影响钻井速度因素及提速潜力分1.doc

影响钻井速度因素及提速潜力分析查永进 张富成 葛云华中国石油集团钻井工程技术研究院 摘 要： 影响钻速的因素有地层因素，装备条件及技术水平，破岩方式与破岩工具，循环介质，钻井参数，钻井液体系等，本文分析了这些因素对钻井速度的影响，对高压喷射钻井，欠平衡钻井，气体钻井，防斜技术，新型钻头，井下动力钻具，钻井液技术等技术提高钻速的潜力进行了分析，对中国石油提高钻井速度提出了一些建议。主题词： 钻井速度 潜力 喷射钻井 欠平衡 钻头钻井工程作为油气勘探开发的主要手段和关键环节之一，具有资金、技术密集，高投资、高风险的特点。钻井占勘探开发投资的50%以上，钻井速度的快慢对油气勘探开发效益具有十分重大的影响。而目前国际油价不断上涨，导致全球钻井工作量不断加大，钻机供应紧张。国内在钻井队伍不断膨胀情况下，钻井工作量仍非常饱满，而单纯靠增加队伍不仅会导致效益的下降，还会导致钻井工作量下降时安置成本的增加。因此提高钻井速度，靠生产效率的提高以满足中国石油产量持续增长的需要，不仅是中国石油集团公司提高效益的需要，也是中国石油持续发展的政治需要。1. 影响钻井速度因素分析1.1. 地层影响地层对钻速的影响主要表现为地层压实对钻速的影响，下图1-图2是新疆莫索湾地区不同埋深地层机械钻速的回归分析结果。图1 新疆莫湾地区121/4²钻头机械钻速分析图2 新疆莫索湾地区171/2²钻头机械钻速统计以上两个图都反映出随着地层埋深的增加，地层岩石受压实程度增加，地层成岩性好，机械钻速急剧降低的变化趋势。地层压实程度除与埋深有关外，还与地层古地质时代的埋深有关，表现为在某些地区，地层古时代曾深埋，后期由于构造运动，地层抬升，遭受剥蚀，地层变浅，这时虽然深度不大，但地层压实程度高，地层可钻性变差。不同环境下沉积的地层，其可钻性差异也非常大，表现为砾岩地层使用牙轮钻头时由于地层的不均质性加之砾石的难以破碎性，使机械钻速远低于砂泥岩地层。另外对于牙轮钻头来说，砂岩地层机械钻速在同样埋深情况下高于泥岩地层，地层的含钙质胶结对地层可钻性也产生不利影响。山前地层由于受高的构造地应力挤压作用，表现为机械钻速低于非构造挤压地区的机械钻速，塔里木库车山前的第三系以上地层机械钻速仅1m/h左右，采用垂直钻井系统等强化钻井参数后机械钻速也不到5m/h，而台盆构造地应力不强的地区相同地层机械钻速却高出10倍以上。地层的复杂程度对钻速也有非常巨大的影响，主要表现为：（1）以东北大庆、吉林为代表的浅层油藏，经过多年开发，储层严重亏空，高压注水、压裂是平衡储层压力、开采剩余储量的主要手段之一，但同时也产生人工地层裂隙，有的地区这些裂隙已连通其它层位，导致不明的地层压力异常，从而导致在调整井、加密井的施工中出现井漏、井涌、卡钻等复杂情况，上面裸眼段泥浆浸泡时间增加，泥页岩水化膨胀，从而引起井壁掉块、坍塌等复杂情况。（2）以西南四川为代表的上部地层，地层裂缝甚至溶洞发育良好，恶性井漏甚至失返时有发生；以新疆准噶尔盆地南缘为代表上部地层，山前沉积多回旋无胶结巨厚砾石堆积，地层倾角大，富含强水敏性泥岩，第三系安集海河组的地层富含蒙脱石、伊蒙石混层的泥岩和多种盐类的阴离子，存在强坍塌应力及由快速沉积引起的超高压地层流体，地质情况异常复杂，常规钻进中缩径、坍塌很难控制，阻卡严重，井漏、缩径、坍塌及阻卡等复杂情况影响钻井速度的问题异常突出。（3）西部以塔里木为代表的中深部地层，山前构造地应力分布复杂，井眼失稳十分严重，主要表现为：泥页岩的坍塌及煤层的垮塌、盐膏层及软泥岩的蠕变缩径，多套压力系统共存容易造成漏、涌、卡等。如克拉苏构造，第三系存在有300-800m厚度不等的复合盐层；下三系库姆格列木组白云岩高压气层压力系数2.12-2.20 ；下第三系低和白垩系砂岩地层压力系数1.75-2.09，且兼具有孔隙和裂缝双重性质，孔隙压力相对较小，白云岩气层裂缝发育，孔隙压力较高，窄密度窗口安全钻进无保障，恶性井漏不断出现；高陡构造井斜严重，制约施加钻压，且地层耐磨性强、可钻性差，这些都严重制约着钻井速度的提高。（4）西南川东地区，油气埋藏深，地质构造复杂，如黄草峡构造高点多，走向断层发育，同一裸眼井段同时存在压力系数悬殊的多个压力系统，喷、漏、卡问题十分突出。1.2. 