摘　要：塔北地区目前是塔里木盆地增加油气储量的重点区域，然而该区储层埋藏深，上部地层倾角较大、下部地层可钻性差，导致机械钻速低、钻井周期长。为此，重点在近4100m进尺的；Æ241.3 mm井眼段以提高机械钻速和行程钻速为目标，采集该区3口井的侏罗系—奥陶系的岩心来测定地层可钻级值等岩石力学参数，试验优选出适应的高效提速技术措施：上部新近系—三叠系井段采用抗高温等壁厚X-treme螺杆配合PDC钻头复合钻进，下部三叠系—奥陶系井段采用扭力冲击器TorkBuster配合专用PDC钻头钻进。试验结果表明，上述两种技术的结合使用大幅度提高了第二次钻进的Æ 241.3mm井段的机械钻速。井深达6785m的9号直井全井平均机械钻速达到了l0.69m／h，较邻井9 2号井的6.72m／h提高了59.07％；钻井周期仅55d，较邻井9-2号井钻井周期减少了33.46d，下降幅度达37.83％；目前，该技术已在塔北地区得到了推广应用。

关键词：塔里木盆地  北部地区  可钻性差　X-treme螺杆  扭力冲击器  机械钻速

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

塔北地区位于塔里木盆地北部，目前是塔里木油田探明油气储量最多、富集程度最高的地区^[1]，已发现了哈拉哈塘、新垦、热普等油气区块，也是堪探开发的重点区域。古生界海相奥陶系为该地区主力产层，由于遭受多期岩溶作用，储层以岩溶缝洞型为主^[2]。该地区储层埋深大，通常在5000～8000m；地质条件复杂，上部地层松软、倾角较大，钻井过程中易井斜；下部地层温度高、压力大，岩石坚硬，可钻性差，导致机械钻速低，钻井周期长，严重制约了油气勘探开发的进度。针对这些提速难点，优选出对该地区适应性良好的高效提速措施，即上部新近系—三叠系井段采用抗高温等壁厚螺杆+PDC钻头复合钻井技术、下部三叠系—奥陶系井段采用扭力冲击工具+专用PDC钻头提速技术。实践表明，该措施提速效果显著。

1　钻井提速难点

塔北地区地层自上而下主要为新生界第四系、新近系、古近系，中生界白垩系、侏罗系、三叠系，古生界二叠系、石炭系、泥盆系、志留系、奥陶系，部分区块存在层位缺失。实钻资料显示古生界机械钻速慢，为提速瓶颈地层。因此以该地区哈拉哈塘区块为例，进行了一定数量的此井段岩心室内测试，测试结果如表1所示。根据实钻资料和岩心室内试验结果，总结塔北地区钻井提速难点如下。

1)新近系—三叠系：主要为泥岩、粉砂岩和砂岩，侏罗系含少量的砾岩。地层松软、倾角较大，钻进过程易井斜；泥岩吸水性强，易造浆形成虚厚泥饼，起下钻困难；含砾砂岩对PDC钻头极具破坏性；偶尔出现少量煤层，易导致井壁垮塌，造成井眼扩大和井壁失稳。

2)二叠系：岩性复杂，主要为玄武岩、砂岩和泥岩互层。地层硬度大，达l581.26MPa，可钻性差，三牙轮可钻性级值达7.65，PDC钻头可钻性级值达6.1；玄武岩致密、性脆、硬度极高，耐磨性强，对钻头伤害极大，导致跳钻现象，崩坏PDC钻头切削齿；PDC钻头失效造成多余的起下钻，而换成牙轮钻头后机械钻速极低，多分布于1～2m／h，低至1m／h，导致钻井周期增大，为该地区钻井难度最大的地层。图l为块状玄武岩屑照片。

3)石炭系一志留系：主要为砂泥岩不等互层、石灰岩和砾岩。地层坚硬，硬度达2232MPa，抗压强度达221.2MPa，可钻性差，砂岩研磨性强，机械钻速慢且钻头损耗快，PDC钻头平均机械钻速约为2m／h，而三牙轮钻头平均机械钻速约为1.5m／h；部分区块石炭系含有砂砾岩(图2)，对PDC钻头破坏性强。

