马凤清

(中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营 257017)

哈山构造位于新疆准噶尔盆地与和什托洛盖盆地结合部，自2010年开始勘探以来，已累计完钻探井15口，并在哈山1井和哈深2井等10口井中见到良好油气显示，勘探潜力巨大。然而，分析前期已钻井资料发现，哈山区块地层以火成岩为主，岩石坚硬、研磨性强、可钻性差，钻进过程中易发生井斜、机械钻速低、单只钻头进尺少，严重影响了该区块的勘探开发进程。针对火成岩地层特点和钻井技术难点，研制了具有较强耐磨性的φ311.1 mm PK6245MJD型PDC钻头，与适合PDC机械剪切破岩机理的SLTIT型扭转冲击工具配合，开发出了具有自主知识产权的“高效PDC钻头+SLTIT型扭转冲击工具”复合钻井技术，并在准噶尔盆地哈山3井火成岩地层中进行了应用，单趟钻进尺457.50 m，行程钻速提高45.8%，至少节约了11趟起下钻的时间与钻头费用，为今后准噶尔火成岩地层快速钻井探索出了一种技术手段。

1 哈山3井钻井技术难点

哈山3井是哈山山前构造带外来推覆体哈山3构造上的一口重点探井，设计井深4 600.00 m，主要探索哈山山前构造外来推覆体及前缘冲断带含油气情况。图1为哈山3井的设计井身结构。该井二开φ311.1 mm井眼主要钻遇石炭系火成岩地层，岩性为深灰色、绿灰色凝灰岩和安山岩不等厚互层，夹深灰色砂砾岩、凝灰质角砾岩[1-3]。

图1 哈山3井井身结构Fig.1 Diagram of casing program for Well Hashan 3

该井二开上部2 011.00～2 888.00 m井段钻进期间，先后采用了HJT537GK型和MD537型牙轮钻头及M5365LA型PDC钻头等多种高效钻头，应用“高效钻头+水力加压器”和“高效牙轮钻头+螺杆”复合钻井技术，但都没有达到预期提速效果，共使用钻头24只，平均机械钻速0.90 m/h，平均单趟钻进尺37.00 m，最短进尺仅2.22 m。分析发现，该井钻井作业主要存在以下2方面的技术难点：

1) 火成岩地层硬度大，可钻性差。哈山3井火成岩地层可钻性极值高达7.82～8.38，硬度最高2 900 MPa，加上局部含有火山角砾岩，钻头切屑齿受到地层的非均匀性冲击，容易发生崩齿、断齿现象；并且随着钻进进行，钻头破坏加剧，机械钻速也急剧下降，造成频繁起下钻更换钻头。

2) 钻进火成岩地层期间，井斜问题较为突出。哈山3井部署于哈山山前构造带，石炭系地层倾角较大(25°以上)，加之井壁掉块严重、地层可钻性差异大、裂缝发育等原因，井眼易顺着可钻性较好的方向延伸，导致该井自井深2 400.00 m之后井斜角一直呈现增大趋势(见图2)，该井钻至井深2 766.00 m时井斜角为3.6°，而钻至井深2 882.00 m时为4.2°，井斜角增大较快，为了纠斜，进一步影响了钻井速度。

图2 哈山3井火成岩地层井斜角增长趋势Fig.2 Increase trend of well deviation in igneous rocks of Well Hashan 3

2 火成岩地层快速钻井技术

准噶尔盆地火成岩地层岩石坚硬、可钻性较差，加之火成岩局部破碎性严重、掉块现象明显，钻进中蹩停转盘、划眼期间扭矩波动大等现象频繁出现，造成钻具疲劳损伤，并加快了钻头的磨损速度。在进行钻头设计选型时，综合考虑二开前期钻头使用情况、实钻地层岩性以及上述复杂情况等，研制了具有较强耐磨性的φ311.1 mm PK6245MJD型PDC钻头，并与SLTIT型扭转冲击工具配合，形成了“PDC钻头+扭转冲击工具”复合钻井技术。