装备条件及技术水平钻井装备是主动提速的关键因素，且对于各种地层条件都适用。八十年代初，当时石油部钻井局大力推行喷射钻井，使钻井速度得到了大幅度的提高。当时学术界有一种观点，认为上部松散地层依靠水力可以辅助破岩，但钻井局认为只要泵压提高了，破岩效果就会更好，事实证明这一观点是正确的。但近年来，由于钻井装备水平进步不大，虽然大多数井队都装备了1300马力泥浆泵，但由于易损件不过关，泵的实际功率不到设计值的60%，许多只能在50%额定工况下工作，许多井队泵压超过20MPa就频繁修泵，导致泵压二十多年长期徘徊在20MPa以下，甚至于许多井队只在15MPa左右泵压工作，导致机械钻速提高缓慢。顶部驱动系统对于提高钻井速度也有非常重要的作用，使用顶部驱动系统首先可以提高纯钻进时效，减少起下钻等作业时效，另外顶部驱动系统对于减少阻卡等复杂事故也具有非常重要的作用，在复杂井钻井中能大幅度减少复杂与事故时间。在窄密度窗口条件下钻进时，利用顶驱系统可以在上提钻具时保持开泵，从而减少抽吸压力引起溢流的发生，从而可以减少泥浆密度的附加量。从而减少井漏的发生。套管钻井是近几年来发展起来的钻井新装备，套管钻井可以减少起下钻与下套管时间，从而可以提高钻井速度。连续油管钻井也是一种新的钻井方式。连续油管用于钻井可以大幅度减少起下钻井时间，完井时可以切下油管作为完井的油管，这一技术用于分支井可以大大加快钻井与完井速度。电驱动钻机、大功率的绞车对钻井速度提高也有一定的作用。总之提高速度离不开装备的进步与更新，中国石油应大力发展先进的钻井装备，提高装备质量，加速先进钻井装备的配备力度。1.3. 破岩方式与破岩工具自旋转钻井问世以来，破岩机理基本没有改变，主要采用机械应变力破碎岩石。目前的破岩工具可大体分为两种：PDC钻头和牙轮钻头。国内代表性厂家是川石和江汉，常规大量应用的井眼尺寸钻头系列基本能满足各个油田的需要，但由于钻头研发投入和力量相对薄弱，钻头系列相对较少，还不能完全满足各个油田的不同地层及不同尺寸井段所需，如塔里木及四川的大尺寸井眼；大庆、吉林及塔里木的深层高研磨性地层（PDC钻头无法使用，牙轮钻头机械钻速极低）；含有砾岩等夹层的地层（PDC无法应用，牙轮钻头牙齿蹦坏）等等。国外钻头技术目前进步明显，各大钻头厂商普遍推出了新一代PDC钻头，与上一代PDC钻头相比，PDC复合片的耐磨性提高了十几倍，而抗冲击性仍能达到更高的水平。这类PDC钻头穿砾石夹层的能力更强，机械钻速更高，寿命更长。目前国外牙轮钻头也取得了突破性进展，主要表现在：改进了密封性能与轴承结构，使寿命更长；按有利于高效破岩方式优化布齿，使机械钻速更高；改进了喷嘴结构，使水力能量得到更充分的发挥。国内在水力能量的利用方面也进行了深入的研究，从上世纪八十年代后期开始，国内尝试了脉冲喷嘴提高钻速的研究，到目前又发展了空化水射流辅助破岩，取得了较好的提速效果，但受加工、材料的限制，喷嘴寿命与钻头寿命尚不匹配，使这一技术没有大面积推广应用。进一步的推广应用需从产业化、扩大国际合作方面进行进一步的探索。国外试验证实，如果利用超高压水射流先在井眼切出一道细槽，则常规钻头的机械钻速可最多提高十几倍，利用井下增压装置可以产生超高压射流辅助钻井，使喷嘴处的压力增加到150Mpa左右，据国外资料证实可使机械钻速提高50%。旋冲钻井是在常规钻井基础上发展起来的一项钻井新技术，其原理是在钻头上部增加一个冲击器，冲击器是一种井底动力机械，是旋冲钻进的关键设备，在石油钻井领域研究应用的有气动和液动两种。钻进过程中，钻头随钻柱旋转，同时还受到来自冲击器的脉动冲击，在钻压、旋转和脉动冲击下联合作用破碎岩石。 其主要技术特点是：(1)岩石的破碎是受钻头的冲击压入和回转刮削联合作用完成的；在较坚硬的岩石上，旋冲钻进基本上是体积破碎，不是研磨破碎，因此具有更高的破岩效率。(2)由于是高频冲击破碎，破岩时间极短，地层岩性变化对破碎效果影响不大。在钻头上不易形成偏斜力矩，因此形成的井眼规则、质量好。(3)高频冲击破碎使岩石对钻头的研磨相对减少，钻头寿命相对延长。(4)由于破岩方式是利用高频冲击和回转实现的，因此，钻进过程不必采用过高的钻压和转速，能有效控制井斜的同时，钻柱受力情况也得到相应的改善。基于旋冲钻井高效的碎岩机理及其技术特点，自从该技术诞生以来，发展速度很快。