特殊的钻井技术环境

川西新场须二气藏是全国第一个致密碎屑岩超深、超高压、超致密复杂气藏，探明储量达1211亿方，主要目的层须家河组二段埋深超过4500m，由于高温、高压、岩性致密，勘探开发难度较大。目前深层须二段主要采用常规钻井技术，平均机械钻速仅0.9m/h左右。通过在须二段试验涡轮钻井技术，使机械钻速得到显著提高，成为提高深层钻速的有效途径。

川西新场地区须二段主要岩性是泥岩和砂岩层，地层抗压强度波动范围大，地层岩性变化大（砂泥岩互层）且变化频率快；内摩擦角在46°左右，最高可达57°，非限制加压强度在5000～26000psi之间，平均值大约20000psi。可钻性级值达6~7.5级，属高硬度、高研磨性地层。

根据对新场地区2007~2009年完钻的10口深井的统计结果，在须二段地层总计使用112只钻头，平均机械钻速0.93m/h。其中牙轮钻头109个，占97.32%，PDC钻头和孕镶金刚石3只，占2.68%，牙轮钻头使用占绝对多数，进口牙轮钻头在进尺和机械钻速方面都优于国产钻头，详见表1。由于地层的高研磨性，PDC钻头无法得到有效的应用，无法应用在上部地层取得良好提速效果的“高效PDC钻头+螺杆”的复合钻井方式，仅靠常规钻井难以有效提高机械钻速，探索新的钻井方式就显得尤为必要。

涡轮钻井技术在川西提速

自前苏联在1924年成功将涡轮钻具应用到钻井中开始，涡轮钻具得到了不断发展，目前可用于直井及定向井钻井作业。在欧美各油田，多采用PDC钻头配合涡轮钻具钻进，机械钻速大大提高。

涡轮钻井技术优点  可以提高机械钻速，大幅度缩短钻井周期；提高钻具稳定性能，保护钻具及井下工具；配合孕镶金刚石钻头，提高单只钻头寿命及进尺，减少起下钻时间。与牙轮钻进相比较，涡轮钻井单趟钻进平均可节约5～8 次起下钻；减少钻井液对储层的浸泡时间，有利于保护和发现油气层；可提供良好的井眼条件，有利于提高固井和完井质量。

实施涡轮钻井的条件  涡轮钻具需要一定的压力损耗以提供足够的能量输出，要求钻井泵具有足够的功率，以保障涡轮钻具需要的水力能量；涡轮钻具特性需要足够的稳定性，长保径钻头及扶正器的使用要求具备良好的井眼条件，钻井液具有良好的携岩能力及护壁性能，提高井壁稳定性，减少井下掉块，以避免蹩跳等现象的发生。涡轮钻具示意图见图1。

涡轮钻具选择  根据地层岩性及井眼尺寸，选择使用Smith Neyrfor 4 3/4″T1MK2直涡轮，总长11.22m，涡轮轮级为99级，转速700~1400rpm，适合钻头尺寸5 5/8~6 3/4″。

钻头选型  针对于须家河组地层石英含量高、研磨性强、可钻性差，且存在泥页岩夹层的情况，选择K507/K503孕镶金刚石钻头(见图2)，均为12刀翼，适合钻压2~9t。该型钻头针对较硬的研磨性地层，采用GHI孕镶方式和长保径结构，增强了钻头的抗磨能力。目的是以涡轮钻具的高转速结合孕镶金刚石钻头的抗研磨及自锐性能，实现机械钻速的提高。

钻井参数设计   涡轮钻具参数设计见表2。

自2009年以来，累计在XC8井和X501井进行了涡轮钻井试验，涡轮钻井钻具组合：Φ165.1mm

K507/K503钻头+Φ120.6mmT1XLMK2涡轮钻具+Φ158.8mm球形扶正器+浮阀+Φ120.6mm钻铤9根+Φ120.6mm随钻震击器+旁通阀+Φ88.9mm加重钻杆15根+Φ101.6mm钻杆。

钻井指标分析   XC8井涡轮钻进井段4828.00~4966.43m，纯钻时间96.75h，进尺138.43m，平均机械钻速1.43m/h，此次涡轮钻井在川西地区为首次成功应用。