2.1 高效PDC钻头的研制

2.1.1 冠部剖面设计

钻头冠部的设计主要包括冠部内锥角和冠部圆弧形状两部分。内锥角越小，钻头冠部越尖锐，钻头外锥的切削齿能越充分接触地层，但钻头外锥齿因此受到的冲击载荷越大，也容易遭受冲击损坏，此外清洗效果也会受到一定影响，内锥角小的钻头比较适合钻进中软地层；内锥角越大，钻头冠部越平坦，钻压在钻头表面的分布越均匀，清洗效果越好，有利于提高钻头稳定性和攻击性，比较适合钻进硬地层。另外，PDC钻头的冠部形状直接影响钻头的攻击性和各部位切削齿的受力状态，在进行冠部轮廓设计时应满足易于布齿、便于加工、保证质量、提高效率的要求[4]。由于钻进火成岩过程中钻头易出现崩齿、断齿以及切削齿磨损严重等现象，综合考虑钻头的布齿、机械钻速和稳定性等因素，φ311.1 mm PK6245MJD型PDC钻头选择中等抛物线冠部设计，内锥角为165°，内锥深度20 mm。

2.1.2 刀翼及水力结构设计

一般而言，钻头刀翼越多，布齿密度越高，钻头的抗冲击能力越强。为了提高钻头的工作稳定性和抗冲击性能，φ311.1 mm PK6245MJD型PDC钻头设计采用六刀翼螺旋形结构。该结构不仅可以分散指向井壁的切削力，增大井壁与钻头保径之间的接触面积，而且可以有效减小钻头发生涡动的概率，延长PDC钻头的使用寿命。另外，利用PDC钻头优化设计软件对钻头水力结构进行优化，在六刀翼之间选择安装8个φ14.0 mm喷嘴，并将流道设计成螺旋流道，既实现了PDC 钻头的大排量钻进，强化了钻头水力作用效果，又能够满足各切削齿的清洗和冷却要求[5]。

2.1.3 切削齿的选择

为了保证在钻进火成岩地层时切削齿具有较高的抗冲击性和耐磨性，φ311.1 mm PK6245MJD型PDC钻头选择抗冲击性和耐磨性较高的进口优质φ16.0 mm复合片作为主切削齿，同时采用复合切削结构，后排齿比前排齿出露低，在前排齿磨损至与后排齿高度相同时，后排齿参与切削，可保证钻头具有较长的使用寿命[6]。

2.1.4 保径设计

哈山3井在石炭系火成岩地层钻出的井眼扩大率较小，从前期钻井情况看，划眼和扩眼的作业较多，为了保证钻进过程中钻头不缩径而确保井眼尺寸，φ311.1 mm PK6245MJD型PDC钻头主要采用双排边齿加强保径，同时采用螺旋形保径设计，这样既可以有效提高钻头的平稳性，又能够防止钻头涡动的发生。另外，在每个刀翼的保径部位设计有硬质合金片，可以达到加强钻头保径和延长钻头寿命的目的。

2.2 SLTIT型扭冲工具的研制

准噶尔盆地火成岩地层岩石类型多、岩性复杂，地层非均质性较强，钻井过程中PDC钻头容易发生卡滑问题，极大影响PDC钻头的切削速度和破岩效率，为此自主研发了SLTIT型扭转冲击工具，以解决PDC钻头的卡滑问题。SLTIT型扭转冲击工具是利用流体动力学和能量转换原理，借助部分钻井液驱动产生一定频率的扭转冲击，并直接作用在PDC钻头上，相当于给钻头施加一个额外的连续高频冲击扭矩，以辅助钻头破岩，增加钻头破岩能力，从而解决PDC钻头的卡滑问题，提高中硬以上及研磨性地层的钻井速度，同时延长钻头寿命[7-9]。

2.2.1 基本结构

SLTIT型扭转冲击工具主要由钻铤短节、冲击锤、导向机构、定位装置和钻头座等部件组成(见图3)，其中上部钻铤短节与钻铤连接，下部钻头座与PDC钻头相连接[10-11]。钻进过程中，钻井液经喷嘴截流部分钻井液驱动冲击锤旋转。在冲击锤敲击钻头座时，通往导向机构的流道打开，导向机构反向触发带动冲击锤向反方向旋转，周而复始，使PDC钻头在接收转盘或顶驱传递的扭矩的同时，接收来自扭转冲击工具的周向冲击能量。

