摘　要：塔北地區目前是塔里木盆地增加油氣儲量的重點區域，然而該區儲層埋藏深，上部地層傾角較大、下部地層可鉆性差，導致機械鉆速低、鉆井周期長。為此，重點在近4100m進尺的；Æ241.3 mm井眼段以提高機械鉆速和行程鉆速為目標，采集該區3口井的侏羅系—奧陶系的巖心來測定地層可鉆級值等巖石力學參數，試驗優選出適應的高效提速技術措施：上部新近系—三疊系井段采用抗高溫等壁厚X-treme螺桿配合PDC鉆頭復合鉆進，下部三疊系—奧陶系井段采用扭力沖擊器TorkBuster配合專用PDC鉆頭鉆進。試驗結果表明，上述兩種技術的結合使用大幅度提高了第二次鉆進的Æ 241.3mm井段的機械鉆速。井深達6785m的9號直井全井平均機械鉆速達到了l0.69m／h，較鄰井9 2號井的6.72m／h提高了59.07％；鉆井周期僅55d，較鄰井9-2號井鉆井周期減少了33.46d，下降幅度達37.83％；目前，該技術已在塔北地區得到了推廣應用。

關鍵詞：塔里木盆地  北部地區  可鉆性差　X-treme螺桿  扭力沖擊器  機械鉆速

ROP enhancing technologies and their application in deep wells in the northern Tarim Basin

Abstract：Hydrocarbon reservoirs in the northern area are the most potential pay zones contributing to the increase of oil and gas reserves in the Tarim Basin．However，well drilling is challenging there with a low ROP and a long drilling cycle due to dissatisfactory geological factors，such as the great buried depth of such reservoirs，the big stratigraphic dip of upper bed layers，the poor drillability of lower bed layers，and so on．In view of this，this paper aims to find an efficient way to significantly improve the ROP and the drilling rate of a trip，focusing on such well sections with the borehole diameter of Æ241.3mm and the drill footage of 4，100m in this study area．First，the core samples from the Jurassic-Ordovician formations were coilected from three wells therc to test the me chanical properties of rocks，such as the measurement of the formation drillability．On this basis，adaptable technical measures for improving the ROP and the drilling rate of a trip were optimally selected through experiments．In the well sections through the upperparts of Neogene-Triassic Fms，the composite drilling was applied with X-treme^TM nlotors and PDC drill bits；in the lower well seetions through the lower parts of Neogene-Triassic Fins，the ForkBuster motor was chosen together with the specific PDC drill bits．In this way，the ROP of such．Æ241.3mm well sections was highly enhanced in the second spud-in．In thc vertical well of 9^#with a total depth of 6，785m，the average ROP reached up to 10.69m／h，which was increased by 59.07％compared to that of 6.72m／h in the neighboring well 9-2^#；its drilling cycle is only 55 days，which is decreased by 37.83％ compared to that of 88.46 days in the well 9-2^#．By till now，the above technical measures have been widely applied in wells in the northern tarimTM Basin．

Key words：Tarim Basin，north，drillability，X-treme motor^TM，TorkBuster，ROP

塔北地區位于塔里木盆地北部，目前是塔里木油田探明油氣儲量最多、富集程度最高的地區^[1]，已發現了哈拉哈塘、新墾、熱普等油氣區塊，也是堪探開發的重點區域。古生界海相奧陶系為該地區主力產層，由于遭受多期巖溶作用，儲層以巖溶縫洞型為主^[2]。該地區儲層埋深大，通常在5000～8000m；地質條件復雜，上部地層松軟、傾角較大，鉆井過程中易井斜；下部地層溫度高、壓力大，巖石堅硬，可鉆性差，導致機械鉆速低，鉆井周期長，嚴重制約了油氣勘探開發的進度。針對這些提速難點，優選出對該地區適應性良好的高效提速措施，即上部新近系—三疊系井段采用抗高溫等壁厚螺桿+PDC鉆頭復合鉆井技術、下部三疊系—奧陶系井段采用扭力沖擊工具+專用PDC鉆頭提速技術。實踐表明，該措施提速效果顯著。

1　鉆井提速難點

塔北地區地層自上而下主要為新生界第四系、新近系、古近系，中生界白堊系、侏羅系、三疊系，古生界二疊系、石炭系、泥盆系、志留系、奧陶系，部分區塊存在層位缺失。實鉆資料顯示古生界機械鉆速慢，為提速瓶頸地層。因此以該地區哈拉哈塘區塊為例，進行了一定數量的此井段巖心室內測試，測試結果如表1所示。根據實鉆資料和巖心室內試驗結果，總結塔北地區鉆井提速難點如下。

1)新近系—三疊系：主要為泥巖、粉砂巖和砂巖，侏羅系含少量的礫巖。地層松軟、傾角較大，鉆進過程易井斜；泥巖吸水性強，易造漿形成虛厚泥餅，起下鉆困難；含礫砂巖對PDC鉆頭極具破壞性；偶爾出現少量煤層，易導致井壁垮塌，造成井眼擴大和井壁失穩。

