摘　要：四川盆地元坝气田天然气资源丰富，是中国石化的重点勘探开发区块，但钻速慢、钻井周期长是该区深井  超深井所面临的共同难题，该区域陆相侏罗系沙溪庙组—三叠系须家河组地层岩石致密、硬度高、可钻性差，此井段钻井周期约200d，占全井钻井周期的45％，严重制约了钻井提速提效。为此，开展了扭力冲击器配合PDC钻头、涡轮配合孕镶金刚石钻头、气体钻井等新技术应用试验，在试验效果的技术经济分析基础上，提出了延长气体钻井应用井段和深度的方案；对于不宜开展气体钻井的钻井液井段，如侏罗系自流井组中上部以浅地层或钻井液密度较低的地层推荐采用扭力冲击器提速，自流井组中下部—须家河组地层推荐应用涡轮钻具提速的方案。YB27-1H等11口井第三次开钻的Æ314.1mm井段平均进尺l885.29m，钻井周期缩短到l66.18d，较前期平均值缩短34d。采用上述配套技术后，无论是钻井周期、日进尺均优于前期施工井，陆相地层提速提效取得了显著效果。

关键词：元坝气田  钻井技术  扭力冲击器  涡轮钻井  气体钻井  四川盆地

ROP enhancing technologies for ultra-deep wells in the continental strata in the Yuanba Gas Field, Sichuan Basin

Abstract：As one of the most important exploration & development target zones of Sinopec，the Yuanba Gas Field is promising for its great Potentlal of natural gas resources in the deep continental formations in the Sichuan Basin．However，the low drilling speed and long drilling cycle are the conlnlon challenges of ultra-deep wells in this field．The continental Shaximiao and Xujiahe reservoir rocks are made up of tlght and hard quartz sandstones with poor drillability，where the average drilling cycle of wells is approximately 200 days，accounting for 45％ of the total drilling cycle．Hence，the ROP enhancement is severely restricted there．In view of this,through technlcal research and the introduction of advanced technologies，pilot tests were conducted，such as gas drilling，drilling with the torslonal impact generator and PDC bit，drilling with the turbine and impregnated diamond bit，and so forth．Based on the techmcal and economlc analysis of the test effects，an innovative drilling performance plan was put forward for extending the well in tervals and lnereaslng the depth of gas drilling；as for such intervals that could not undergo gas drilling，it is recommended that the torsional lmpact generator be adopted to improve the drilling speed in shallow formations in the upper and middle parts of the Ziliujing Fm or the formation with relatively low density drilling fluid and that turbine drilling tools be used for raising the drilling speed in the middle and lower parts of the Ziliujing and Xujiahe Fins．Under the guidance of the ROP enhancement plan，11 wells，including Well YB27-1H，were drilled，and the statistical analysis showed that the average footage of Æ314.1mm interval in the third spud-in is l885.29m，the drilling cycle is shortened to 166.18 days，which is 34 days shorter than the earlier average record．The effect of the plan iS excellent in shortening the drilling cycle and improving the daily footage compared with the earlier drilling record．proving its capability to meet the challenges in this study area．

Key words：Yuanba Gas Field，drilling technology，torsional impact generator，turbine drilling，gas drilling，Sichuan Basin

四川盆地川东北元坝地区天然气资源丰富，作为川气东送工程资源接替的重要阵地，已成为中国石油化工股份有限公司继普光气田之后天然气增储上产的又一重点探区^[1-2]。目前已有10多口井在海相二叠系长兴组、吴家坪组获得工业气流，天然气最高无阻流量达到751×10⁴m³／d，近期多口井在陆相侏罗系自流井组、三叠系须家河组钻获高压裂缝性气藏，揭示了元坝气田良好的勘探开发前景。无论是海相深井还是陆相专层井均面临陆相深部地层因岩石硬度高、可钻性差、非均质性强而导致的速度慢、周期长难题^[3]。甲乙方都试图采用高效钻头和成熟钻井技术来提高机械钻速，但机械钻速未获得较大突破。

