技术囊括了切削齿形的形态样式和和排列分布、从而增加受力区域，减轻了集中的受力情况，改善耐冲击的性能；优化切削齿的刀具材料和碳化钨材料,提高牙齿的抗磨性;改良排列分布的钻石测量，以提高测量齿的耐磨性；改良金属密封轴承和轴承涂层、轴承几何形态等,从而提升抗磨的性能；改良喷嘴的形状,以提升井底的洁净能力。例如，四川须家河组深层地下采取改良过后的采用优化过后的牙轮钻头技术，将机械的钻速从0.88m/h提升至1.33m/h，整体速度得以提升；塔里木油田三叠系、二叠系的深层地下使用改良后的牙轮钻头后，使机械的钻速从

3.45m/h提高到

4.21m/h,使用成效显著。

2.2.2 PDC钻头改良技术

常见的PDC钻头是在极强的耐磨性地层中凿取强劲的磨料形成的钻头。钻头主要由于粘滑振动的复合片破裂,从而导致其迅速破裂。改良PDC钻头首要将关注度放在耐磨性和耐冲击钻头的特点上,首要的改良技术有提升钻头工作顺利稳定的切割技术,紧凑型磨削阻力技术、复合片与基体贴合技术、刚体表面硬化处理技术等等。

3 结论与建议