X501井第一趟涡轮钻进井段为4815.55~5040.21m，进尺224.66m，纯钻时间110.75h，平均机械钻速2.03m/h。第二趟钻进井段为5040.21~5245.49m，进尺205.28m，纯钻时间102.25h，平均机械钻速2.01m/h。该井用两趟钻实现须二段总进尺429.94m，纯钻时间213.00h，平均机械钻速达到2.02m/h，创川西地区须二段钻井新纪录。 

由图3和图4可以看出，两口井采用涡轮钻井分别提高机械钻速55.43%和119.56%，进尺增加3~5倍。且涡轮钻井纯钻率高达50.92%，在保证相对较高的机械钻速前提下，可以有效地节约钻井时间，提高钻井效率，通过与邻井对比发现，可节约钻井时间20d以上，有效缩短了钻井周期。

钻头应用效果  通过对两只钻头分析，K507 及K503 型孕镶金刚石钻头与须二段高石英含量砂岩地层配合性均较好，钻头磨损均匀，在正常的范围内。孕镶金刚石钻头的自锐能力在使用中得到了良好的验证，其GHI齿的磨损及胎体表面金刚石的良好暴露，在高速条件下可以通过对地层的磨削获得较高的机械钻速。钻头在砂岩、碳质页岩、石英砂岩、砂砾岩地层均能够获得良好的机械钻速，但在高抗压实强度、高硬度页岩地层，机械钻速有所降低。

其中，K507钻头在XC8井及X501井两次入井总纯钻时间达到207.5h，总进尺达到383.09m，是川西地区须二段地层进尺和纯钻时间最长的钻头。K507钻头出井情况见图5。

使用要点  涡轮钻具入井前在井口以小排量(正常钻进排量的60%，Q=8～10L/s)进行空运转试验，检查涡轮钻具是否容易启动和螺纹处有无渗漏，并记录立管压力和排量。地面流量测试最大压力不能超过7MPa。

开泵须使用钻杆滤清器，以防涡轮钻具和钻头水眼堵塞（接单根前应及时取出滤清器）。

下钻遇阻不超过50kN，上下活动钻具无效时，应开单泵循环，慢慢划眼通过，不得强下；尽量避免用钻头划眼，如果划眼，一定要试着用小排量，不超过正常钻进2/3 的排量。

钻头距井底5.0～9.0m 时先开单泵循环，井口有钻井液返出时缓慢下放钻具，清洗井底，以小钻压(10～20kN)进行井底造型0.3～0.5m，逐渐将排量开到设计值，将钻压增加至设计值，司钻可根据钻时及扭矩变化在一定范围内调整钻压，使机械钻速达到最高。

正常钻进时钻压控制在30～70kN 左右，送钻要均匀，严防溜钻，及时变换参数，注意钻压、泵压、钻时及扭矩的变化情况，准确判断钻头工作情况。因涡轮钻进所需要钻压较小，司钻应结合钻进速度，及时校正司钻控制台相关仪表。钻进中需停泵时，应先上提钻具不少于6m，以防岩屑下沉而卡住钻头或涡轮钻具。

如发生井漏，应认真分析漏层特性，并立即组织人员和材料及向甲方有关部门申报，决定下步施工方案。如果堵漏，须要参照Smith 堵漏材料表进行堵漏材料选择。否则起出涡轮钻具，再进行堵漏。

当需换钻头、钻达设计井深或者其他原因的起钻，如果在裸眼段起钻遇阻，应该马上下放，然后再慢慢上提。如果遇阻上提拉力仍增加，应再次慢慢下放钻具，并接上方钻杆或者顶驱开泵慢慢倒划眼。

川西深层须二段地层应用涡轮钻井技术，可以提高机械钻速1倍以上，进尺增加3~5倍，且井下工作时间长，有效缩短了钻井时间。

高速涡轮钻具配合孕镶金刚石钻头在川西深层的成功应用，验证了涡轮钻具在高研磨性砂岩井段的适应能力，是提高深层钻速的有效途径，建议在该地区广泛推广应用。