图3 SLTIT型扭转冲击工具结构Fig.3 Structure of SLTIT torsional impact tool1.钻铤短节；2.导流盖；3.冲击锤；4.导向机构；5.喷嘴；6.中心管；7.定位装置；8.花键；9.钻头座

2.2.2 主要特点

1) 采用一体化多流道冲击锤设计，运动部件少，可靠性高(≥90%)；

2) 采用独特的结构设计和流体通道，即使工具失效，不影响正常钻进；

3) 可与国内常规PDC钻头配合使用，无需配备专用钻头，适用范围广；

4) 对适用于PDC钻头钻进的地层均有提速效果，特别对于中硬以上及高研磨性地层，提速效果更为显著。

2.2.3 主要技术参数

目前，自主研制的SLTIT型扭转冲击工具已经完成了适用于φ165.1～φ444.5 mm井眼的系列化设计，其主要技术参数见表1。

3 应用效果

φ311.1 mm PK6245MJD型PDC钻头与SLTIT型扭转冲击工具配合在哈山3井2 888.00～3 345.50 m井段火成岩地层钻进中进行了现场应用。该趟钻“PDC钻头+扭转冲击工具”一次入井连续工作649 h，进尺457.50 m，纯钻时间455.25 h，机械钻速1.0 m/h，行程钻速0.7 m/h，纯钻时效70%，创造了准噶尔盆地石炭系地层φ311.1 mm井眼单趟钻进尺最长、钻进时间最长纪录。与该井2 011～2 888.00 m井段火成岩地层的钻进情况相比，行程钻速提高了45.8%，单趟钻进尺提高了11.35倍；同时钻井过程中通过及时监测井斜角、调整钻井参数，井斜角由“PDC钻头+扭转冲击工具”入井前的4.2°(井深2 882.00 m处)降至1.2°(井深3 310.00 m处)，起到了很好的纠斜作用。由该井应用“PDC钻头+扭转冲击工具”复合钻井与上部火成岩井段常规提速钻井的应用效果对比结果(见表2)可以看出，常规复合钻井、水力加压器等提速方法单趟钻进尺很小，没有达到提速效果；SLTIT型扭冲工具消除了火成岩岩性复杂对PDC钻头的破坏，改善了钻头的能量传递效率，单只钻头进尺达457.50 m，解决了火成岩地层进尺少、钻速低的技术难题。

表1 SLTIT型扭转冲击工具的主要技术参数Table 1 Main technical parameters of SLTIT torsional impact tool

表2 “PDC钻头+扭转冲击工具”复合钻井与其他钻井方式情况对比Table 2 Comparison of PDC+SLTIT tool and conventional drilling in igneous rocks

“PDC钻头+扭转冲击工具”复合钻井钻进安山岩地层35.00 m、凝灰岩地层64.00 m、凝灰质角砾岩地层12.00 m、凝灰质泥岩地层126.00 m以及玄武岩地层220.50 m等5种岩性的火成岩地层，这5种岩性火成岩地层的钻时分别为54.4，48.7，75.7，53.5和66.2 min/m。由此可知，在凝灰岩和凝灰质泥岩地层钻进时机械钻速较快，而凝灰质角砾岩和玄武岩的机械钻速相对较慢。

另外，PK6245MJD型PDC钻头出井后，未发生钻头缩径现象，新度80%，除7颗保径齿崩损严重外，其他部分保持完好。上部2 344.18～2 346.4 m井段火成岩地层尝试应用了“M5365LA型PDC钻头+水力加压器”提速技术，钻头进尺仅2.22 m，平均机械钻速0.44 m/h。可见，应用扭转冲击工具能延长PDC钻头的使用寿命，提高机械钻速。

4 结论与建议

1) 应用SLTIT型扭转冲击工具可以解决复杂深井PDC钻头使用过程中存在的卡滑问题；同时SLTIT型扭转冲击工具采用钻井液直接驱动锤击的结构方式，能与常规PDC钻头配合使用，具有可靠性高、适用范围广的技术优势。

2)φ311.1 mm PK6245MJD型PDC钻头具有中抛物线冠部、多喷嘴水力结构以及刀翼式复合切削结构等特点，与扭转冲击工具配合能延长PDC钻头的使用寿命，提高机械钻速，是实现火成岩地层优快钻井的一种有效手段。

3) 建议进一步开展火成岩地层与高效PDC钻头的适应性和匹配性研究，提高PDC钻头和扭转冲击工具的使用寿命和可靠性，加大“PDC钻头+扭转冲击工具”复合钻井技术在火成岩等高研磨性地层中的现场试验及推广力度。

参考文献
References

[1] 易浩，白彬珍，赵志国，等.玉北地区深井快速钻井技术[J].石油钻探技术，2011，39(6)：27-30.

