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中国南海东部惠州区块深层前古近系为火成岩地层，主要为闪长岩和花岗岩等罕见的复合型岩性基底，岩石抗压强度高、可钻性极差[1]。区域探井作业中机械钻速低、钻头进尺短、钻头磨损严重，惠州A井作业工期超100 d，作业费用超1亿元。此外，钻速低导致频繁起下钻更换钻头，延长了裸眼浸泡时间，增加了钻具疲劳、井壁失稳、卡钻等井下风险[2]。前期作业井中，尝试了国内外主流钻头，均未取得理想效果。如无法实现深层钻井提速技术的突破，则将大幅度延长勘探和开发建井周期，推迟油气上产时间，并增加井下风险和作业费用。此外，随着海域油气勘探逐步走向深层，将面临越来越多的火成岩地层钻井提速难题。开展了火成岩地层钻井提速技术研究，为区域钻井提速提效、井下作业安全和油气增储上产提供技术支持。
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惠州区块的火成岩地层主要为蚀变闪长岩、花岗岩和安山岩等，返出岩屑呈块状、性硬、部分坚硬。惠州A井是该区域一口探井，从3 585 m进入火成岩地层，完钻井深4 276 m。3 585~4 185 m岩性主要为蚀变闪长岩，4 185~4 230 m为辉绿岩，4 230~4 276 m为蚀变花岗岩。根据岩石力学计算结果，进入火成岩后，岩石抗压强度从68.9 MPa迅速升高到206.8 MPa以上，在137.9~310.3 MPa之间波动，峰值超过413.7 MPa。在辉绿岩段，抗压强度从310.3 MPa下降到206.8 MPa；辉绿岩以下蚀变花岗岩段抗压强度在206.8 MPa左右，岩石抗压强度处于极硬级别导致地层可钻性极差，研磨性能强。
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惠州A井Ø215.9 mm井段全部在火成岩地层内钻进，累计使用6只人造聚晶金刚石复合片(PDC)钻头，第1只、2只、6只钻头特征为6刀翼、单排13 mm异型齿(忍者齿)、配合扭力提速工具。第3只、5只钻头特征为6刀翼、双排齿13 mm异型齿(内排斧型齿、外排尖锥齿)，配合扭冲提速工具。第4只钻头特征为6刀翼、双排16 mm齿，肩部有14颗可旋转平面齿。该井的深度为3 744.26~4 276 m，最高机械钻速7 m/h、最低机械钻速3 m/h、平均机械钻速仅为3.5 m/h。惠州B井从3 570 m进入前古近系，地层岩性为花岗岩。该井Ø311.15 mm井段第6只PDC钻头在前古近系顶部3 575 m入井，钻至3 586 m完钻，钻头特征为6刀翼、单排13 mm异型齿(忍者齿)，配合扭力提速工具，平均机械钻速仅为1.08 m/h。惠州C井四开4 167~4 550 m为火成岩地层，岩性主要为蚀变安山岩(4 160~4 460 m)、蚀变花岗岩(4 460~4 465 m)、花岗岩(4 465~4 550 m)，部分地层风化严重，可钻性相对较好，采用PDC钻头，平均机械钻速7.71 m/h，钻头特征为6刀翼、16 mm常规齿。
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由于钻头抗冲击性能弱，导致钻头发生了磨损破坏而失去攻击力，无法获得足够的进尺，单只钻头进尺普遍小于100 m。惠州A井Ø215.9 mm井段6只钻头累计进尺531.74 m，最大进尺156.24 m、最短进尺40 m、平均单只钻头进尺88.62 m。惠州B井311.15 mm井段第6只钻头在火成岩地层进尺仅为11 m。惠州C井由于地层风化程度较好，钻头进尺383 m。
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惠州区块火成岩地层出井钻头主要磨损特征表现为心部磨损，钻头心部强度不够导致钻头磨损严重。惠州A井Ø215.9 mm井段火成岩地层6只钻头磨损特征主要是心部磨损，第2只钻头磨出了环形槽，磨损评级为4-6-RO-C-X-1/16-CT-PR；第4只旋转齿钻头掉齿严重，14颗旋转齿掉落12颗，磨损评级为6-6-CT-A-I-1/16-LT-PR；第5只钻头心部齿磨损严重，磨损评级为5-3-WT-A-X-1/16-CT-RP。惠州B井出井钻头磨损严重，内外排齿全部被磨掉，钻头顶部被磨平，磨损评级达到了8-8-FC-A-X-1/16-CT-TD。惠州C井出井钻头内排齿严重磨损呈“取心”状，且磨损至水眼处，磨损评价达到了8-4-CR-A-X-1/16-CT-TD。
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针对惠州区块火成岩地层存在的钻井提速难题，基于测井资料进行岩石力学分析，并通过录井和取心资料，掌握地层岩性特征，结合钻头作业数据，综合分析评价地层岩性特点和岩石力学参数，以及对钻头的性能要求，并结合区域勘探作业经验，探索解决区域钻井提速的基本对策。
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测井资料中的声波时差、岩石密度、自然伽马等参数能够反映地层岩石的抗压强度、研磨性和可钻性等力学特性，基于测井数据计算岩石抗压强度的模型为
$${S_{\rm{a}}} = 0.004\;5{E_{\rm{s}}}\left(1 - {V_{{\rm{sh}}}} \right)- 0.008{E_{\rm{s}}} {V_{{\rm{sh}}}}$$ (1) 式中，Sa为岩石抗压强度，MPa；Es为岩石动弹性模量，MPa；Vsh为地层泥质含量，%；Es、Vsh均可通过测井数据求得。
基于地层岩性特点和岩石力学分析，优选提速工具和优化设计钻头[3]，优化钻井作业参数，包括钻压、转速、排量，以及采用欠平衡钻井工艺，包括空气钻井、控压钻井等[4-5]，都有利于钻井提速。
