提高深井机械钻速的有效方法

提高深井机械钻速的有效方法

杨 谋，孟英峰，李 皋，李永杰，贾 虎

（油气藏地质及开发工程国家重点实验室·西南石油大学，成都610500）

摘要：从研究深层岩石的物理特性出发，对不同钻井方式下（欠平衡钻井、气体钻井、 控压钻井）的破岩机理和效率进行分析，在高压水射流、开发适应地层的破岩工具以及改进井下动力钻具等辅助破岩方面提出了相关见解。

关键词 ：机械钻速；钻井技术；破岩效率

随着我国浅层油气资源的不断枯竭，在深部硬地层以及复杂地质条件下寻求油气发现是 目前陆地勘探开发的重要工作。在深井钻探中，岩石的物理特性在高温高压下已发生了改变。随着井眼轨迹和井身结构的复杂程度不断增加，钻压的传递和施加非常困难，从而严重降低了传统钻井方法的破岩效率和机械钻速。研究新的破岩方法和机理，形成新的钻井技术，以提高钻井的效率与效益，已成为钻井工程领域面临的事关可持续发展的战略任务。

1 深层岩石的物理特性

岩石一般都存在地质缺陷，如裂纹、断裂面、节理、断层、孔洞等，也是由多种矿物晶粒、胶结物等组成的复合体，使得岩石结构呈现非连续、非均匀、各向异性和非弹性等特征， Hudson 将这种材料叫做DIANE 材料。岩石在同一受力条件下，由于其孔隙结构和胶结物的不同，破坏形式存在很大的差别。Terzaghi 方程描述了多孔介质与应力之间的关系，反映了岩石的物理性质和强度特征[ 1 ]，即

）（?σμ?σ-+=1t

式中，t σ为垂直方向上的应力（总应力），MP a ；μ为空隙流体压力，MPa ；?为孔隙度，%；σ为平均应力（颗粒间应力或垂直方向分力），MPa 。

2 压差对机械钻速的影响

在大多数油井的钻探中，由于泥浆密度偏高或地层压力偏低，以及循环泥浆所产生的附加压力和由钻屑引起的循环当量密度增加，使井底承受较大的附加压力，即产生井底压持效应。大量的试验研究和生产实践都已证明，欠平衡钻井技术、气体钻井技术等钻井方式能很好降低井底的压持效应，提高机械钻速[2 -3]。

2.1 欠平衡钻井技术

欠平衡钻井是钻井液液柱压力小于地层孔隙压力，仍大于地层破裂压力，在钻井过程中允许地层流体进入井筒，循环出井，并在地面得到控制的一种钻井方式。欠平衡钻井已经实现了雾化钻井、泡沫钻井、充气液钻井、泥浆帽钻井等钻井方式和低压固井完井技术。

2.1.1 钻井提速机理

欠平衡钻井主要是降低了井底围压，也就是相当于使岩石的抗钻强度降低。在高围压下会增大岩石“各向压缩效应”。导致岩石压人强度（即岩石硬度）增加和塑性增大，破碎过程中齿坑尺寸显著减小，破碎岩石的体积减小，机械速度降低[4]。这种影响，对岩石硬度较小的地层尤其明显。另外，液柱压力对破碎坑中的岩屑有“压持作用”，导致重复切削。

2.1.2提速效果

伊朗TBK气田从地表到目的层，地层发育好，孔隙大、溶洞多，中国长城钻井公司采用欠平衡钻井技术不但有效地解决了井漏问题，而且大幅地提高了机械钻速。磨溪提速从2005-1-23提出，截至6月底，完成钻井14口，平均机械钻速由2.06m/h 提高到5.33m/h；平均钻井周期由原来的138d缩短到53d。

2.2气体钻井技术

气体钻井技术是在欠平衡钻井技术基础上发展起来的一项钻井技术，气体钻井利用氮气、天然气、二氧化碳、空气和柴油机尾气等多种气体作为钻井循环介质，从根本上避免了常规钻井技术发生储层损害的物质基础。气体钻井可以使钻速提高4~14倍，钻头寿命延长2~6倍。越是深井、硬地层，提速效果越显著。

2.2.1提速机理

岩石处在受拉作用下最易破坏。通过数值模拟发现气体钻井过程中井底岩石上凸，即井内气柱极大地改变了井底应力状态，地层孑L隙压力在负压差条件下产生向井内的“推力”，该“推力”有促使井底岩石破碎的趋势。这种凸起还利于钻头和井底岩石的接触，提高切削效率[5]。同时，在气体钻井中，钻头迅速的冲击力会使岩石产生较高的温度，通过热传递作用，使得钻头下部岩石内的水分快速蒸发，导致吸水膨胀的黏土矿物收缩、岩石颗粒发生粒间及粒内开裂，有利于破岩。此外，气体钻头井底清洁程度高，减少了井底钻屑的重复破碎及研磨[6]。

2.2.2提速效果

伊朗TBK-2井，三开井段采用泥浆钻进，机械钻速1.46m/h。TBK-3井首次尝试纯空气钻进施工，11h39min完成进尺131m，平均机械钻速l1.2m/h。图1是窿9井在不同钻井方式下的平均机械钻速对比。

