关于深井硬地层钻井技术的探讨
摘要：我们针对四川地区典型的深井硬地层、超硬地层和高研磨性地层钻井存在的难题，研究开发了新型系列化钻井工具，期待能达到解决问题的目的，在此介绍这些工具和工艺技术，希望能够起到抛砖引玉的作用，更好的找到解决深井硬地层、超硬地层和高研磨性地层钻井的问题。
关键词：深井；硬、超硬地层；高研磨性地层；蹩跳钻；变径稳定器、液力加压器、冲击螺杆钻具、井底负压钻井
深井硬地层、超硬地层和高研磨性地层钻井，到现在为止还是世界性的、普遍性的难题。在这种地层钻井，机械钻速慢、蹩跳钻严重、直井防斜和纠斜困难，钻具事故多，钻头、扶正器磨损严重，井径问题等等。笔者针对这些问题结合在典型的中国四川地区钻井的经验，为此设计了一系列解决问题的新型工具和技术方案，与同行共同探讨和研究，以期待解决这些问题，为深井硬、超硬地层和高研磨性地层钻井找到一条适合我国的途径。当然，深井钻井问题还非常多，如新疆的山前高陡坡构造的防斜问题、哈萨克斯坦肯基亚克盐下油藏的盐岩、泥膏层蠕动问题，压力高、油气活跃、钻速慢等钻井问题都比较典型，许多问题都可以找到相应的技术措施得到解决，总之，深井硬地层、超硬地层和高研磨性地层钻井存在着普遍性问题。
一、深井硬地层、超硬地层和高研磨性地层钻井的问题
四川南方海相地层钻探周期长钻速慢，其主要原因在于其地层“陡、硬、险”三大难点，须家河地层就是这些难点的缩影，钻探施工中普遍遇到的难点：1）地层倾角大，大钻压钻进易斜。2）地层坚硬，研磨性强，岩性变化大、可钻性差，有时一天只钻进2米。3）不易纠斜，常规轻压掉打，几乎没有进尺，效果也不明显且易造成掉牙轮事故。4）地层不均质，夹层多，软硬交错，蹩跳钻严重，钻具事故频发。5）地层坚硬、岩石致密，井径扩大率很小，钻头、钻柱磨损严重，钻头直径逐渐减小，井眼逐渐成锥形井眼，下一趟钻下钻困难；加之钻屑呈细粉状，在规则的井壁上形成致密泥饼，PDC钻头或普通扶正器下钻需要长井段划眼，这种情况非常危险，下放钻具太快的话，钻头或扶正器塞入小井眼卡住，地面观察还不到，这样就会出现三种情况：第一种情况扭断钻具或钻具涨扣；第二种情况因钻具扭转之后变短，卡住部分拔出，但是下部钻柱因弹性能释放急剧加速转动，很可能造成上部钻柱倒扣、脱口，下部大部分钻柱落井，钻头和扶正器被砸入小井眼卡钻；第三种情况就是最好的情况，就是虽然钻头扶正器有短暂的卡住，但是没有造成钻柱事故，总之这也是侥幸。即使通过划眼等措施PDC钻头和普通扶正器下钻到底，钻进之后起钻也会困难，并且下套管间隙太小，固井压力太高。6）地层压力高、油气活跃，部分区块含有H2S气体，钻井安全是非常重要的问题
二、新型工具的研制和解决这些问题的方案
1、采用一种新型钻柱结构，解决深井钻井的许多问题
笔者经过近几年的研究，研制出的新型长伸缩距的液力加压器，使用这种工具构成了一种全新的钻柱结构，不论是钻柱力学原理还是钻柱性能，都与传统的钻柱结构有了本质的不同。适用于深井钻井具有传统钻柱结构不可比拟的优点。在此我们认为，传统钻柱结构适合于浅井钻井，而从中深井开始就应该使用这种新型钻柱结构（在此，我们不妨称传统的钻柱结构叫重力式钻柱结构，带有新型长伸缩距液力加压器的钻柱结构为液力式钻柱结构）。
液力式钻柱结构不采用重力加压方式，而是液力加压，从液力加压器壳体向上钻柱都是拉伸状态（即悬挂着的），液力加压器心轴向下是液力推动和钻头液力牵引状态，加压过程（钻压可以很大）钻柱不发生弯曲，只要行程段不压并，地面钻压表显示“零”钻压，可以省略或减少钻铤的使用（避免粘卡、延伸钻机能力、节省起下钻时间、节省能源），并且具有液力减震（保护钻头、钻具，提高钻头进尺、提高钻进速度）钻压稳定（保护钻头）、自动送钻（减轻司钻劳动强度）、防斜等功能[1]。该工具结构原理如图1，使用简单方便，可以直接接在钻头之上，也可以接在井底马达之上，配合马达使用。
2、精巧的工具解决井径和卡钻问题
研制了新型的变径稳定器和可变径辊子扩大器以解决下钻划眼、卡钻和锥形井眼等问题，避免起钻卡钻、拔活塞等现象发生，同时很好的解决钻柱扶正问题，也有利于防斜打直。这些工具结构简单合理，开泵直径就变大，停泵直径就变小，无需特殊的操作规程，使用方便。并且磨损之后可以修复继续使用。如图2和图3
3、使用井底马达和液力加压器防斜打快
深井井身结构一般上部井眼直径比较大，因此可以使用大直径马达（螺杆钻具或涡轮钻具），由于大直径马达使用寿命较长，配合液力加压器使用可以提高机械钻速和防斜打直。一方面马达复合钻进使钻头具有高转速，使用液力加压器钻柱不弯曲、“零钻压”特性，提供最大程度的钟摆力，可以加大钻压，这样强化钻进参数以提高机械钻速；另一方面液力加压器的防斜作用和马达复合钻进的防斜作用（转速差防斜原理[２]）两者联合防斜作用较强，渴望达到防斜打快的目的。当然，变径稳定器和可变径辊子扩大器也应当同时使用。