Yi Hao,Bai Binzhen,Zhao Zhiguo,et al.Faster drilling technology in Yubei Area[J].Petroleum Drilling Techniques,2011,39(6):27-30.

[2] 杨明合，夏宏南，蒋宏伟，等.火山岩地层优快钻井技术[J].石油钻探技术，2009，37(6)：44-47.

Yang Minghe,Xia Hongnan,Jiang Hongwei,et al.Optimized drilling techniques to increase drilling speed in volcanic formations[J].Petroleum Drilling Techniques,2009,37(6):44-47.

[3] 赵洪山，冯光通，唐波，等.准噶尔盆地火成岩钻井提速难点与技术对策[J].石油机械，2013，41(3)：21-26.

Zhao Hongshan,Feng Guangtong,Tang Bo,et al.Difficulties in igneous rock drilling in Dzungaria Basin and technological solutions[J].China Petroleum Machinery,2013,41(3):21-26.

[4] 肖国益，胡大梁，廖忠会，等.川西须家河组地层PDC钻头结构参数优化及选型[J].石油钻探技术，2012，40(3)：28-32.

Xiao Guoyi,Hu Daliang,Liao Zhonghui,et al.Parameter optimization and selection of PDC bits for Xujiahe Formation in Western Sichuan[J].Petroleum Drilling Techniques,2012,40(3):28-32.

[5] 张建平.桥古1井快速钻进PDC钻头优化设计与效果分析[J].石油钻探技术，2012,40(6)：119-123.

Zhang Jianping.Design optimization and effect analysis of fast drilling PDC bit for Well QG-1[J].Petroleum Drilling Techniques,2012,40(6):119-123.

[6] 邹德永，曹继飞，袁军，等.硬地层PDC钻头切削齿尺寸及后倾角优化设计[J].石油钻探技术，2011，39(6)：91-94.

Zou Deyong,Cao Jifei,Yuan Jun,et al.Optimization design of the cutter size and back rake for PDC bit in hard formation[J].Petroleum Drilling Techniques,2011,39(6):91-94.

[7] 高航献，瞿佳，曾鹏珲.元坝地区钻井提速探索与实践[J].石油钻探技术，2010，38(4)：26-29.

Gao Hangxian,Qu Jia,Zeng Penghui.Research and practice to improve drilling speed in Yuanba Area[J].Petroleum Drilling Techniques,2010,38(4):26-29.

[8] 张金成，张东清，张新军.元坝地区超深井钻井提速难点与技术对策[J].石油钻探技术，2011，39(6)：6-10.

Zhang Jincheng,Zhang Dongqing,Zhang Xinjun.Difficulties of improving rate of penetration and its technical solutions in Yuanba Area[J].Petroleum Drilling Techniques,2011,39(6):6-10.

[9] 孙起昱，张雨生，李少海,等.钻头扭转冲击器在元坝10井的试验[J].石油钻探技术，2010，38(6)：84-87.

Sun Qiyu,Zhang Yusheng,Li Shaohai,et al.Application of bit torsional impact generator in Well Yuanba 10[J].Petroleum Drilling Techniques,2010,38(6):84-87.

[10] 周燕，安庆宝，蔡文军，等.SLTIT型扭转冲击钻井提速工具[J].石油机械，2012，40(2)：15-17,98-99.

Zhou Yan,An Qingbao,Cai Wenjun,et al.Model SLTIT torsional impact drilling speedup tool[J].China Petroleum Machinery,2012,40(2):15-17,98-99.

[11] 周燕，金有海，董怀荣，等.SLTIDT型钻井提速工具研制[J].石油矿场机械，2013，42(1)：67-70.

Zhou Yan,Jin Youhai,Dong Huairong,et al.Development of SLTIDT type torsion impact fast drilling tool[J].Oil Field Equipment,2013,42(1):67-70.