顺北油气田位于塔里木盆地顺托果勒低隆北缘，包含顺托果勒北、阿瓦提东、顺托果勒西和顺托果勒4个区块，面积19 878 km^2[1-2]。该油气田北邻沙雅隆起阿克库勒凸起油气富集区，东邻满加尔坳陷油气运移指向带，南邻塔里木盆地中部顺托果勒低隆，西邻塔北隆起英买力潜山构造带。顺北地区大部分储层埋深达8 000～8 800 m，在此区域钻井时机械钻速慢^[3]，尤其是储层之上的古生界，地层巨厚（埋深4 500～7 600 m），岩性复杂，是最影响全井钻速的地方，其钻井进尺不到全井的40%，而钻进周期却接近钻井周期的80%^[4]。

近年来，针对古生界的钻井提速难点，中国石化西北油田分公司联合国内多家科研院校进行攻关，研究形成了4套二叠系钻井提速技术，1套石炭系—志留系钻井提速技术和1套奥陶系桑塔木组钻井提速技术，在顺北油气田推广应用后取得了显著成效。但是，古生界钻井速度慢、钻头寿命短，导致钻井周期长、成本高的问题依然突出，在一定程度上还制约着该油田的高效经济开发。针对该问题，笔者分析了影响古生界破岩效率难钻地层的特征及提速难点，以及目前的二叠系、石炭系—志留系、奥陶系桑塔木组钻井提速技术在顺北油气田古生界的提速效果，并分析了目前钻井提速技术依然存在的问题，指出制约顺北油气田钻井提速技术发展的瓶颈问题，给出了发展建议。

1.   古生界地层特征及钻井提速难点

1.1   古生界地层特征

古生界地层古老，压实作用强，岩石致密、强度高、可钻性差，从上到下包括二叠系、石炭系、泥盆系、志留系和奥陶系。

二叠系以火成岩为主，厚度500～600 m，主要岩性为英安岩、凝灰岩和玄武岩。其中，英安岩、玄武岩占 65%，硬脆性极强，顺北1区抗压强度为160 MPa，顺北5区抗压强度为300 MPa，成岩脆性强，泥岩塑性强，地层可钻性级值5.0～7.2。

石炭系海陆交互相地层至上泥盆统整体表现为砂岩与泥岩互层夹少量灰岩，地层软硬交错，岩石强度100～120 MPa，灰岩夹层、岩屑石英砂岩夹层强度超过150 MPa，软硬交错特征明显，可钻性级值6.1～7.2，发育大段石英砂岩，而石英砂岩研磨性极强。

志留系泥质含量普遍低于7%，塑性低，石英砂岩研磨性强，厚度1 050 m左右，岩性为砂泥岩互层，地层软硬交错。

奥陶系桑塔木组发育有大段泥岩，段长850 m左右，强度高、塑性强，为典型的“橡皮”地层。

1.2   钻井提速技术难点

1）钻头选型难、匹配难。二叠系属于中硬—硬地层，常规PDC钻头“掏心”和崩齿严重，牙轮钻头机械钻速慢；石炭系、志留系发育有大段石英砂岩，地层软硬交错，PDC钻头易崩齿，钻头磨损严重；奥陶系桑塔木组塑性强，常规齿难以吃入，常规PDC钻头和牙轮钻头难以满足地层要求^[5-8]。

2）破岩能量不足、效果差。由于地层古老，普遍压实程度高、致密，常规钻齿难以吃入地层，常规钻井提速工具提速能量不足，钻井提速难以实现突破性进展。

3）地层倾角大，防斜难、提速难。奥陶系桑塔木组厚度大，可钻性级值达6～7，地层倾角1.0°～7.5°，易井斜，防斜打快难及破岩能量不足导致的钻速慢问题突出。例如，顺北4井6 430～6 850 m 井段地层倾角约10°，6 850～7 180 m井段地层倾角增至15°～20°，直井段最大井斜角达13.58°，且纠斜困难。

2.   钻井提速技术现状及效果

针对顺北油气田古生界地层特征及钻井提速难点，通过采取钻头稳定性设计、辅助破岩工具设计与优选、钻井参数优化等措施，改善钻头和井下钻具组合的稳定性，提高钻井提速能量平稳连续传递效果等，形成了4套二叠系提速技术，1套石炭系—志留系和1套奥陶系桑塔木组钻井提速技术。这些技术在顺北4号、8号断裂带^[9]多口井进行了现场应用，均取得了较好的应用效果。

2.1   二叠系钻井提速技术

2.1.1   “混合钻头+等壁厚螺杆”提速技术

以改变破岩方式、提高钻头破岩能力为目标，将牙轮钻头冲击破碎岩石与PDC钻头剪切破碎岩石紧密结合的“混合钻头”，通过改变钻齿井底的破岩模式，来提升破岩效率。同时，控制合金齿内钴的含量，以实现合金齿中钴含量的梯度分布，使钻头的耐磨性提高27%~ 34%，钻头使用寿命大幅延长^[10-11]。针对该油田目前所用螺杆钻具扭矩低、使用寿命短的问题^[12]，优化设计了等壁厚螺杆，通过优化马达线型，减少应力集中，以提高输出扭矩。同时，优选耐磨高强度橡胶，优化注胶工艺，以延长使用寿命^[13]。