实践证明，旋冲钻井是继中软地层采用喷射钻井技术取得重大突破后，解决石油钻井中硬地层钻进机械钻速过低问题的最有前途的新方法之一。在玉门、四川、冀东等油田进行了20余次应用，机械钻速均提高在30以上，并在逆掩推覆等易斜地层中有效控制井斜方面发挥重要作用。旋冲钻井的关键和难点是如何提高该技术的核心工具冲击器易损件的单次使用寿命。虽然我国在液动冲击旋转钻进的理论研究方面较国外有一定差距，但基于国内流体钻井的广泛性反而在其产品的研制开发方面优于国外，除研制成功与国外相应的各种类型阀式液动冲击器外，还创造性发明了射流式冲击器、射吸式冲击器，单次使用寿命迅速由最初的13h提高到80h以上；并且与旋冲钻井配套的钻头研究、优化同步跟进，更大地提高该技术的推广应用，使冲击器的应用范围更加广泛，已由直井向定向井，大位移井方面拓宽；同时采用计算机技术对冲击器进行仿真计算，探索各种参数对冲击器的影响规律，实现科学调整冲击器结构和工作参数，大大提高冲击器能量利用率。通过不懈的努力和大胆创新，使冲击器的种类系列不断开发与完善，使冲击器易损件的单次使用寿命再上一个新台阶，能与单只高效钻头在钻井中使用寿命相当。虽然提速不如气体钻井成效显著，但由于冲击器工作不受井深及井下出油气水等复杂条件的影响，应用范围远广于气体钻井，旋冲钻井提速潜力不可估量。1.4. 循环介质因素随着钻井技术的发展和钻井装备的提高，钻井施工中的循环介质在原来较为单一的液基循环介质的基础上发展了成熟而高效的气体循环介质。在液基常规钻井方式下，井底岩石由于受到钻井液的压持效应影响，机械钻速受到严重的制约。但气体钻井时由于井底一个面为自由面，井底地层就变得非常易于破碎，实践证明，气体介质钻井可使机械钻速平均提高5倍以上，钻头寿命延长4倍，且能够避免漏失及其引起的喷、卡等复杂情况，从而大大提高钻井速度。气体钻井配合空气锤则提高钻井速度的效果更好。如果不具备气体钻井的条件，在液基流体钻井时，如果采用欠平衡钻井技术，避免压持效应对钻速的不利影响，则也能提高钻井速度。新疆油田的呼图壁地区的同一个构造下两口评价井，其中一口井采用平衡地应力的泥浆密度1.90g/cm3，其机械钻速为0.4m/h，而另一口井采用低于坍塌压力的泥浆密度1.45g/cm3，其机械钻速达到了4m/h。介于气基与液基钻井之间的还可以采用泡沫钻井等钻井方式，这些钻井方式虽然提高钻井速度的效果各有不同，但在地层条件适合的情况下，钻井速度比常规过平衡方式下的液基钻井方式速度都有提高。1.5. 强化钻井参数强化钻井参数包括强化钻头转速与提高钻头钻压。其中对于PDC钻头由于钻压与钻头寿命、扭矩相关，难以强化，在这种情况下强化转速是有效的途径。对于牙轮钻头来说，除强化转速外，强化钻压对于提高钻井速度更为重要。强化钻压需要相应的钻具组合，对于易斜地区来说，钻压往往与井斜密切相关，如果不能解决防斜技术则强化钻压将无从谈起，甚至对于PDC钻头其钻压也难以按需要施加。对于易斜地区在某种程度上说，防斜技术成为制约钻井速度提高的关键技术。1.6. 优化钻井液体系配方钻井液对钻速的影响一方面在于钻井液影响钻井的正常进行，优质的钻井液能保证钻井的顺利进行，而钻井液出现问题则阻卡、漏失、溢流等复杂事故将频繁发生，此时提高钻井速度将无从谈起，有时甚至连完成钻井任务都存在风险。钻井液另一方面也对机械钻速产生影响，研究表明，钻井液中固相含量越高，机械钻速越低，粘度越高，机械钻速越低。固相含量与钻井液密度密切相关，但也与有害固相含量有关，有害固相通常是低密度的劣质土或分散的钻屑，这些成份如果不能及时除去则对钻井速度产生非常不利的影响。2. 提速潜力分析从以上分析可以看出，中国石油提高钻井速度的潜力非常大，具体表现在：2.1. 高压喷射钻井根据喷射钻井理论，射流冲击力的大小决定水力破岩效果。室内试验证明岩石所能承受的抗外压强度比抗内压和抗张强度高，在相当水力压力作用下，岩石发生水力压裂和水力破碎。特别是对提高中深井大尺寸井段机械钻速成效显著，因为深井大尺寸钻头钻速较低的主要原因是钻头破岩能量不足，而深井大尺寸井段多在上部地层，地层岩性相对较软，如果能充分发挥利用高压水力射流能量破岩，其水力高压射流能量与钻头机械能量联合破岩就会大幅度提高大尺寸井段机械钻速。