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常见的提速工具类型有螺杆马达、涡轮钻具、周向旋转冲击、轴向冲击和复合冲击提速工具[6]。螺杆马达和涡轮钻具基本原理是通过增加钻头转速提高切削破岩效率。周向旋转冲击提速工具通过增加钻头周向振动实现高频切削，提高了钻头破岩效率，且能平滑扭矩波动，对钻头有一定保护效果[7-8]。轴向冲击提速工具通过产生高频纵向冲击振动，增加了钻头冲击破岩能力[9]。复合冲击提速工具则结合了周向和轴向冲击提速工具的功能和特点,通过给钻头施加高频稳定的周向和轴向的复合冲击力，提高钻头破岩效率，并可解决钻进过程中的黏滑、托压现象，从而达到提速的目[10]。
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造成钻头进尺短的原因主要有2点：一是钻头吃入地层困难，无法获得有效进尺，主要发生在硬塑性地层，这种情况下钻头出井后通常完好无磨损；二是因钻头磨损破坏严重，失去攻击力而无法获得进尺，主要发生在硬脆地层或含砾和粗砂地层。因此，提高钻头吃入地层能力和抗冲击能力是解决钻头进尺短的方法，常用方法包括适当减少刀翼数量，选用大直径高性能复合切削片(16 mm、13 mm聚晶金刚石复合片)，以及采用尖或锥形的异型齿(斧型齿、尖齿、忍者齿等)提高钻头吃入地层和破岩能力[3]。斧型齿不仅具有常规金刚石复合片的剪切性能，而且具有牙轮钻头硬质合金齿的破岩性能，室内试验结果表明，相同钻压条件下，斧型齿钻头机械钻速相比常规平面齿能提高30%。此外，斧型齿端部呈屋脊状突出，切削齿接触地层的复合片厚度比常规平面齿厚，具有更好的抗冲击性能。因此将钻头主刀翼上常规平面齿优化设计为斧型齿，并将主刀翼设计为双排齿方式，提高钻头整体抗冲击性能。最后，增加心部布齿密度，缩短刀翼中心距，提高钻头心部强度解决钻头心部位置磨损严重问题。
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惠州D井为惠州A井的邻井，距离1.87 km，该井Ø215.9 mm井段从4 134 m进入前古近系，岩性主要为蚀变闪长岩和蚀变花岗岩，地层岩性与惠州A井对比性较好。根据邻井测井数据，由式(1)求得地层岩石抗压强度参数，进入火成岩地层后抗压强度从68.9 MPa迅速升高到206.8 MPa，然后在137.9~310.3 MPa之间波动，峰值超过310.3 MPa，岩石抗压强度高，属于可钻性极差地层。
对扭冲复合提速工具进行优化设计，在保持现有较大冲击力情况下，提高冲击频率，从28 Hz增加到33 Hz，增加提速工具施加给钻头周向和轴向的额外冲击力，钻头切削和冲击破岩频率更快，提高了攻击力。采用强抗冲击性斧型齿和双排齿钻头增加进尺和抗冲击性能。优选设计6刀翼、双排13 mm斧型齿；将短刀翼向心部延伸，短刀翼中心距从43.81 mm降低至38.2 mm，并增加心部布齿密度，齿间距从3 mm减少至2 mm。在钻头中心位置布置1颗锥形齿，有效减少岩屑在中心位置堆积磨损钻头。
以上设计在惠州D井Ø215.9 mm井段后2趟钻中进行了成功应用，2只钻头钻进深度3 838~4 367 m，并从4 134 m进入前古近系，钻头使用记录如表1所示，火成岩地层机械钻速与惠州A井对比结果如表2所示。惠州A井火成岩地层使用了6只钻头，平均单只钻头进尺为88.62 m。惠州D井2只钻头完成火成岩地层233 m进尺，平均单只钻头进尺116.5 m，单只钻头进尺提升31.5%，2只钻头出井钻头状态较好，未出现钻头心部磨损严重的情况。在机械钻速方面，在火成岩地层闪长岩段和花岗岩段中，惠州D井的机械钻速比惠州A井分别提高了88%和69%。
表 1 惠州D井Ø215.9 mm井段钻头使用记录
Table 1. Operation records of the bit in Ø215.9 mm hole section of Well D in Huizhou Block
井段 钻头1 钻头2 井段/m 3 838~4 250 4 250~4 367 进尺/m 412 117 钻速/(m · h−1) 8.9 5.7 钻头磨损
评价2-2-WT-A-X-1/
16-NO-PR3-3-WT-A-X-1/
16-NO-TD表 2 不同岩性段长及平均机械钻速
Table 2. Length of different lithology intervals and average ROP
井号 岩性 井段/m 进尺/m 钻速/(m · h−1) 惠州A 闪长岩 3 744.3~4 230 485.7 3.56 惠州A 花岗岩 4 230~4 276 46 3.71 惠州D 闪长岩 4 134~4 298 164 6.71 惠州D 花岗岩 4 298~4 367 69 6.26 -
(1)惠州区块深层前古近系火成岩抗压强度高，地层呈均质、硬脆性特点，可钻性极差。钻头攻击力不足、抗冲击能力弱、心部强度不够是造成钻速低、钻头进尺短和磨损严重的原因，从而导致火成岩井段钻井效率低。
(2)通过设计高攻击力提速工具和钻头提高机械钻速，采用强抗冲击性的斧型齿和双排齿钻头增加进尺和抗冲击性能，提高钻头心部位置强度减轻磨损，有效解决了惠州区块火成岩地层抗压强度高、可钻性极差导致的机械钻速低、钻头进尺短和磨损严重的难题，实现了钻井提速提效的目的。
(3)南海东部深层岩性差异较大，除火成岩地层外，还有硬塑性泥岩、致密砂岩和含灰质地层，需针对不同的地层岩性特点，进一步优化和丰富提速工具、钻头设计以及钻井工艺，提高深层钻井效率。
ROP improvement technologies used in the deep igneous formation of Huizhou Block