“混合钻头+等壁厚螺杆”提速技术在顺北41X井进行了现场应用，选用了KPM1633DST型混合钻头，HR7LZ244×7.0-3.3-0°型等壁厚螺杆。应用效果表明，机械钻速同比提升58%，单趟钻进尺较邻井提升145%。

2.1.2   “异形齿PDC钻头+大扭矩等壁厚螺杆”提速技术

以提高切屑齿的吃入能力、抗冲击能力及破岩能量为目标，选用了接触面积小、齿厚、耐磨性强的斧形切削齿^[14-15]。同时，为了充分发挥斧形切削齿的优势，优化设计了KS1652DFGR型RDE钻头，为双排齿布齿（ϕ16.0 mm斧形齿与尖齿混布，如图1所示），配合大扭矩等壁厚螺杆，以提高机械钻速^[16]。

图  1  RDE钻头及斧形齿

Figure  1.  Ridged diamond element (RDE) bit and dolabriform tooth

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上述“异形齿PDC钻头+大扭矩等壁厚螺杆”提速技术在顺北4-9H井进行了现场应用，选用了KS1652DFGR型钻头，配合HR7LZ244×7.0-3.3-0°型等壁厚螺杆。应用表明，机械钻速同比提升135%，单趟钻进尺较邻井提升245%。

2.1.3   “混合钻头+扭冲+螺杆”提速技术

采用混合钻头改变井底破岩方式。混合钻头钻进时，牙轮切削齿对岩石产生预破碎，形成不连续的齿坑，PDC切削齿通过切削将牙轮切削齿形成的不连续的齿坑连通，使混合钻头在硬夹层地层中具有较高的机械钻速^[17]。扭力冲击器利用部分钻井液的流体能量驱动内部锤体，在封闭的区域内产生一定频率的圆周往复冲击，可有效消除钻头粘滑，还起到辅助破岩的作用^[18]，并配合使用等壁厚螺杆，来提高破岩能量。

针对二叠系地层特征，优选了KPM1633D-KW型钻头、HY5LZ286×7.0-3-0°型螺杆，配合国内研发的ϕ286.0 mm扭冲工具，形成了“混合钻头+扭冲+螺杆”提速技术。该技术在顺北53-5H井进行了现场应用，应用表明，该技术能明显减轻井底粘滑效应，机械钻速较采用常规技术时提高19％。

2.1.4   “忍者齿PDC钻头+扭冲+螺杆”提速技术

忍者齿十字棱刀刃配合扭力冲击器形成锥形吃入地层，十字棱刀刃在每个刀翼排列呈同心圆型，在几何学上为最佳剪切排列，与地层呈咬合状，相当于复合片镶嵌在地层中，同时在扭转冲击时保证钻头长寿命高效破岩，配合扭冲和螺杆工具消除粘滑、提升破岩能量，大幅度提高机械钻速^[19-20]。

“忍者齿PDC钻头+扭冲+螺杆”提速技术在顺北801X井、顺北4-4H井和顺北4-2井进行了现场应用，选用U516S型钻头，并配套阿特拉扭冲工具，工作频率15～30 Hz，扭矩8～12 kN·m。应用效果表明，与未采用该技术的邻井相比，采用该技术后机械钻速可提高60%。

2.2   石炭系—志留系“尖圆齿PDC钻头+大扭矩螺杆”钻井提速技术

石炭系—志留系地层软硬交错，易崩齿，柯坪塔格组发育石英砂，钻头磨损严重。针对此情况，研究了尖形齿、圆形齿混合布齿技术。尖齿复合片预破碎降低岩石强度，带动圆形齿形成“犁削”效果，来提高岩石破岩效率。优化设计后的尖圆齿PDC钻头如图2所示。

图  2  尖圆齿PDC钻头工作原理及布齿情况

Figure  2.  Working principle and tooth distribution of polycrystalline diamond compact (PDC) bit with sharp circular teeth

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大扭矩螺杆配合尖圆齿PDC钻头提速，在顺北41X井、顺北5-16H井和顺北71X井进行了现场应用。应用结果表明，顺北41X井比优化前的单只钻头进尺增大38%，机械钻速提高65%；顺北5-16H井比优化前的单只钻头进尺增大56%，机械钻速提高64%；顺北71X井比优化前的单只钻头进尺增大33%，机械钻速提高135%。