2)二疊系：巖性復雜，主要為玄武巖、砂巖和泥巖互層。地層硬度大，達l581.26MPa，可鉆性差，三牙輪可鉆性級值達7.65，PDC鉆頭可鉆性級值達6.1；玄武巖致密、性脆、硬度極高，耐磨性強，對鉆頭傷害極大，導致跳鉆現象，崩壞PDC鉆頭切削齒；PDC鉆頭失效造成多余的起下鉆，而換成牙輪鉆頭后機械鉆速極低，多分布于1～2m／h，低至1m／h，導致鉆井周期增大，為該地區鉆井難度最大的地層。圖l為塊狀玄武巖屑照片。

3)石炭系一志留系：主要為砂泥巖不等互層、石灰巖和礫巖。地層堅硬，硬度達2232MPa，抗壓強度達221.2MPa，可鉆性差，砂巖研磨性強，機械鉆速慢且鉆頭損耗快，PDC鉆頭平均機械鉆速約為2m／h，而三牙輪鉆頭平均機械鉆速約為1.5m／h；部分區塊石炭系含有砂礫巖(圖2)，對PDC鉆頭破壞性強。

4)志留系—奧陶系中上部：主要為細砂巖、泥巖和泥灰巖。巖石抗壓強度達到200MPa，硬度大，可鉆性差；夾層多且夾層之間強度差別大，易導致PDC鉆頭出現崩齒現象。

5)奧陶系中下部：主要為夾泥質灰巖和石灰巖。地層硬度大，抗壓強度高，達138MPa，可鉆性差；鉆遇灰巖裂縫，應力敏感，鉆井液密度安全窗口窄，易同時溢流井漏；有些地區硫化氫含量高，對井控工作不利。

6)同時，根據哈拉哈塘地區奧陶系主力產層段實測溫壓資料統計分析，地溫梯度約2.1℃／l00m，壓力系數介于l.05～1.20，目的層溫度達145℃，地層壓力75MPa，高地層溫度導致常規螺桿等提速工具工作時間短、提速效果差。

綜上可知提速難點主要為地質條件復雜，上部地層松軟、傾角較大，鉆進過程易井斜；深部古生界地層為提速瓶頸，地層溫度高、壓力大，巖石堅硬，研磨性強，可鉆性差，機械鉆速低，鉆井周期長。

2　高效提速措施

目前塔北主要應用Æ273.05mm表層套管×Æ200.03mm技術套管×裸眼的井身結構，目的層奧陶系埋深介于6500～7100m，第二次開鉆的Æ241.3mm井段主要集中在1500～6600m，并且提速瓶頸位于其下部井段，因此第二次開鉆的Æ241.3mm井段的高效提速措施能夠大幅降低鉆井周期，提高綜合勘探開發效果。通過理論和現場應用分析，優選出的第二次開鉆的Æ241.3mm井段的高效提速措施為上部采用抗高溫等壁厚螺桿+PDC鉆頭復合鉆井技術而下部采用扭力沖擊工具+專用PDC鉆頭提速技術。

2．1　抗高溫等壁厚螺桿+PDC鉆頭復合鉆井技術

2．1．1等壁厚螺桿簡介與提速原理

X-treme等壁厚螺桿的基本結構和常規螺桿相同，最大的特點是采用耐高溫橡膠的等壁厚定子^[3]，具有長壽命、大扭矩、耐高溫和適應絕大多數鉆井液體系等優點^[4]。

螺桿與轉盤復合鉆進時，PDC鉆頭轉速等于轉盤與螺桿轉子轉速之和，從而能高轉速切削巖石，提高破巖效率和機械鉆速；同時+螺桿+PDC鉆頭高轉速復合鉆進時能改善鉆柱的受力情況，減少鉆柱的彎曲程度，降低井下鉆具事故，起到了良好的防斜糾斜效果引，達到了防斜打快的目的。

2．1．2應用效果與分析

X-treme螺桿(Æ203mm)+PDC鉆頭復合鉆井技術在塔北地區哈拉哈塘、新墾、熱普區塊13口井第二次開鉆的Æ241.3mm井眼上部井段進行了應用，應用地層為新近系—三疊系、部分井進入二疊系頂部，平均單井進尺3631.3m，平均機械鉆速和行程鉆速分別為l6.66m／h和11.89m／h，表2為X-treme螺桿(Æ203mm)與鄰井常規螺桿應用情況對比。

塔北地區的應用效果表明，X-treme螺桿4-PDC鉆頭復合鉆井技術提速效果顯著。在第二次開鉆的Æ241.3mm上部井段平均機械鉆速和行程鉆速分別達16.66m／h和ll.89m／h，與鄰井同井段應用常規螺桿相比，分別提高66.1％和55％；大部分井實現第二次開鉆的Æ241.3mm井眼一趟鉆從新近系鉆至三疊系，單趟最大進尺達4136m，而鄰井同井段需2～4根螺桿，因此減少起下鉆次數；平均單井節約時間達6.99d，降低了鉆井周期；具有長壽命、大扭矩、耐高溫等優點的X-treme螺桿配合PDC鉆頭復合鉆井技術對塔北地區新近系—三疊系地層適應性良好。

