泛哈拉哈塘地区整体是在前震旦变质基底上形成的长期发育的巨型古隆起, 发育震旦系至泥盆系海相沉积地层、石炭系至二叠系海陆交互相沉积地层和三叠系至第四系陆相沉积地层。三叠系(T)主要以灰、深灰色泥岩为主, 间夹灰色细砂岩、粉砂岩及薄层泥质粉砂岩、粉砂质泥岩。二叠系(P)主要以灰、深灰色凝灰岩及深灰色玄武岩为主, 与砂泥岩互层。石炭系(C)主要为两套褐灰色厚层泥晶灰岩夹一套灰色中厚层泥岩。泥盆系(D)以浅灰色细砂岩及灰色细砂岩与褐色泥岩互层。志留系(S)以深灰、褐灰色含沥青、沥青质细砂岩及浅灰、灰色细砂岩为主, 间夹薄层灰绿及灰紫色泥岩, 底部发育一套巨厚层状泥岩。二叠系至志留系地层是制约钻井速度的主要井段。

扭力冲击钻井技术是依靠转盘扭转力和扭力冲击发生器的扭转冲击力的复合运动, 共同驱动PDC钻头破岩, 提高PDC钻头破岩效率的一种钻井技术。

扭力冲击发生器是一种纯机械动力工具, 抗温210 ℃以上(图 1)。在钻进时扭力冲击发生器的特殊结构将钻柱内流动的钻井液能量转换成扭转、高频、均匀稳定且足够的机械冲击能量并直接传递给PDC钻头, 以实现瞬间冲击破岩, 就相当于PDC钻头750~1 500次/min切削地层, 这就使钻头不需要等待积蓄足够的能量就可以连续切削地层, 从而克服PDC钻头的黏滑效应, 提高机械钻速, 同时还具有延长钻头寿命的特点。

图  1  扭力冲击发生器

Figure 1.  Torque generator

扭力冲击发生器产生高频周向振动, 瞬时周向线速度非常大, 常规PDC钻头并不适应此工具的工作特性, 甚至会快速失效。这就对配套的PDC钻头提出了新的要求, 要求其具有良好的耐磨性和非常高的抗冲击性。从胎体形状, 布齿方式, 布齿数目, 齿的选材与形态(直径、仰角等)都需要进行全新设计, 所以在使用扭力冲击发生器时必须使用与之相配套的专用PDC钻头(图 2), 才能获得理想的提速效果和经济效益。

图  2  扭力冲击发生器专用PDC钻头

Figure 2.  PDC bit dedicated to torque generator

常规钻井方式对于高研磨性、高硬度、高塑性、非均质地层的钻进效率很低, 甚至可能导致钻具失效, 在深井情况下往往造成频繁起下钻, 浪费钻井成本。

扭力冲击发生器可以消除钻头黏滑现象, 减少反冲扭力, 减少钻柱上的扭力振荡, 增加了周期性回转振动, 改良了传统牙轮钻头和PDC钻头常规钻井的方法, 使PDC钻头钻进更适应坚硬的岩层, 因而扭力冲击钻井技术在高研磨性、高硬度、高塑性、非均质地层中有较快的机械钻速, 钻头的耐久性和寿命也得到了提高。

(1) 应用井段:5 005~6 226 m。

(2) 钻具组合:Ø241.3mmPDC钻头+Ø197 mm扭力冲击器+Ø177.8 mm无磁钻铤×9.2 m + Ø177.8 mm螺旋钻铤×9.46 m + Ø239 mm螺旋稳定器×1.56 m+Ø177.8 mm钻铤×132.75 m +Ø127 mm加重钻杆×85.14 m+Ø127 mm非标斜坡钻杆。

(3) 钻井参数:钻压120~140 kN, 排量33 L/s, 立压15~17 MPa, 转盘转速60 r/min。

(4) 钻井液性能:密度1.27 g/cm³, 黏度47 s, 初/终切2/6 Pa。

(1) 应用井段:4 991~6 701 m。

(2) 钻具组合:Ø241.3 mmPDC钻头+ Ø197 mm扭力冲击器+Ø178 mm钻铤×57.2 m +Ø241.3 mm螺旋稳定器×1.57 m +Ø177.8 mm无磁钻铤×8.57 m+Ø178 mm钻铤×102.28 m + Ø127 mm加重钻杆×85.13 m+Ø127 mm斜坡钻杆×4 100 m+Ø139.7 mm斜坡钻杆。