2.3   奥陶系桑塔木组易斜地层钻井提速技术

奥陶系桑塔木组地层倾角大，使用常规钟摆钻具组合（牙轮钻头/PDC钻头+螺杆）时经常出现井斜增幅快、定向纠斜钻进效果差的问题^[21]。分析认为，钟摆钻具工作时受到钻头指向与钻头钟摆力双重作用，当钻压较小时，钻铤沿着轴线，钟摆力占优，则钻头对下井壁产生切削，从而防斜降斜，如图3（a）所示；当钟摆钻具组合受到高钻压时，钻铤偏离井眼轴线，钻头指向增斜方向，钟摆钻具防斜功能失效，如图3（b）所示。因此，要想实现优良的防斜性能，需要增加钻头钟摆力，或者减小钻头指向角度；要使钟摆力起作用，就必须以牺牲钻速为代价低钻压钻进，或者在钟摆力基础上额外施加钻头推靠力^[22-25]。

图  3  钟摆钻具组合防斜原理

Figure  3.  Deviation control principle of the pendulum bottom-hole assembly(BHA)

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根据上述分析，提出了利用自动垂钻工具提升钻头推靠力的思路，设计了“PDC钻头+垂直钻井工具+螺杆钻具”的钻具组合用于防斜打快，形成了有效的奥陶系桑塔木组易斜地层提速技术，并进行了现场应用。应用分2个阶段：第一阶段为“PDC钻头+垂直钻井工具”，配合大钻压高转速钻进；第二阶段采用“PDC钻头+垂直钻井工具+螺杆钻具”配合大钻压钻进，应用后均取得了理想的防斜和提速效果，与之前采用的“PDC钻头+螺杆钻具”相比效果显著（见表1）。

表  1  奥陶系桑塔木组易斜地层提速效果对比

Table  1.  Comparison of the ROP improvement effect in deviation-prone formations in the Ordovician Sangtamu Formation

井名	井眼直径/mm	提速工艺	进尺/m	钻速/（m·h−1）
顺托1井	241.3	PDC钻头+螺杆钻具	1470	1.91
顺北8X井	241.3	PDC钻头+螺杆钻具	1868	3.15
顺北14井	241.3	PDC钻头+垂直钻井工具	2210	9.11
顺北41X井	241.3	PDC钻头+垂直钻井工具	1249	6.29
顺北42X井	241.3	PDC钻头+垂直钻井工具	195	5.82
顺北16X井	215.9	PDC钻头+垂直钻井工具+螺杆钻具	2239	13.45
顺北801X井	215.9	PDC钻头+垂直钻井工具+螺杆钻具	1779	6.49
顺北4-1H井	215.9	PDC钻头+垂直钻井工具+螺杆钻具	1465	8.52
顺北44X井	215.9	PDC钻头+垂直钻井工具+螺杆钻具	332	5.03

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3.   问题分析及发展建议

前述钻井提速技术虽然取得了较好的效果，但随着顺北油气田勘探开发步伐的持续推进，以及对工程地质条件认识的不断深化^[26-27]，发现仍然存在一些问题，现有技术还有进一步提高的空间^[28-29]。

1）经过近年来的工程实践和技术发展，传统提速技术已经基本成熟，无法满足油田未来的生产需求，建议利用大数据、云计算等信息技术，全面、有效分析各类工程数据，对钻速进行优化，最大程度节约钻井成本，降低施工风险。

2）中国石化“深地工程”开启万米新征程，地层埋藏更深，压实更强，温度更高，现有提速工具性能逐渐难以满足提速需求，建议加大关键核心技术攻关力度，力争工具、材料耐温突破200 ℃，持续引领“深地工程”技术发展。

3）我国油气资源战略正逐步向高质量勘探开发方向迈进，现有钻井技术在经济、安全、高效、环保等方面还无法满足深地复杂油气资源的开发需求，亟需发展智能钻井等新一代变革性钻井技术。目前，欧美等发达国家的智能钻井技术研究已取得了一定进展^[30]，获得较好的现场应用效果，国内整体水平与国外存在一定差距，建议进一步加强核心基础理论、关键技术与装备的研究攻关，形成完善的智能钻井技术体系，为超深、特深层复杂油气资源的高效开采提供技术支撑。

4.   结束语

顺北油气田是中国石化在碳酸盐岩海相石油勘探的新发现，油气资源量达到17×10⁸ t，不仅可在一定程度上保障国家能源供应，还具有较高的战略意义；但其具有超深、超高压、超高温的特点，勘探开发难度非常大。分析顺北油气田古生界钻井提速难点可知，钻头选型难、匹配难，破岩能量不足、效果差，地层倾角大，防斜打快速难等，是目前制约该地层钻井提速的主要瓶颈问题。当前，古生界二叠系有4套钻井提速技术，石炭系—志留系有1套“尖圆齿PDC钻头+大扭矩螺杆”钻井提速技术，奥陶系桑塔木组有1套防斜打直钻井提速技术，均取得了较好的提速效果。但应用现有钻井提速技术时，也存在因为地层差异性较大、工艺/工具与地层的适应性不强等导致的系列问题。因此，建议对现有技术进行针对性改进、升级，并加强基础理论研究，探索新工艺、新技术，以期通过自主研发，形成顺北油气田古生界钻井高效提速理论与关键技术，使该油气田成为中国石化“十四五”期间重要的增储上产阵地。