4)志留系—奥陶系中上部：主要为细砂岩、泥岩和泥灰岩。岩石抗压强度达到200MPa，硬度大，可钻性差；夹层多且夹层之间强度差别大，易导致PDC钻头出现崩齿现象。

5)奥陶系中下部：主要为夹泥质灰岩和石灰岩。地层硬度大，抗压强度高，达138MPa，可钻性差；钻遇灰岩裂缝，应力敏感，钻井液密度安全窗口窄，易同时溢流井漏；有些地区硫化氢含量高，对井控工作不利。

6)同时，根据哈拉哈塘地区奥陶系主力产层段实测温压资料统计分析，地温梯度约2.1℃／l00m，压力系数介于l.05～1.20，目的层温度达145℃，地层压力75MPa，高地层温度导致常规螺杆等提速工具工作时间短、提速效果差。

综上可知提速难点主要为地质条件复杂，上部地层松软、倾角较大，钻进过程易井斜；深部古生界地层为提速瓶颈，地层温度高、压力大，岩石坚硬，研磨性强，可钻性差，机械钻速低，钻井周期长。

2　高效提速措施

目前塔北主要应用Æ273.05mm表层套管×Æ200.03mm技术套管×裸眼的井身结构，目的层奥陶系埋深介于6500～7100m，第二次开钻的Æ241.3mm井段主要集中在1500～6600m，并且提速瓶颈位于其下部井段，因此第二次开钻的Æ241.3mm井段的高效提速措施能够大幅降低钻井周期，提高综合勘探开发效果。通过理论和现场应用分析，优选出的第二次开钻的Æ241.3mm井段的高效提速措施为上部采用抗高温等壁厚螺杆+PDC钻头复合钻井技术而下部采用扭力冲击工具+专用PDC钻头提速技术。

2．1　抗高温等壁厚螺杆+PDC钻头复合钻井技术

2．1．1等壁厚螺杆简介与提速原理

X-treme等壁厚螺杆的基本结构和常规螺杆相同，最大的特点是采用耐高温橡胶的等壁厚定子^[3]，具有长寿命、大扭矩、耐高温和适应绝大多数钻井液体系等优点^[4]。

螺杆与转盘复合钻进时，PDC钻头转速等于转盘与螺杆转子转速之和，从而能高转速切削岩石，提高破岩效率和机械钻速；同时+螺杆+PDC钻头高转速复合钻进时能改善钻柱的受力情况，减少钻柱的弯曲程度，降低井下钻具事故，起到了良好的防斜纠斜效果引，达到了防斜打快的目的。

2．1．2应用效果与分析

X-treme螺杆(Æ203mm)+PDC钻头复合钻井技术在塔北地区哈拉哈塘、新垦、热普区块13口井第二次开钻的Æ241.3mm井眼上部井段进行了应用，应用地层为新近系—三叠系、部分井进入二叠系顶部，平均单井进尺3631.3m，平均机械钻速和行程钻速分别为l6.66m／h和11.89m／h，表2为X-treme螺杆(Æ203mm)与邻井常规螺杆应用情况对比。

塔北地区的应用效果表明，X-treme螺杆4-PDC钻头复合钻井技术提速效果显著。在第二次开钻的Æ241.3mm上部井段平均机械钻速和行程钻速分别达16.66m／h和ll.89m／h，与邻井同井段应用常规螺杆相比，分别提高66.1％和55％；大部分井实现第二次开钻的Æ241.3mm井眼一趟钻从新近系钻至三叠系，单趟最大进尺达4136m，而邻井同井段需2～4根螺杆，因此减少起下钻次数；平均单井节约时间达6.99d，降低了钻井周期；具有长寿命、大扭矩、耐高温等优点的X-treme螺杆配合PDC钻头复合钻井技术对塔北地区新近系—三叠系地层适应性良好。