我国自1978年应用高压喷射钻井技术以来，在提高钻头进尺和机械钻速等方面，都取得了突破性进展，为高效快速钻井开辟了广阔的前景，这也是钻井技术变革的一项重大成果。大致经过了三个发展阶段：第一阶段，泵压为1012MPa；第二阶段，泵压为1415 MPa；第三阶段，泵压为1820 MPa。实践表明，随着泵压的上升，机械钻速大幅度提高，第二阶段比第一阶段机械钻速提高66%，成本下降61% ；第三阶段比第二阶段机械钻速又提高40%，成本又下降41，提速、经济效益十分显著。大量的研究和实践表明，喷速越高，钻速就越大，到目前为止，尚未找到喷射速度对提高钻速的极限值。目前喷射钻井不能进一步发展的原因在于泥浆泵、高压管线等配套的高压件、橡胶件质量存在问题，生产厂商不规范，质量难以保证；另外机修保障措施跟不上，导致设备性能下降。新疆局在2002年的东湾1井首次尝试28MPa高压喷射钻井，该井构造位置处于南缘1排半，井深为南缘地区最深，钻进难度大于第二排与第三排的邻井，结果该井机械钻速创当时准噶尔盆地南缘地区机械钻速之最，泵压对机械钻速的提高起到了关键性作用（见图3）。莫深1井是近期正在钻进的超深井，该井采用了国产9000m钻机，针对泥浆泵的易损件开展了攻关研究，使钻进泵压二开达到了28MPa，三开达到了33MPa，其结果是该井机械钻速在井眼尺寸比邻井大12级情况下，机械钻速反而还有提高，其中三开在井眼尺寸大1级情况下，PDC钻头机械钻速提高了2.5倍，牙轮钻头机械钻速提高了近1倍。虽然该井PDC钻头机械钻速提高有PDC钻头技术进步的成份，但国产牙轮钻头近几年在提高速度方面却进步不大，牙轮钻头在钻头尺寸增大1级情况下的机械钻速提高1倍充分证明了泵压对机械钻速的提高作用（见图4）。图3 准噶尔盆地南缘地区机械钻速对比情况图4 莫深1井三开机械钻速对比情况2.2. 欠平衡钻井技术提速欠平衡钻井的典型特征是能在油气储层钻井时保持钻井液柱的井底压力低于储层压力，从而实现可控的边喷边钻，以达到良好保护储层和油气直接显示的目的，同时，在储层或非储层井段钻进，除能有效提高预防处理钻井复杂事故的能力（如防漏治喷、减少卡钻和控制井斜等）、提高钻井的安全性，在增加钻头寿命、提高机械钻速、降低成本从而提高钻井速度和钻井效益等方面，同样效果显著，也因此被称为“提效钻井或效能钻井”。欠平衡钻井在钻井方式上已实现了空气、氮气和天然气、雾化钻井、泡沫钻井、充气液钻井和泥浆帽钻井等欠平衡钻井方法。在钻井设备上已逐步完善配套了旋转防喷器、制氮设备、可循环泡沫设备和不压井起下钻作业装置等（四川、新疆、长庆油田既具有液基又有气体欠平衡钻井的设备）；在钻井专业化队伍建设方面已基本形成了一个专业化的欠平衡钻井作业技术服务体系，如气体钻井公司有四川、新疆、长庆、大庆，欠平衡钻井公司有大港、四川、新疆、长庆、大庆。这些队伍在各个油田不同地层的现场施工中，充分展示了欠平衡钻井在提高钻井速度方面的优秀表现。1）气体钻井气体钻井技术是目前国际上发展比较迅速的一项技术，在解决低压地层漏失、提高深层研磨性地层及大井眼段钻井速度上具有明显的技术优势。针对大井眼段及深层高研磨性地层的钻井提速和地层漏失等问题，西南油气田、塔里木、大庆、长庆等积极开展空气钻井技术应用，成效显著。（1）提高深部地层钻速方面：塔里木油田在满东2、罗西1井开展了气体钻井现场试验，取得了初步的效果。其中满东2井在57/8井段5818.56200m实施了氮气钻井作业，累计进尺381.5m，平均机械钻速5.44m/h，是邻井同井段的10倍。（2）提高中上部大井眼段钻速方面，成效更加显著,见表1、2。苏里格气田钻井液钻井平均机械钻速是3.34m/h，而气体钻井的平均机械钻速是10.55m/h，是钻井液钻井的3.16倍。四川龙岗地区气体钻井的平均机械钻速是21.19m/h，是钻井液钻井1.8m/h的 11.77倍；空气锤气体钻井的机械钻速更高。（3）龙岗地区大量推广应用气体钻井表明，气体钻井机械钻速可以比常规钻井方式提高8倍，而使用空气锤则还可提高44%(见图5)。