4、首次提出“研究井底负压钻井技术”替代全井筒“负压钻井技术”
由于空气和泡沫负压钻井技术，存在着很多的应用限制条件和难题，现在的空气钻井技术也不能独立完成一口的钻井任务，只能完成某一特定的井段的钻井任务，并且成本高。我们就像当年刘希圣教授提出的井底增压技术一样，提出井底负压钻井的概念，与国内同行共同进行研究和突破。这也是国际性的前沿技术。我们现在研究的主要是用于井下马达的多功能特征稳定器。关于特征稳定器是出于斯派里森滑动导向技术，最典型的滑动导向系统是哈里伯顿的SlickBore™ Matched Drilling System即哈里伯顿-斯派里森公司的井眼平滑系统，SlickBore －平滑导向系统，本系统采用高性能导向马达（单弯），带有特征扶正作用的钻头和马达上部使用遥控变径稳定器。达到了滑动导向系统的最高峰，具有半智能性质的滑动导向系统。
就是关于特征稳定器，本来是在马达和钻头之间接一个跟钻头直径相当的小稳定器，这样的导向系统，经过大量的实践，机械钻速高，井眼平滑、规则，硬地层不出现螺旋井眼。后来斯派里森公司把钻头和特征稳定器做在一起了，作用是一样的。
我们要研究一个具有多功能的特征稳定器。即表面具有叶片，与井壁形成一个反向抽吸的叶轮泵，内部具有脉冲空穴发生器[3][4][5]的特征稳定器。它具有特征稳定器的功能，又有反向抽吸能力和形成井底负压空穴的功能，以形成较好的井底负压钻井技术。这一技术发展到一定程度后，渴望替代全井筒“负压钻井技术”。如图4和图5
三、新型冲击马达有望彻底解决深井硬地层钻井的机械钻速问题
深井硬地层钻井，纯粹的旋转钻进要大幅度提高机械钻速还是不可能的，根据许多成功的机构，如空气锤钻井、旋冲钻具还有建筑装修用的电动冲击钻等等都是钻进效率很高的旋转冲击钻进工具。旋转冲击钻井技术，已经研究了多年，钻井液钻井主要是以附壁作用的简单冲击器为主的旋冲钻井试验。试验证明，旋转冲击钻井技术在很大程度上提高了机械钻速（2～8倍），也得到了很好的经验数据[6][7][8][9]。但是，附壁作用的简单冲击器本身使用寿命太短（几小时至十几小时），因此影响了该技术的推广和应用。一方面我们重新研究新型阀式冲击器，采用新技术、新制造工艺和特殊材料，突破使命问题，就能够得到很好的推广应用。另一方面，我们研究冲击马达（螺杆马达或涡轮马达），只要使用寿命不影响原型马达的寿命，效果应该是非常好的，这一思想的提出，目前国际钻井界也是首次。冲击马达的研制也很简单，只要在原马达的基础上改进传动轴，加入冲击机构即可实现。我们在井底马达的基础上，研究新型冲击马达，在马达高转速的基础上增加震动冲击功能，有望彻底解决深井硬地层钻井的机械钻速問题，这将为世界钻井做出重大贡献。如图7
四、结束语
总之，钻井要从的实际出发，考虑地层的岩性、物性、可钻性，以及岩石的硬度、可压入强度等多种因素，掌握岩石力学性质，制定具体的施工方案，针对性研制新型井下工具，提高钻井效率，解决钻井问题。我们针对典型的四川地区地层和存在的钻井问题，研制了新型的钻井工具，特别是新型的液压式钻柱结构，对于深井硬地层钻井，具有很多的优点，从理论上可以很好的解决现有问题。我们期望事实上也能很好的解决深井硬地层、超硬地层和高研磨性地层钻井存在的难题。
参考文献：
[１] 唐玉渤，秦利民，赵希江. 长伸缩距液力加压器的研制[J].《石油矿场机械》，2010,39（3）：85～86．
[２] 付至胜译．《Ｈｅфтяное－BO》1989．No2
[３] 李根生，沈忠厚 等著 . 《自振空化射流理论与应用》.中国石油大学出版社2008.3
[４] 张志云，李根生，史怀忠 等.超深井脉冲空化射流钻井试验研究. 《石油钻探技术》 .2009.07 .
[５] 史怀忠，李根生，沈忠厚 等.水力脉冲空穴射流发生器配合Power –V防斜打快技术. 《石油钻探技术》.2009.01。
[６] 马开华，刘修善 主编. 《深井超深井钻井新技术应用于研究》.中国石化出版社.2005.10.
[７] 陈劲松，翟应虎.SYZJ型冲击动载发生器的设计理论及方法. 《石油钻探技术》.2000.12
[８] 鮑洪志. 液动冲击器在川合148井的应用. 《石油钻探技术》.2001.12
[9] 陶兴华. 冲击回旋钻进在石油钻井中的应用[J]. 《西部钻探工程》.1996.8(2).