1　元坝陆相钻井面临的难题

元坝陆相地层埋深平均在4800m，砂泥岩交错、多为硅质胶结、岩性致密、非均质性强，岩石抗压强度在68.89～148.05MPa，岩石内摩擦角为26.65°～48.44°，可钻性级值普遍在5～8级甚至更高，属高硬度、高研磨性地层。

第三次开钻的Æ311.2mm(或Æ314.1mm)井眼，采用钻井液钻进的平均机械钻速0.90m／h，单只钻头进尺60.77m，侏罗系沙溪庙组须家河组井段平均机械钻速l.06m／h，自流井、须家河组钻速只有0.81m／h(图1)。第三次开钻钻进井段(沙溪庙组上段底部—三叠系雷口坡组三段)所耗时间最长，约占全井钻井周期的45％。

根据已钻井资料分析，陆相深部井段钻速慢的原因主要有以下几个方面：

1)自流井组、须家河组岩石致密、硬度大、可钻性差，影响钻井提速^[4]。自流井组须家河组地层可钻性级值明显增加，部分层段高于8级，钻井难度明显增加。该层段含砾石且砂砾岩互层，制约钻头选型和提速工具的使用寿命。YBl井自流井组的4460～4540m、YBl01井4475～4492m井段钻遇砾石层；YBl井须四段的4670～4685m、Ybl0l井4900～4910m井段钻遇砾石层。

2)陆相多层位地层出水，沙溪庙组上段底部易坍塌，空气钻井钻遇复杂情况必须转换为钻井液钻井，气体钻井应用井段受限。统计元坝22口井的气体钻，77.3％井深超过3000m，也有5口井钻深约2900m。

3)低密度钻井液应用井段有限，高密度条件下钻速慢。自流井、须家河组易钻遇高压裂缝性气层，YL3、YL5等井钻遇高压裂缝后，压井液密度超过2.30g／cm³。密度低于1.50g／cm³的井段较短，仅气体钻井结束井深至自流井顶部(约l50m)。高密度条件下钻速慢，新工艺、新技术应用效果也不理想。前期应用的旋冲钻井技术也因高密度条件下固相含量高，对工具的冲蚀性加强，影响了使用寿命和使用效果。

4)新工艺、新工具、新技术推广应用受成本和风险制约。体现在2个方面：①初次应用无成功经验可借鉴，相邻区块应用效果缺乏说服力，应用风险大，一旦失败，推广应用难度更大；②应用效果好的工具和技术，处于“垄断”地位，成本普遍较高，需权衡其使用的经济性。

2　提速提效钻井关键技术

针对元坝陆相深部地层钻井难题，通过攻关研究，引进和应用了扭力冲击器、涡轮钻井的提速工具和工艺，通过现场试验与完善，基本形成了自流井组中上部以浅采用扭力冲击器配合PDC钻头、自流井组中下部和须家河组采用涡轮配合孕镶金刚石的钻井提速配套技术，辅以高效钻头，较大幅度地提高了元坝深井钻井速度。

2．1　扭力冲击器配合PDC钻井技术

自2009年起，在元坝地区试验阿特拉公司TorkBuster扭力冲击器，该工具是一种纯机械动力丁具。

它将钻井液的流体能量转换成扭向的、高频的(750～1500次／min)、均匀稳定的机械冲击能量，并直接传递给PDC钻头，这就使钻头不需要等待积蓄足够的扭力能量就可以切削地层^[5-6]。

从YB6等井的钻井应用试验分析，扭力冲击器单趟钻进尺和机械钻速最大的敏感性因素是钻井液密度，当钻井液密度高于l.70g／cm³，进尺和机械钻速降低明显，YBl6井、YB271井施工时最低钻井液密度1.72g／cm³，平均机械钻速仅0.76m／h，单趟钻进尺72m。而YBl0、YBl24等井在沙溪庙组—侏罗系千佛崖组应用，钻井液密度在1.15～1.55g／cm³，平均机械钻速2.23m／h，单趟钻进尺269.65m，体现出钻井提速提效的功效。因此，建议扭力冲击器在自流井组中上部以浅地层或钻井液密度较低的地层应用。

