2. 西南石油大学石油与天然气工程学院, 四川成都 610500
2. College of Petroleum Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan, 610500, China
HLHT区块是塔里木油田开发碳酸盐岩油气的重点区块，所钻遇地层自上而下依次为第四系、新近系、古近系、白垩系、侏罗系、三叠系、二叠系、石炭系、泥盆系、志留系和奥陶系，目的层为奥陶系[1]。该区块储层埋藏深 (5 000.00~8 000.00 m)，由于下部地层硬度高、研磨性强、可钻性差，导致机械钻速低、钻井周期长，如H8井平均机械钻速只有3.97 m/h，钻井周期长达201.5 d。为提高该区块的机械钻速，缩短钻井周期，超深井采用了三开井身结构，其中二开井段跨越了新近系至奥陶系上部10个层系，长度超过5 000.00 m，占全井井深的75%以上，是影响钻井速度的关键。为此，塔里木油田在分析二开井段地层可钻性的基础上，通过优选钻头和提速工具，进行多种提速技术的现场试验，形成了HLHT区块超深井钻井提速配套技术，并进行了推广应用，钻井提速效果显著，平均钻井周期由131.0 d缩短至86.1 d，缩短了34.3%，平均机械钻速从5.55 m/h提高至8.82 m/h，提高了58.9%。
1 钻井技术难点新近系—三叠系地层岩性以泥岩、粉砂岩和砂岩为主，地层松软、倾角较大且厚度大，钻井过程易发生井斜；泥岩吸水性强，易造浆形成虚厚滤饼，导致井眼扩径、起下钻困难和井壁垮塌；侏罗系地层含少量砾岩，极易损坏PDC钻头。
二叠系和石炭系地层岩性复杂，主要为玄武岩、砂岩和泥岩，地层硬度高达2 232.54 MPa，可钻性级值6~8(见表 1)，可钻性差。二叠系地层的玄武岩致密、性脆、硬度极高，如采用PDC钻头钻进，极易造成PDC钻头崩齿，若采用牙轮钻头钻进，机械钻速极低且钻头磨损快，如H11-1井使用PDC钻头钻进二叠系玄武岩地层时的机械钻速为1.84 m/h，而使用牙轮钻头时的机械钻速为1.31 m/h。二叠系地层在钻进过程中还易发生垮塌和井漏，是该区块钻井难度最大的地层。部分井石炭系地层含砾岩，对PDC钻头有极强的破坏性。
| 井名 | 井深/m | 地层 | 岩性 | 可钻性级值 | 硬度/MPa | 抗压强 度/MPa | 相对 研磨性 | |
| 三牙轮钻头 | PDC钻头 | |||||||
| H1井 | 4 359.00 | 侏罗系 | 砂泥岩 | 4.17 | 3.39 | 436.38 | 84.05 | 51.8 |
| 4 803.00 | 三叠系 | 细砂岩 | 4.82 | 3.48 | 975.63 | 105.60 | 78.1 | |
| 5 291.00 | 二叠系 | 凝灰岩 | 6.58 | 5.19 | 1 581.26 | 142.70 | 86.1 | |
| 5 486.00 | 二叠系 | 玄武岩 | 7.65 | 6.10 | 1 932.63 | 193.95 | 92.7 | |
| 5 877.00 | 石炭系 | 细砂岩 | 7.93 | 6.85 | 2 232.54 | 221.20 | 101.7 | |
| 6 153.00 | 泥盆系 | 细砂岩夹泥岩 | 7.76 | 6.47 | 2 032.64 | 208.30 | 97.5 | |
| H5井 | 3 802.00 | 第三系 | 灰色细砂岩 | 4.05 | 3.14 | 368.62 | 76.85 | 76.7 |
| 5 891.00 | 石炭系 | 浅灰色细砂岩 | 7.84 | 6.43 | 2 135.20 | 214.20 | 100.8 | |
| H6井 | 5 960.00 | 石炭系 | 砂岩、砾岩 | 7.15 | 6.07 | 1 771.14 | 200.70 | 93.7 |