(3) 机械参数:钻压120~140 kN, 排量30~32 L/ s, 立压15~17 MPa, 转盘转速60~70 r/min。

(4) 钻井液性能:密度1.26 g/cm³, 黏度51~53 s, 塑性黏度20 mPa·s, 初/终切2/9 Pa。

(1) 入井前准备。①了解试验井的基本情况:地层特性、复杂情况、钻头情况、机械钻速、钻井液参数等; ②钻井液含砂量小于0.3%和固相含量小于15%, 钻井液密度不大于1.40 g/cm³; ③根据工具的尺寸, 准备相应的打捞工具。

(2) 入井前测试操作。①上扣时必须在工具上端小径端, 禁止其他位置使用大钳, 工具紧扣扭矩参考数据表; ②钻杆中必须使用滤子, 保证工具内部无杂物进入; ③泵排量28~34 L/s, 记录工具压耗情况。

(3) 井下造型操作。①确保井眼通畅, 下钻过程防止出现大段划眼, 保证一次下至井底; ②距离井底10~20 m开泵, 先大排量循环一周, 避免钻头直接接触井底或井底沉砂, 防止堵塞水眼; ③检查泵压、排量是否正常, 如果正常则继续下钻, 禁止低排量情况下接触井底; ④造型参数:转速50~60 r/min、钻压20~40 kN, 造型长度1 m。

(4) 钻进操作。①造型后恢复正常钻进参数, 钻压80~160 kN, 转速50~70 r/min, 排量28~32 L/s; ②在钻进过程中, 根据地层情况适当调整钻井参数, 确定工具的最优工作参数; ③根据地层数据、钻井参数, 判断工具和钻头的工作情况; ④定时观察返出岩屑, 是否有大量掉块、脱落、铁屑、石英等复杂情况, 并注意观察钻井参数; ⑤精心平稳操作, 防止顿、溜钻, 均匀送钻。

(5) 井下复杂及处理。①钻头磨损的表现特征是机械钻速持续变慢, 转盘扭矩变大, 应立即起钻换钻头; ②憋压得表现特征是井下压耗增大, 机械钻速变慢后稳定, 应立即起钻换工具; ③钻具井下刺穿, 立即起钻换刺穿工具; ④断钻具, 立即起钻打捞落鱼; ⑤如中途遇阻, 需要进行划眼作业, 参数:钻压0~10 kN, 转速40~50 r/min, 排量22~25 L/min。

哈15-9井二开进入白垩系后使用1套扭力冲击器, 试验井段5 005~6 226 m, 进尺1 221 m, 平均机械钻速8.66 m/h, 创哈15区块最快机械钻速纪录, 比邻井常规转盘钻井技术平均提速348.7%, 比邻井复合钻井技术平均提速174 %。二开用时60.04 d钻至中完井深6 556 m, 对比邻井节约30.21~78.38 d, 创造哈15区块二开最快钻井周期记录(见表 1)。

表 1  哈15-19井与邻井机械钻速周期对比

Table 1.  Comparison of ROP and drilling period between Well Ha 15-19 and its neighboring wells

热普301-4井二开进入二叠系后下入2套扭力冲击器, 试验井段4 991~6 701 m, 单套工具进尺1267 m, 纯钻时间178 h, 机械钻速达到7.11 m/h, 创热普区块最快机械钻速纪录。2套扭冲工具平均机械钻速达到6.51 m/h, 与邻井常规转盘钻井技术对比平均提速261%, 与邻井复合钻井技术对比平均提速102.8%。二开用时49 d钻至中完井深7 049 m, 对比邻井节约40.79~70.25 d (见表 2)。

表 2  热普301-4井与邻井机械钻速周期对比

Table 2.  Comparison of ROP and drilling period between Well Repu 301-4 and its neighboring wells

扭力冲击钻井技术攻克了二叠系玄武岩, 实现一趟钻穿越三叠系、二叠系、石炭系、泥盆系和志留系等5套层系进入奥陶系中完, 减少了起下钻时间, 节约了钻头成本。

2012—2015年通过36口井试验与应用, 结果表明, 泛哈拉哈塘地区应用扭力冲击钻井技术钻进井段平均机械钻速达到5.74 m/h, 行程钻速3.22 m/h, 与常规转盘钻井技术对比平均提速2倍以上, 与复合钻井技术对比平均提速1倍以上, 平均口井节约周期25.87 d, 提速效果和经济效益显著。

(1) 扭力冲击钻井技术飞扭冲工具克服了PDC钻头的黏滑效应, 使钻头和井底始终保持连续性, 从而能够明显提高机械钻速。

(2) 建议在台盆区深井、超深井高研磨、软硬交错、钻头吃入效果差的地层大力推广使用扭力冲击钻井技术。