表1 苏里格气田气体钻井提速效果对比井号地层井段（m）进尺（m）纯钻（h）钻速（m/h）与邻井钻井液对比苏38-16-2纸坊组-石盒子216434451281337.713.79钻井液苏40-16纸坊组-石盒子216932911122380.942.94钻井液苏39-14-4纸坊组-石盒子21703261109193.8311.65气体苏38-19纸坊组-石盒子211532411126116.339.67气体表2 气体钻井在四川龙岗地区的应用效果对比井号地层井段（m）进尺（m）纯钻（h）钻速（m/h）循环介质钻头龙岗1井遂宁组沙溪组8072519171258.7829.1空气+空气锤沙溪组珍珠冲2519344192246.4219.86空气+HJ617遂宁组珍珠冲80734402534105.224.10空气龙岗9井遂宁组沙溪组10662501143564.8322.13空气+空气锤沙溪组凉高山2501292942837.511.41空气HJ537G遂宁组凉高山106629291863102.3318.21空气龙岗11井遂宁组沙溪组7542156140262.3322.49空气+空气锤沙溪组沙溪组21562535379210.661.80钻井液提高8.3倍提高44.6%图5 龙岗地区不同钻井介质情况下钻速对比 2）液体欠平衡钻井许多室内实验和大量现场实钻统计都表明：过平衡钻井的正压差不仅导致污染油气储层，也容易加重地层漏失，特别是在低压、亏空及裂缝地层；同时由于正压对地层岩石的压持作用，也是影响钻速的最重要因素之一，欠平衡钻井可以明显地提高机械钻速，同时减少漏失复杂情况，从而提高钻井速度，而且越是深井、硬地层，提速效果越明显。（1）在钻井提速上，西南油气田为典型代表，通过欠平衡技术解决了磨溪、广安等气田香溪群雷口坡层段复杂地层钻速慢的问题，为加快对该地区的地质认识提供了强有力的技术保障。（2）解决漏失问题方面，2006年塔里木油田分别塔中62-27和轮古35井上实施了欠平衡钻井，成功穿越了裂缝和溶洞，克服了漏失复杂层段钻井问题。目前，欠平衡钻井技术已相当成熟，但应用规模相对较小。除西南油田已规模化应用外，其它部分油田应用规模、范围较小，还有部分油田处于探索阶段，并且90%集中在探井上，开发井只有零星应用，究其原因有三：一是部分油田对欠平衡和气体钻井认识存在误区：在欠平衡/气体钻井技术应用早期，部分油田由于技术不成熟，应用中出现了不同的问题，使欠平衡应用的效果不明显或不如人意，这使部分油田对欠平衡钻井认识产生误区，认为本油田不适合于推广应用欠平衡钻井技术，认识上的不足，导致重视程度不够，影响了欠平衡钻井在本区的探索发展和推广应用。二是部分油田对欠平衡钻井和气体钻井的研究深度不够，影响了其欠平衡钻井的应用效果和范围：由于对欠平衡钻井的理论研究不够，使得部分油田对于井底压力控制、井眼稳定、地层出水等问题不能及时做出正确判断和把握，使欠平衡钻井面临更多的复杂问题，限制了欠平衡技术的进一步推广应用。三是欠平衡钻井专设备国产化率低，进口设备成本高、使用费高，专业化程度低，加上一些关键性技术不足，如气相介质钻进水平井时缺乏有效的轨迹随钻测量手段（EM-MWD），井下套管阀的可靠性还有待提高（广安002H1井套管阀失效），其适应性还需要进一步研究等，还不能完全适应欠平衡技术进一步推广的需要。欠平衡钻井特别是气体钻井是提高钻井速度的一个重要手段，这在国内外业界已达成共识，西南等油气田的成功规模化实践为其它油气田的推广应用搭建了良好的平台，随着集团公司上下有关人员特别是各级领导对欠平衡钻井重视程度的提高及对其技术和装备研发投入的加大，欠平衡钻井技术逐步发展完善，应用范围不断拓宽，装备国产化率逐年增加并配套齐全，专业化队伍不断扩大，欠平衡钻井特别是气体钻井在提高钻井速度方面必将发挥其不可替代的作用，也必将成为近期甚至今后相当长时期内大范围大幅度提高钻井速度的重要手段。可以预期，如果欠平衡（气体钻井）应用面能达到20%，则中国石油钻井机械钻速必将上升一个大的台阶。2.3. 防斜钻井技术目前国内对于防斜技术已进行了多年的研究，其中预弯曲动力学防斜技术、偏轴钻具防斜技术、井下动力钻具防斜技术等都得到了应用，分别在不同的地区都取得了一定的效果。近年来国外各大公司都发展了垂直钻井技术。其原理为利用井下随钻测量系统测量井斜与方位，然后通过控制执行机构迫使钻头向井斜的相反方向切削，从而实现垂直钻井。这一技术使防斜技术由被动防斜变为主动防斜，在可以充分强化钻压的情况下保证井斜在1°以内。