| 6 305.00 | 志留系 | 砂岩 | 7.62 | 6.31 | 1 912.60 | 204.90 | 102.4 | |
| 7 043.00 | 奥陶系 | 灰岩 | 6.38 | 5.02 | 1 463.60 | 138.30 | 85.2 | |
泥盆系—奥陶系地层主要为砂泥岩互层、泥灰岩和灰岩地层，地层硬度最高超过2 000.00 MPa，抗压强度高达208.30 MPa，可钻性差，砂岩研磨性强 (见表 1)，导致机械钻速慢且钻头磨损快，如H801井钻进799.00 m长的井段用了12只钻头，机械钻速仅0.96 m/h；夹层多且夹层之间抗压强度差别大，对钻头损害大。
2 钻井提速配套技术针对HLHT区块超深井钻井技术难点，在优化井身结构的基础上，通过分析实钻资料和岩心试验结果，针对不同地层特点，优选钻头并与不同工具配套，形成了适合该区块超深井的钻井提速配套技术。
2.1 井身结构优化该区块超深井开始采用常规四开井身结构，随着对该区块地层特性认识的逐渐深入，发现常规四开井身结构存在套管层次多、成本高、生产套管尺寸不能满足生产需要等问题，并且在钻进φ152.4 mm井眼时只能使用φ88.9 mm钻杆，钻具尺寸小、泵压高，并且井下故障频发，如H8井在钻进目的层过程中发生多起漏失和卡钻故障。常规四开井身结构为：一开井段，采用φ444.5 mm钻头钻进，下入φ339.7 mm套管；二开井段，采用φ311.1 mm钻头钻进，下入φ244.5 mm套管；三开井段，采用φ215.9 mm钻头钻进，下入φ177.8 mm套管；四开井段，采用φ152.4 mm钻头钻进，下入φ127.0 mm套管。
针对该区块裂缝孔洞型储层的特性及生产开发需要，将φ152.4 mm井眼增大为φ168.3 mm或φ171.5 mm井眼，裸眼完井。由于非目的层为正常压力体系、没有必封点，并且非目的层井眼稳定性较好，满足目的层之上钻长裸眼井段的要求，因此省去φ244.5 mm套管，将技术套管从φ177.8 mm增大为φ200.0 mm，下至储层顶部，一次封固长5 000.00 m左右的井段。最终将超深井井身结构优化为塔标Ⅲ三开井身结构：一开井段，采用φ406.4 mm钻头钻进，φ273.1 mm套管下至井深1 500.00 m左右；二开井段，采用φ241.3 mm钻头钻进，φ200.0 mm套管下至井深6 500.00 m左右；三开井段，采用φ168.3 mm或171.5 mm钻头钻至井深6 800.00 m左右，裸眼完井。简化后的井身结构主要有2个优点：二开井段长度超过5 000.00 m，占全井井深的75%以上，且φ241.3 mm井眼与φ215.9 mm井眼相比，能够应用更大功率的动力钻具; 在三开井段钻进时可用φ101.6 mm钻杆代替φ88.9 mm钻杆，从而可以降低循环压耗，增强井眼清洁能力，例如排量为15 L/s时，井深6 500.00 m处的循环压耗可降低31.7%。
2.2 钻头和提速工具优选由表 1可知，二开井段地层的PDC钻头可钻性级值普遍低于牙轮钻头可钻性级值，说明该地层更适合采用PDC钻头钻进，而且与牙轮钻头相比, PDC钻头具有结构简单、寿命长的优点，适合钻进长井段。但PDC钻头存在一些缺陷，如井下振动容易对PDC钻头造成破坏，大幅缩短PDC钻头使用寿命[2-4]，必须使用与地层和PDC钻头相适应的提速工具，以提高钻井速度。根据地层的可钻性和实钻井地层岩性特征，可将二开井段新近系—奥陶系上部地层分为3个层段，即新近系—三叠系、二叠系和石炭系—奥陶系，分层段优选钻头和提速工具。