2．2　扭力沖擊工具+專用PDC鉆頭提速技術

2．2．1　TorkBuster提速機理及優點

在正常鉆井條件下，PDC鉆頭能夠連續地剪切地層(圖3-a)。而PDC鉆頭鉆堅硬地層時，鉆頭經常南于扭矩不足停轉(圖3-b)，此時扭矩能量就會聚集在鉆柱之中，導致鉆柱像發條一樣打卷扭曲(圖3-c)，一旦所需扭矩能量達到剪切破碎地層的能量，鉆頭將以高于正常轉速破巖(圖3-d)。這種猛烈變化運動即為“卡—滑”現象，會導致鉆頭使用壽命降低、下部鉆具事故增加^[6]。

TorkBuster(阿特拉公司)將鉆井液的流體能量轉換成高頻(680～2400次／rain)、均勻穩定的扭向機械沖擊能量并直接傳遞給PDC鉆頭實現瞬時破巖，此時PDC鉆頭上就有兩個力在切削地層，一個是轉盤提供的扭力，一個是TorkBuster提供的扭向沖擊力，相當于每分鐘額外680～2400次切削地層，使鉆頭不需要等待積蓄足夠的能量就可以切削地層，消除了“卡—滑”現象，保持鉆頭對地層切削的連續性(圖3-e)，因此能夠大幅提高機械鉆速，延長鉆柱壽命，提高鉆井效率。

TorkBuster的優點：消除“卡—滑”現象，減少反沖扭力和扭力振蕩；高頻扭沖力能夠提高破巖效率和機械鉆速；純機械構造，無橡膠、電子元件，失效后不影響正常鉆進；延長鉆頭的壽命、減少起下鉆次數，減小下部鉆具組合及鉆桿的疲勞^[7]。

2．2．2應用效果與分析

TorkBuster(Æ165mm)住塔北地區哈拉哈塘、新墾、熱普區塊進行了兩個階段的應用。第一階段配合UD513鉆頭試驗2口井，提速效果不理想。

第二階段對鉆頭進行優化，配合針對塔北地區設計的PDC鉆頭U513M在10口井第二次開鉆的Æ241.3mm下部井段進行了應用，應用地層為三疊系—奧陶系，平均單井進尺1284.5m，平均機械鉆速和行程鉆速分別為4.44m／h和3.2lm／h，與鄰井同井段應用常規鉆井技術相比，分別提高170.7％和181.6％；表3為TorkBuster與鄰井常規鉆井技術應用情況對比，TorkBuster+U513M技術提速效果顯著。

攻克了螺桿等鉆具無法攻克的二疊系極堅硬玄武巖，單趟最大進尺827m，除l5號井因鉆井液不適應地層導致此井段出現5趟起下鉆外，大部分井實現兩趟從三疊系鉆完第二次開鉆的Æ241.3mm至奧陶系，平均單井節約時間達30.27d，大幅降低鉆井周期、提高了鉆井效率；井深6785m的直井9號同時應用了此兩種提速技術，平均機械鉆速l0.69m／h，鉆井周期僅55d，提速效果遠高于鄰井9-2號和其他油田相似深度井^[8-12]。(表4)。能夠消除“卡—滑”現象并保持鉆頭對地層連續切削的TorkBuster配合高抗沖擊的專用PDC鉆頭U513M提速技術對塔北地區三疊系—奧陶系地層具有良好的適應性。

3　結論與建議

1)塔北地區目前是塔里木油田勘探開發的重點區域，然而儲層埋深大；上部地層松軟、傾角較大，易井斜；下部地層溫度高、壓力大，巖石堅硬，可鉆性差，尤其是二疊系玄武巖，導致機械鉆速低，鉆井周期長。

2)針對塔北地區提速難點，并結合理論與實踐分析，優選出高效提速措施，即上部新近系—三疊系井段采用抗高溫等壁厚X-treme螺桿+PDC鉆頭復合鉆井技術而下部三疊系  奧陶系井段采用扭力沖擊工具TorkBuster+專用PDC鉆頭U513M提速技術。現場應用表明，該提速措施能夠大幅提高機械鉆速、降低鉆井周期，對該地區具有良好的適應性；兩種技術結合使用實現了第二次開鉆的Æ241.3mm井段無縫對接鉆井提速，井深6785m的直井9號鉆井周期僅55d，提速效果國內領先。

3)建議在塔北地區大力推廣X-treme螺桿+PDC鉆頭復合鉆井技術和扭力沖擊工具TorkBuster+U513M提速技術，同時優選合適的鉆井液體系與鉆井、水力參數，充分發揮兩種技術的提速效果。

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本文作者：滕學清  白登相  楊成新  何世明  周小君  李寧

作者單位：中國石油塔罩木油山公司

  西南石油大學石油工程學院