2.3 控压钻井技术

控压钻井--MPD(Managed Pressure Drilling)是一种经过改进的钻井程序，它可以精确控制整个环空井筒的压力剖面，保证井筒环空与井底压力的精确控制，能够快速调节环空钻井液当量循环密度，使井底压力恒定在一定范围之内，降低或避免常规钻井问题[7]。塔里木油田在碳酸盐岩目的层全面实施了欠平衡及控压钻井技术，较好地解决了窄密度窗口下的安全钻井问题。表1是塔中722井控压钻井与常规钻井效果对比。 3 高压水射流破岩

高压水射流是在机械刀具和水射流二者的共同作用下达到一种耦合效果。高压水侵入裂纹后，便在裂隙内以液压楔人的形式作用于裂纹表面，当压力达到岩体的抗拉强度极限时，裂纹迅速扩展，从而导致岩石的破裂。

标准岩样水力冲蚀辅助破岩的试验表明[1]，岩石的强度、孔隙度和井底压差是影响辅助破岩的重要因素。破岩效率与强度特征和井底压降成反比，与物理特性成正比。依据岩石的抗压强度和井底压差辅助破岩的实验结果进行统计分析，得出了射流辅助钻井破岩的门限压力计算式为

23.1p J P P 26.0P ?+=

式中，J P 为射流压力，MPa ；Pp 为岩石抗压强度，MPa ；△P 为井底压差，MPa 。

20世纪70年代，美国壳牌和埃克森石油公司分别进行射流辅助PDC 钻头破岩试验，钻速提高了3倍左右。20世纪90年代，美国Flowdrill 公司采用增压技术进行了辅助钻头破岩试验，钻速提高了1.5~2.5倍。

4 改进破岩工具与井下动力钻具

4.1破岩工具

钻头研制的关键技术是高转速、抗冲击载荷、切削齿和水力系统的创新和改进，并根据油气田特殊地层和钻井方式开发配套新型钻头。2006年，苏里格气田针对该区

块地层设计的个性化PDC钻头在苏14区块21口井的试验，平均机械钻速达到11.02m/h，钻井周期缩短到21d。

4.2井下动力钻具

目前，国内外开发和利用的井下动力钻具主要有容积式螺杆钻具、叶片式涡轮钻具、电动钻具3种。这3种井下钻具都有各自的优点，在不同时期都得到交替上升的迅速发展[8-9]。

a)螺杆钻具优点是具有低速大扭矩的硬特性；过载能力强，操作方便。缺点是需定排量工作，有横向振动；对油基钻井液敏感，橡胶定子耐高温性差。普光4井在飞仙关地层采用PDC钻头+螺杆复合钻井，机械钻速是牙轮钻头的3.4倍。

b)涡轮钻具优点是具有高速大扭矩的软特性，无横向振动，机械钻速高；耐高温，适宜于深井和高温环境下作业；对油基钻井液不敏感。缺点是钻具较长，适用范围小；安装调整轴向间隙较繁琐。国外用涡轮钻具钻井一般能节省钻时40％~50，节约钻井成本的1/3。在我国，其机械钻速为转盘钻井的1.6~4.0倍，可降低直接钻井成本30％~40。

c)电动钻具直流电动钻具兼有上述2种液动钻具的优点，调速范围宽，过载能力强，功率利用率高，井下信息的通讯容量大，井眼轨迹控制精度高，可适应在重钻井液条件下工作，是一种很有发展前途的井下动力钻具。土库曼斯坦5口5000m左右的深井是用电动钻具钻成的，平均机械钻速为转盘钻井的1.8倍。

目前国内外也在发展激光钻井技术、粒子冲击钻井技术以及电热能钻井技术等。经过现场试验，都取得了良好的提速效果，这些也是未来钻井提速的发展趋势。

5 结论

1)在地质和设备允许的条件下，应多采用气体钻井方式，同时也要多积累气体、泡沫、雾化钻井方式相互转换的理论依据及现场经验。

2)改进及完善目前井下破岩工具及动力钻井钻具的性能与效率，使其更好地适应井下的环境，从而缩短建井周期。

3)激光、粒子冲击以及电热能等钻井技术是未来钻井提速发展的趋势，应多加强这方面的理论与实践研究。

参考文献：

[1]熊继有，钱声华．钻井高效破岩新进展[J]．天然气工业，2004，24(4)：27-29．

[2]李昱，张海滨．液动冲击旋转钻井技术及其发展趋势[J]．石油矿场机械，2006，35(3)：107-109．

[3]苏义脑．空气钻井工作特性分析与工艺参数的选择研究[J]．石油勘探与开发，2005，32(2)：86-90．

[4]胡湘炯，陈庭根．压差因素对钻速影响的统计分析EJ]．石油学报，1988，9(1)：95-100．

[5]林铁军．气体钻井中岩石力学及钻进过程仿真模拟ED]．成都：西南石油大学，2006．

[6]李皋，孟英峰．砂岩储集层微波加热产生微裂缝的机理及意义[J3．石油勘探与开