2．2　扭力冲击工具+专用PDC钻头提速技术

2．2．1　TorkBuster提速机理及优点

在正常钻井条件下，PDC钻头能够连续地剪切地层(图3-a)。而PDC钻头钻坚硬地层时，钻头经常南于扭矩不足停转(图3-b)，此时扭矩能量就会聚集在钻柱之中，导致钻柱像发条一样打卷扭曲(图3-c)，一旦所需扭矩能量达到剪切破碎地层的能量，钻头将以高于正常转速破岩(图3-d)。这种猛烈变化运动即为“卡—滑”现象，会导致钻头使用寿命降低、下部钻具事故增加^[6]。

TorkBuster(阿特拉公司)将钻井液的流体能量转换成高频(680～2400次／rain)、均匀稳定的扭向机械冲击能量并直接传递给PDC钻头实现瞬时破岩，此时PDC钻头上就有两个力在切削地层，一个是转盘提供的扭力，一个是TorkBuster提供的扭向冲击力，相当于每分钟额外680～2400次切削地层，使钻头不需要等待积蓄足够的能量就可以切削地层，消除了“卡—滑”现象，保持钻头对地层切削的连续性(图3-e)，因此能够大幅提高机械钻速，延长钻柱寿命，提高钻井效率。

TorkBuster的优点：消除“卡—滑”现象，减少反冲扭力和扭力振荡；高频扭冲力能够提高破岩效率和机械钻速；纯机械构造，无橡胶、电子元件，失效后不影响正常钻进；延长钻头的寿命、减少起下钻次数，减小下部钻具组合及钻杆的疲劳^[7]。

2．2．2应用效果与分析

TorkBuster(Æ165mm)住塔北地区哈拉哈塘、新垦、热普区块进行了两个阶段的应用。第一阶段配合UD513钻头试验2口井，提速效果不理想。

第二阶段对钻头进行优化，配合针对塔北地区设计的PDC钻头U513M在10口井第二次开钻的Æ241.3mm下部井段进行了应用，应用地层为三叠系—奥陶系，平均单井进尺1284.5m，平均机械钻速和行程钻速分别为4.44m／h和3.2lm／h，与邻井同井段应用常规钻井技术相比，分别提高170.7％和181.6％；表3为TorkBuster与邻井常规钻井技术应用情况对比，TorkBuster+U513M技术提速效果显著。

攻克了螺杆等钻具无法攻克的二叠系极坚硬玄武岩，单趟最大进尺827m，除l5号井因钻井液不适应地层导致此井段出现5趟起下钻外，大部分井实现两趟从三叠系钻完第二次开钻的Æ241.3mm至奥陶系，平均单井节约时间达30.27d，大幅降低钻井周期、提高了钻井效率；井深6785m的直井9号同时应用了此两种提速技术，平均机械钻速l0.69m／h，钻井周期仅55d，提速效果远高于邻井9-2号和其他油田相似深度井^[8-12]。(表4)。能够消除“卡—滑”现象并保持钻头对地层连续切削的TorkBuster配合高抗冲击的专用PDC钻头U513M提速技术对塔北地区三叠系—奥陶系地层具有良好的适应性。

3　结论与建议

1)塔北地区目前是塔里木油田勘探开发的重点区域，然而储层埋深大；上部地层松软、倾角较大，易井斜；下部地层温度高、压力大，岩石坚硬，可钻性差，尤其是二叠系玄武岩，导致机械钻速低，钻井周期长。

2)针对塔北地区提速难点，并结合理论与实践分析，优选出高效提速措施，即上部新近系—三叠系井段采用抗高温等壁厚X-treme螺杆+PDC钻头复合钻井技术而下部三叠系  奥陶系井段采用扭力冲击工具TorkBuster+专用PDC钻头U513M提速技术。现场应用表明，该提速措施能够大幅提高机械钻速、降低钻井周期，对该地区具有良好的适应性；两种技术结合使用实现了第二次开钻的Æ241.3mm井段无缝对接钻井提速，井深6785m的直井9号钻井周期仅55d，提速效果国内领先。

3)建议在塔北地区大力推广X-treme螺杆+PDC钻头复合钻井技术和扭力冲击工具TorkBuster+U513M提速技术，同时优选合适的钻井液体系与钻井、水力参数，充分发挥两种技术的提速效果。

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本文作者：滕学清  白登相  杨成新  何世明  周小君  李宁

作者单位：中国石油塔罩木油山公司

  西南石油大学石油工程学院