这一技术的应用除可以大幅度提高钻井速度外，对于减少套管的磨损，提高油井的寿命都有非常好的作用。虽然这一技术使用成本较高，但在塔里木油田还是得到了大量的应用，取得了显著的经济效果，在保证克拉2地区产能建设节奏和加快迪那2气田高效开发步伐方面发挥了重要作用。塔里木油田在2005年引进垂直钻井系统的基础上，针对高陡构造、铁矿粉加重泥浆、钻井周期长的山前钻井环境，2006年与服务公司对工具结构进行了改造，优化了钻具结构，改进了操作软件，同时制定了垂直钻井技术规范和山前深井井身质量标准。由于上述措施，2006年垂直钻井系统应用效果得到了进一步提高，应用垂直钻井9口井，总进尺26649m，平均机械钻速6.25m/h，比邻井同井段钻速提高了238% ，井斜基本控制在0.5°以内，山前井没有出现一口井由于上部井身质量影响下部施工。特别是在迪那地区五口井中16井眼使用Power-V效果极为突出，井深将近4000m，平均单井进尺3269.85m，平均机械钻速7.83m/h，井斜基本控制在0.5°以内，创山前16井眼钻深及井身质量纪录，创国内16井眼Power-V钻深最深纪录。2.4. 新型钻头使用1）个性化钻头设计个性化钻头设计是指厂商根据地区地层特点，针对性地设计钻头，从而提高钻的头的使用效果。玉门油田在长3井个性化PDC钻头与本井相邻井段4363.30 4420.00m使用的1只HJ617钻头(进尺56.70m，平均钻速0.61m/h)相比，平均钻速接近，而单只钻头进尺提高9.60倍，获得较好的使用效果。2）新一代PDC钻头使用新一代PDC钻头不仅可以提高钻头使用寿命，可以钻穿常规PDC钻头无法穿越的砾石层，也可以提高速度。新疆油田莫深1井19152287m，地层以含砾泥岩为主，邻井曾尝试使用PDC钻头，但都不成功，设计用牙轮钻头，实际用新一代PDC钻头，进尺372m，机械钻速6.12m/h，钻头轻微磨损。相比此井段上只牙轮钻头，机械钻速提高3倍以上。莫深1井在三开时，使用一只新一代PDC钻头进尺从4500.065588.07m，进尺1088.01m。纯钻时间：342h，平均机械钻速3.18m/h。而邻井PDC钻头平均机械钻速0.99m/h，牙轮钻头机械钻速1.11m/h。松辽盆地深层天然气田的的深部地层岩石可钻性级值达到了8级以上，长期以来PDC钻头应用效果非常差，近两年引进瑞德新一代超强复合齿PDC钻头，在该地区取得了非常好的效果。在徐深8、升深202两口井使用中，累计进尺达到1048.51m，与牙轮钻头相比，钻达相同的层位，机械钻速提高了53.5%，钻头进尺提高了659.8%，创出了PDC钻头在泉二段以下地层使用的最好水平，这也是PDC钻头首次在泉一段至登娄库组硬地层中使用，也为该层段进一步提速摸索了经验(见表3)。国内PDC钻头厂商中成都百施特与深圳新世通公司也在提高PDC钻头齿的耐磨性方面进行了探索，近年在玉门青西和酒东地区取得了非常明显的提速效果。表3大庆徐深地区215.9mmPDC钻头试验情况对比表型号井号井段（m）地层进尺（m）钻速（m/h）与牙轮钻头对比情况DSX259徐深82531-3053泉二段登三段1048.512.84进尺提高659.8%钻速提高53.5%升深2022230-27562.5. PDC+井下动力钻具的复合钻井1）PDC钻头复合钻井的优越性对旋转钻井而言，从破岩机理上讲，提高机械钻速的唯一方法就是增加井底钻头的破岩能量（包括机械能量和水力能量），而井底钻头的破岩机械能量主要以钻压和转速这两项指标来衡量。由于受很多因素如钻具强度、动力能量及地层易斜等的限制，进一步提高钻压的潜力有限，目前行之有效的措施就是提高转速。提高转速有两种：一是增加转盘转速或采用顶部驱动装置；二是采用井下动力钻具加低转速旋转钻柱的复合钻井技术。但第一种方法受钻具强度、钻机能量限制，转速提高幅度有限。而采用PDC+井下动力钻具的复合钻井技术，钻头转速是钻机档转速的2倍，接近I档转速的4倍，并可充分发挥PDC钻头适宜高转速剪切地层的特性，大大提高PDC钻头转速和机械破岩能量，从而提高机械钻速。在F311mm井眼：吐哈油田在17272166m井段使用，比邻井同井段的平均机械钻速提高2.3倍；玉门油田在25632760m井段应用，比邻井同井段的平均机械钻速提高35.8%；塔里木的应用结果比顶部驱动钻井提高47.3%，比转盘提高88.8%。