二开上部新近系—三叠系地层 (1 500.00~5 500.00 m井段) 的PDC钻头可钻性级值为3.14~3.48，抗压强度相对较低 (76.85~105.60 MPa)，且该段地层为软—中硬地层，可钻性较好，但实钻过程中发现存在钻头泥包现象，因此应选用攻击性较强、能有效防止泥包的PDC钻头，如应用效果较好的φ19.0 mm复合片5刀翼的STS915K型和MS1952SS型PDC钻头。从其他油田使用经验看，螺杆钻具+PDC钻头是一种效果稳定、经济性很好的提速技术，但存在螺杆钻具使用寿命较短的问题，钻穿该段地层一般需要2~4根螺杆钻具，起钻更换螺杆钻具会影响钻速的提高。因此，需要选用长寿命大扭矩的螺杆钻具与PDC钻头配合，以减少起下钻次数达到提高行程钻速的目的。
二开中部二叠系地层 (5 200.00~5 700.00 m井段) 的PDC钻头可钻性级值为5.19~6.10，抗压强度高 (142.70~193.95 MPa)，相对研磨性强 (86.1~92.7)，为中硬—极硬地层，但地层成岩性差，如采用常规PDC钻头钻进，容易发生崩齿现象；如采用HJ517G型牙轮钻头钻进通常要用3~5只才能钻穿二叠系地层，且单只钻头进尺少，平均机械钻速低。通过调研国内外提速工具，选用能够提供周向振动的扭力冲击器和能提供轴向冲击的旋冲钻井工具与PDC钻头配合，以提高PDC钻头的破岩效果。
二开下部石炭系—奥陶系地层顶部 (5 700.00~6 500.00 m井段) 主要为砂泥岩互层，PDC钻头可钻性级值为5.02~6.85，抗压强度极高 (138.3~221.2 MPa)，相对研磨性极强 (85.2~102.4)，为硬—极硬地层，可钻性差。因此，选用扭力冲击器、旋冲钻井工具和脉冲射流类钻井工具与PDC钻头配合使用，以提高PDC钻头的破岩效果。
2.3 主要提速技术 2.3.1 X-treme螺杆钻具+PDC钻头复合钻井技术常规螺杆钻具存在使用寿命短、单趟进尺短、性能不稳定等问题，为此引进了X-treme系列长寿命大扭矩螺杆钻具。与常规螺杆钻具相比，其定子和外壳更坚固，等壁厚定子与转子之间的密封性更好，定子耐温性能更高，同一尺寸下X-treme螺杆钻具的转速、工作排量、扭矩和输出功率等要比常规螺杆钻具高 (见表 2)。现场试验表明，X-treme螺杆钻具具有寿命长、扭矩大、动力强、稳定性高、工作时间长、能耐160~190 ℃高温的特点，适用于绝大多数钻井液体系[5-8]。
| 螺杆类型 | 直径/
mm | 转速/
(r·min-1) | 工作排量/
(L·s-1) | 扭矩/(N·m) | 钻压/ kN | 最高使用 温度/℃ | 输出功 率/kW | |||
| 额定 | 最大 | 额定 | 最大 | |||||||
| X-treme | 203.2 | 85~195 | 25.0~56.6 | 15 900 | 19 875 | 200 | 300 | 190 | 325 | |
| 172.0 | 90~220 | 16.7~41.6 | 7 840 | 9 800 | 160 | 240 | 160~190 | 158 | ||
| 常规 | 203.2 | 79~158 | 18.5~37.1 | 6 277 | 8 866 | 155 | 250 | 120 | 130 | |
| 172.0 | 78~154 | 15.8~31.6 | 5 200 | 7 345 | 100 | 170 | 120 | 118 | ||
为了解决采用常规钻井技术和螺杆钻具+PDC钻头复合钻井技术钻进二叠系硬脆性玄武岩地层过程中存在的破岩效果差、机械钻速低等问题，引进应用了Torkbuster扭力冲击器+专用PDC钻头钻井技术。Torkbuster扭力冲击器将钻井液的能量转换成高频、均匀稳定的扭向机械冲击能量直接传递给PDC钻头，使PDC钻头在转盘提供的扭力和Torkbuster提供的高频扭向冲击力作用下连续切削地层，消除粘滑现象，减少钻具组合的扭力振荡，提高破岩效率。Torkbuster扭力冲击器为纯机械结构的钻井工具，失效后不影响正常钻进[9-13]。
由于常规PDC钻头无法适应扭力冲击器的工作特性，甚至会快速失效，因此Torkbuster扭力冲击器必须与具有良好耐磨性和极高抗冲击性的专用PDC钻头配套使用。