经济性方面，通过盈亏平衡法分析，以ZJ70钻机施工为例，当施丁进尺低于65m时，常规牙轮钻头钻井成本较扭力冲击器配合进口PDC钻头低，随着进尺的增加，扭力冲击器配合进口PDC钻头钻井总成本降低；当施工进尺大于110 m，进口PDC钻头配合扭力冲击器低于国产PDC钻头常规钻井成本，随着进尺的增加，扭力冲击器钻井成本逐步降低。在第二套工具使用初期，成本相当，之后扭力冲击器更有利于降低钻井成本。

2．2　涡轮配合孕镶金刚石钻头钻井技术

继川西XC8井应用之后，大家对高速涡轮在四川盆地致密地层的应用效果都充满信心，也成为该项技术应用于元坝地区陆相深部地层的重要原因。

高速涡轮有如下技术特点^[7-8]：效率高，如Smith公司涡轮转速可以达到l444r／min，是普通螺杆的7倍；工作平稳，减少井下振动引起的钻头损害(碎齿、胎体断裂等)，延长钻头寿命；使用寿命长，没有橡胶件，在井下工作时间可超过400h；压降高，如l50级T2MKl-Ⅱ型压降为l5.13～16.80MPa，对机泵条件要求较高。

据不完全统计，元坝长兴组深井在第三次开钻后，应用涡轮配合孕镶金刚石钻头17井次，陆相专层井应用7井次，平均单趟钻进尺211.11m，平均机械钻速1.37m／h。与自流井组、须家河组平均机械钻速0.81m／h相比，提高了69.14％。其中，YB224井千佛崖组至须一段地层进尺ll74.4m，平均机械钻速1.72m／h，同比提高了l23％。实践证明，高速涡轮配合孕镶金刚石钻头复合钻井技术是元坝地区下部陆相地层提速的一种有效手段。

与扭力冲击器相比，涡轮钻井在高致密储层中的适应性更好，通过与常规转盘钻井、旋冲钻井、螺杆配合PDC钻头复合钻井等对比分析，涡轮钻井是目前适合自流井组底部砾石层和须家河组高研磨性地层的最好的方法之一。虽然国内外有Smith、俄罗斯、武汉地大、成都奥尤等多家服务商，但应用效果差异较大，主要是应用井段和应用井次的差异。选择何种涡轮钻具还需要根据使用效果和钻井成本综合确定。受国外涡轮租赁费和服务费制约，推荐在自流井组中下部须家河组应用，待国产涡轮解决使用寿命后，在经济可行的情况下再延伸应用井段。

2．3　气体钻井技术

气体钻井技术在陆相中上部地层已推广应用^[9-10]，第二次开钻的大尺寸井眼段气体钻井钻至中后期因井壁失稳、返砂不畅等导致提前结束，井深超过1500m时，空气排量普遍超过l80m³／min，钻至完钻井深时排量最高达300m³／min，受地层、井眼尺寸和设备制约，Æ444.5mm井眼气体钻井深度已达极限，元坝工期8口井只有3口井钻至设计井深。

根据井壁稳定性分析结果，深度小于2800m的地层当量应力低于地层岩石的综合强度，气体钻井井壁稳定性较好如图2，而深度超过2800m的地层坍塌密度高于空气钻井临界坍塌压力当量密度值(图3)，这些层段‘营气钻井过程中存在垮塌掉块，可通过优化钻井参数来克服，并做好气液转换准备；千佛崖组—须家河组地层气体钻井稳定性较差，YB3井在自流井组3727.8～3791.5m应用氮气钻井，仅进尺63.7m，不但后期通井循环时间较长，钻井费用也有所增加，在目前技术条件下该井段采用气体钻井还存在一定难度。