在F215mm井眼：大庆油田，机械钻速提高96. 4%；塔里木，机械钻速提高了56.98%。四川龙岗地区在4325m5001m井段，一趟螺杆钻具平均进尺385m，平均纯钻时间72h，平均机械钻速5.28m/h，是邻井同井段平均机械钻速3.10m/h的1.7倍。下图6是莫深1井井下动力钻具使用情况，从图中可以看出，使用井下动力钻具井段机械钻速大大高于相邻井段常规钻井方式下的机械钻速。采用导向螺杆进行复合钻进时，还可以连续控制井眼轨迹，实现一趟钻完成造斜、增斜、稳斜、降斜、扭方位等多种钻进方式，且导向钻进和旋转钻进相结合的间隔变换，易于控制狗腿度，井眼轨迹平滑，大大减少了起下钻时间的同时，保证井下安全。PDC钻头配合动力钻具钻井，避免了高转速下牙轮轴承的先期失效，不会发生掉牙轮事故，这些都为快速钻井提供安全保障。 井下动力钻具也可以配合牙轮钻头提高钻头的转速，目前国内外牙轮钻头可适应的转速都达到了250rpm以上，这为采用井下动力钻具提高钻井速度创造了条件。2）井下动力钻具的现状图6 莫深1井螺杆钻具钻进与常规钻井方式钻井钻速对比目前广泛使用的井下动力钻具是涡轮钻具和螺杆钻具（涡轮用叶片式马达，螺杆采用容积式马达），它们各有自己的优缺点。螺杆钻具的优点是：工作转速一般为80200rmin，扭矩大，压降低，适合钻定向井、水平井。缺点是：橡胶定子与钢芯转子在高钻井液密度、高温和钻井液净化不好条件下易磨损，造成定转子间的间隙增大，工作转速和输出扭矩逐渐下降；定子橡胶不耐高温，在温度1201500C下橡胶易失效，在深井和超深井应用中受到限制，进口螺杆钻具工作寿命虽然可达250h以上，但成本太高。目前北石厂已成功地开发出了耐高温螺杆钻具，在150180°C条件下使用寿命超过150h。为螺杆钻具进一步推广使用创造了条件。涡轮钻具 (包含减速器涡轮钻具)定转子均为铸钢或不锈钢铸造件，耐冲刷，最大优点是不含橡胶件，耐高温，工作温度可达2503000C，适用于深井、超深井和高温高压井。但是涡轮钻具的缺点，一是工作压降普遍在69MPa间，因此，在高钻井液密度条件下钻杆内部沿程水力损失大，没有足够能量传到井底，影响了涡轮钻具的推广使用。二是国产高速涡轮钻具止推轴承的使用寿命还未达到国外200h以上的寿命，有待进一步改进与提高。3）提速潜力实践证明，复合钻井大幅度提速是无庸置疑的；上述分析可知，复合钻井的关键设备-井下动力钻具还制约其更进一步、更大幅度的提高。国产螺杆钻具在深井中的平均寿命不到100h，如果螺杆钻具的寿命达到200h，对深井施工来说，一次下井可节约一次起下钻至少24h的时间，仅从这单一因素分析就可知复合钻井有着很诱人的提速潜力。随着研发力度加大，不同系列、类别的螺杆钻具如抗高温长寿命螺杆、气驱动螺杆等得到逐步完善，质量迅速提高；随着复合钻井技术的继续实践，现场应用技术和操作规范不断完善和提高；随着复合钻井的另一关键装备-钻头的系列逐步完善，复合钻井技术在今后的钻井提速中一定会发挥越来越大的作用，特别是油田和钻头厂家联合攻关，研制适合不同区域、不同地层的各种类型的个性化的高效PDC钻头，加以推广应用，将为复合钻井技术的提速起到锦上添花的作用。2.6. 钻井液技术我国钻井液技术的发展可划分为三个阶段：70年代以前的钙处理钻井液阶段；三磺钻井液阶段和阴、阳聚磺钻井液阶段。每个阶段的钻井液的研制成功都是我国在钻井液技术上的一大进步，特别是近五年来，我国钻井液技术特别是深井钻井液技术得到了快速发展并取得许多重要成果，为提高钻井速度、保储增产起到重要作用。钻井液对提速的直接贡献体现在以下几个方面：1）突破单靠提高钻井液密度来防塌的观念和技术：许多室内实验和现场实践证明，钻井液柱压力和地层压力间的正压差是影响机械钻速的重要原因，为达到降低密度同时增强钻井液防塌能力的目的，经过辛勤地研究和探索，成功研制出了适合不同地区地层的多种防塌钻井液体系。钻井液密度的降低，减小了钻井液液柱压力对井底岩石的压持作用，大大提高了机械钻速，有效控制泥页岩水化膨胀的同时，降低井下发生漏失的几率，为快速钻井提供了安全保障。