2.3.3 旋冲钻井工具+高效PDC钻头钻井提速技术旋冲钻井技术是在钻头上部连接液动冲击器 (即旋冲钻井工具)，液动冲击器将钻井液的能量转换成高频轴向冲击力传递给PDC钻头，使PDC钻头在旋转和冲击的联合作用下破岩。旋冲钻井技术优化了钻头的破岩方式，能够减缓钻头磨损、延长钻头使用寿命、提高破岩效率，大幅度提高钻井速度[14-17]。
2.4 钻井提速技术集成方案根据各提速技术的特点和地层的适应性，并结合其他区块的钻井经验，制定了HLHT区块二开井段钻井提速技术集成方案：1) 二叠系以上地层，采用长寿命大扭矩螺杆/国产高效螺杆+ STS915K型或MS1952SS型高效PDC钻头复合钻井技术；2) 二叠系及其以下地层，采用Torkbuster扭力冲击器+U513M型或U613M型专用PDC钻头钻井提速技术。
3 现场应用HLHT区块自2011年开始采用钻井提速技术集成方案，并在应用中进一步优化，平均机械钻速逐年提高，平均钻井周期逐年缩短，平均机械钻速由5.55 m/h提高至8.82 m/h，平均钻井周期从131.0 d缩短至86.1 d (见表 3)。下面以H16-3井为例介绍具体应用情况。
| 年份 | 完钻井深/m | 平均钻井 周期/d | 平均机械钻 速/(m·h－1) | 备注 |
| 2010 | 6 787.00 | 131.0 | 5.55 | 应用前 |
| 2011 | 6 800.00 | 119.2 | 6.14 | 应用后 |
| 2012 | 6 845.00 | 94.2 | 7.50 | |
| 2013 | 6 829.00 | 89.0 | 8.24 | |
| 2014 | 6 843.00 | 86.2 | 8.54 | |
| 2015 | 6 847.00 | 86.1 | 8.82 |
H16-3井完钻井深6 633.80 m，采用了塔标Ⅲ三开井身结构。该井二开井段长5 087.17 m (1 497.83~6 585.00 m)，占全井井深的76.7%，在钻进新近系—奥陶系上部地层过程中应用了钻井提速技术集成方案：1 536.00~5 464.00 m井段 (新近系—三叠系地层) 采用高效螺杆+PDC钻头复合钻井技术，平均机械钻速19.21 m/h，与采用常规螺杆钻具+PDC钻头复合钻井技术的邻井H16-1井相同井段相比，机械钻速提高了86.5%；5 464.00~6 450.00 m井段 (二叠系—志留系地层) 采用扭力冲击工具+专用PDC钻头钻井提速技术，平均机械钻速6.30 m/h，与采用常规钻井技术的邻井H16-1井相同井段相比，机械钻速提高了157.1%。H16-3井二开井段4趟钻完成，钻井时间28.0 d，而邻井H16-1井二开井段13趟钻完成，钻井时间56.0 d，钻井提速效果显著，为全井钻井周期的缩短奠定了基础。H16-3井钻井周期仅47.1 d，平均机械钻速12.49 m/h，与邻井H16-1井相比，钻井周期缩短了66.8%，机械钻速提高了93.9%。该井创造了塔里木油田井深6 500.00 m以深超深井最短钻井周期纪录。
4 结论与建议1) 针对HLHT区块碳酸盐岩地层的特性和开发需要，将井身结构优化为塔标Ⅲ三开井身结构，为该区块的钻井提速奠定了基础。
2) 针对HLHT区块二开钻遇地层的特点，优选了适用的钻头和与之配套的提速工具，并结合其他区块的钻井实践经验，制定了该区块二开钻井提速技术集成方案。
3) 现场应用表明，HLHT区块应用二开钻井提速技术后，平均机械钻速逐年提高，平均钻井周期逐年降低。
4) HLHT区块在钻井过程中还存在井漏等影响钻井速度的井下复杂情况，建议开展地层岩石力学等研究，以解决影响钻井速度的问题，进一步提高钻井速度。
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