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摘要: 南海东部惠州区块前古近系为火成岩地层，岩石强度高、地层可钻性差，导致钻速低、钻头进尺短和磨损严重。为提高火成岩地层钻井效率，通过地层岩性特点分析、钻头磨损评价，并根据测井数据开展了岩石力学分析，设计了高攻击力提速工具和钻头提高机械钻速，采用了强抗冲击性斧型齿和双排齿钻头增加进尺，并提高了钻头心部位置强度减轻磨损。钻井提速技术在惠州D井进行了成功应用，相比较于前期作业的惠州A井：在相同地层岩性的前古近系闪长岩和花岗岩段，钻头机械钻速分别提高了88%和69%，火成岩井段单只钻头平均进尺增加了31.5%，且出井钻头磨损较轻。该技术较好地解决了区域火成岩地层钻井效率低的难题，也为火成岩地层提速提效探索了解决方法。Abstract: The Pre-Paleogene in Huizhou block of eastern South China Sea is an igneous formation. Its rock strength is high and formation drillability is poor, which leads to low rate of penetration (ROP), short bit footage and serious wear. In order to improve the drilling efficiency in the igneous formation, this paper carried out rock mechanical analysis based on logging data, by analyzing stratigraphic and lithologic characteristics and evaluating bit wear situations. In addition, strong-aggression ROP improvement tool and bit were designed to improve the ROP, the high impact resistance bit with axed-shape teeth and the bit with double-row teeth were adopted to increase the footage, and the strength at the central part of the bit was increased to reduce the wear. ROP improvement technologies have been successfully applied in Well D of Huizhou Block. Compared with Well A of early stage in Huizhou Block, the bit ROP in Pre-Paleogene diorite and granite is increased by 88% and 69%, respectively, the average footage of each bit in the section of igneous rock is increased by 31.5% and the ascent bit is less worn. In conclusion, these technologies better solve the difficulty of low drilling efficiency in the igneous formation of Huizhou Block and explore the solution to ROP and efficiency improvement in igneous formations.
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Key words:
- deep layer /
- Pre-Paleogene /
- igneous rock /
- ROP improvement /
- bit wear
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表 1 惠州D井Ø215.9 mm井段钻头使用记录
Table 1. Operation records of the bit in Ø215.9 mm hole section of Well D in Huizhou Block
井段 钻头1 钻头2 井段/m 3 838~4 250 4 250~4 367 进尺/m 412 117 钻速/(m · h−1) 8.9 5.7 钻头磨损
评价2-2-WT-A-X-1/
16-NO-PR3-3-WT-A-X-1/
16-NO-TD
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表 2 不同岩性段长及平均机械钻速
Table 2. Length of different lithology intervals and average ROP
井号 岩性 井段/m 进尺/m 钻速/(m · h−1) 惠州A 闪长岩 3 744.3~4 230 485.7 3.56 惠州A 花岗岩 4 230~4 276 46 3.71 惠州D 闪长岩 4 134~4 298 164 6.71 惠州D 花岗岩 4 298~4 367 69 6.26
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