2）循环泡沫与充气泡沫钻井液技术：泡沫是气体分散在溶液中的一种分散体系，泡沫钻井液的特点是密度低，携岩能力强；优点主要体现在保护储层和改进对储层的评价，同时大大提高机械钻速，延长钻头寿命，减少压差卡钻，防漏堵漏，尤其在地层压力系数小于1的低压和枯竭等易漏油气藏应用该技术，效果更加显著。该技术在辽河油田、新疆准葛尔盆地彩南油田、吉林油田海坨等和吐哈油田的三塘湖、火山岩区块等40多口井的现场应用，油气增产效果明显，机械钻速大大提高，钻井周期平均缩短20%。近几年来，研究开发了一些新的泡沫钻井工艺流程，其中包括可循环微泡沫钻井技术、充气泡沫等钻井工艺，在三皇2井、七坝1井的现场应用，解决了钻井液失返、接单根困难等复杂问题，保证了生产安全，同时机械钻速提高了45%，特别是在四川威远气田压力系数仅为0.40.6的产层，顺利完成修井开窗侧钻作业井6口，机械钻速提高2倍以上，取得了良好效果。3）高密度抗高温钻井液技术的研制成功与应用：高密度钻井液一般在深井和地层压力大的地层中使用。深井的特点是长井段中存在多种构造、多套压力系统，下部高温高压，井下情况复杂。高密度钻井液使用中所面临的难点是高温高压下固相容量低、滤失量增大、粘度太高、流动阻力大等。有关人员通过辛勤努力，研制开发了多种适合不同地区的高密度钻井液体系，能在高温条件下保持其良好的携砂、悬浮能力和较强的润滑防卡、抑制能力，减少或防止发生井壁垮塌等井下复杂事故，确保了井下安全，同时具有良好的流变性能，提高了高密度钻井液的剪切稀释性，减少了钻井液的流动阻力，增进钻头水马力的发挥，大大提高了钻进效率。该技术的现场应用使山前构造复杂井的钻井水平和钻井速度有了显著提高，尤其是在克拉2构造的克拉201、203、204井中的应用，平均钻速比克拉2井提高87.4%，平均钻井周期比克拉2井缩短57%；该技术在川西南探区的应用，在其它技术措施相同的条件下机械钻速提高了40%。可以预见：随着该技术的不断完善和发展，该技术定会在今后逐年增多的深井特别是在存有异常高压的深井的勘探开发施工中大放异彩。国内近期研究成功了钻井液增速剂，增速剂通过特殊油性湿润阻止钻头泥包的产生,具有以下四方面效果：n 弱化钻屑鳞片间的键能、阻止裂缝重新愈合，从而限制钻屑的长度, 得到理想的破碎尺寸。其机理是提速剂渗透和润滑鳞片之间切削面，使它们更易破碎；n 阻止钻屑的附聚；n 阻止粘土粘附钻头和BHA面（油包钻头）；n 迅速清除钻井液中的微米及亚微米粒子。该处理剂加入到钻井液中后可以提高钻井速度20%左右，目前已进入现场试验。综上所述，影响钻速的因素很多，有客观因素，更有主观因素，管理、观念、队伍、装备、技术、激励机制等因素都会影响钻速的提高。多年现场实践告诉我们，钻井提速首先要冲破思想观念上的禁锢，这是实现钻井提速的先导，靠科技、靠管理、靠安全、靠团结协作是实现钻井提速的核心，创新机制是创造钻井速度的动力，随着观念转变、科学发展和实践完善，提速潜力必定会得到充分发掘，钻井速度定会取得进一步提高。3. 提速建议1） 高压喷射钻井可以适用于所有地层与所有井，因此该技术对提高中国石油钻井速度的影响最大。高压喷射钻井的关键在于解决泥浆泵的易损件质量，使泥浆泵能长期稳定地在设计工况下工作。建议由集团公司组织正规厂商开展技术攻关，同时提高钻井公司设备维护保养水平，使泥浆泵能真正达到出厂标定工作参数。2） 大力推广以气体钻井为代表的欠平衡钻井技术，在不同的地层大胆探索，在适宜地层大力推广欠平衡（气体钻井）技术，提高钻井速度。3） 开展垂直钻井技术的研究攻关，降低垂直钻井技术使用成本，同时推动新的防斜技术的应用力度，强化易斜地区的钻井参数，提高钻井速度。4） 加快提高国产井下动力钻具的质量，提高井下动力钻具的使用效益，使井下动力钻具配高效钻头能具有更好的效益。5） 在更多地区引进使用国际上新一代PDC钻头，加快国产PDC钻头的技术进步，牙轮钻头要发展提高寿命，提高切削效率的新技术，提高钻头的使用效果。6） 发展各类欠平衡工作液，发展提速钻井液，针对各类复杂地层发展降低复杂的新型钻井液，为提高钻井速度创造条件。作者简介：查永进, 中国石油集团钻井工程技术研究院高级工程师, 通讯地址：北京海淀区四季青镇北坞村路甲25号静芯园M座 100097， ：010-52781748，13552665135，电子邮箱：zhayongjindricnpc