在沙溪庙组上段及以下深井段应用气体钻井可以通过3种方式完成：①增加空压机数量，提高2800m以下深井段携岩效果，延长第二次开钻钻进井段空气钻井深度；②缩小井眼尺寸，在第三次开钻钻进井段继续试验空气(氮气)钻井，通过封隔上沙溪庙组底部易塌层后二次入井，减少长井段井塌风险；③提高气液转换工艺，缩短后期通井循环时间。通过不断总结气体钻井施工经验，优选钻井参数，延长气体钻井应用井段和深度后，能够实现陆相深部地层大幅度提速目标。

2．4　钻头选型技术

第三次开钻钻进的Æ311.2mm或Æ314.1mm井眼，牙轮钻头常规钻井时平均机械钻速0.87m／h，共使用牙轮钻头30多种型号，以HJT537GK、SJT537GK牙轮钻头使用频率最高；PDC钻头常规钻井时平均机械钻速1.13m／h，单趟钻进尺97.15m，但受地层制约(砾石、夹层)，未推广应用，应用效果较好的DFl906BU(YB273井，深远公司PDC钻头)和迪普公司DM665H等PDC钻头均是在钻井液密度相对较低的情况下取得的，当钻井液密度高于2.00g／cm³后，单趟钻进尺和机械钻速达不到理想效果，如亿斯达公司EHl316E钻头在钻井液密度2.24g／cm³的情况下，平均机械钻速仅0.41m／h，单趟钻进尺仅44.5m。

目前应用较好的钻头主要是进口钻头，普遍与提速工具配合。自主研发高寿命钻头，突破砾石层、夹层、泥页岩层钻井难题^[11]，最大限度地降低钻井综合成本是目前急需解决的技术难题。国内针对自流井组、须家河组地层特点，研制了不同结构和性能的金刚石全面钻进钻头、大粒度金刚石结合特殊自锐切削齿的新型孕镶钻头、高研磨性地层异形单牙轮钻头^[12-13]，试验证明刀翼式和二次镶嵌式金刚石钻头配套国产螺杆钻进工艺是非常有效的，既降低了成本又缩短了钻进时间，达到了钻探提速的目的。

3　现场应用分析

元坝地区长兴组深井在陆相深部地层已应用扭力冲击器17井次，陆相专层井应用9井次，平均单趟钻进尺262.98m，平均机械钻速2.60m／h。在Æ314.1mm井眼段应用进尺3286.39m，平均机械钻速2.07m／h，单趟钻进尺l93.32m；应用涡轮配合孕镶金刚石19井次，陆相专层井应用7井次，平均单趟钻进尺208.74m，平均机械钻速1.37m／h，与自流井组、须家河组平均机械钻速0.63m／h相比，提高了ll7.46％；应用高效PDC钻头5井次，同比相邻井段提速10.22％，单趟钻进尺提高21.25m。

截至2013年4月，除YB27-2井外，中国石化西南油气分公司在元坝地区部署的产能建设井均完成第三次开钻。从表1中可以看出，采用推荐的技术集成应用后，无论是钻井周期还是日进尺均优于前期施工井。ll口井第三次开钻平均钻井时间166.18d，较前期平均值缩短34d。

4　结论及建议

1)通过多口井现场试验表明，扭力冲击器、涡轮钻井技术能够较好地解决元坝陆相地层常规钻井机械钻速慢的难题，在提高机械钻速的同时，延长了钻头的使用寿命。

2)元坝上沙溪庙组及以浅地层坍塌压力相对较低，已全面推广应用气体钻井；千佛崖组—须家河组地层在确保井壁坍塌的岩屑及时排出情况下可开展气体钻井，建议适当延长气体钻井应用井段和深度。

3)在地面设备允许的条件下，应尽量提高排量，避免低转速且排量不足的情况下发生钻头泥包。建议加快试验国产涡轮、孕镶金刚石钻头、高速螺杆，降低钻井成本。

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本文作者：龙刚  刘伟  管志川  唐洪卫  江波

作者单位：中国石油大学(华东)石油工程学院

  中国石化西南油气分公司工程技术处

  中国石化西南石油工程有限公司四川钻井分公司