液力衡扭旋沖提速工具及其在達(dá)深16井的應(yīng)用

李秋杰，王春華，李玉海，萬發(fā)明，李歡歡

(大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413)

1 概述

大慶油田達(dá)深區(qū)塊3000～4500 m井段為營城組、沙河子組，該層位巖石堅(jiān)硬，研磨性強(qiáng)，應(yīng)用常規(guī)鉆井手段存在以下不足。

(1)使用牙輪鉆進(jìn)營城組600 m井段需牙輪鉆頭8～12只，平均單只鉆頭進(jìn)尺60.83 m，機(jī)械鉆速1.26 m/h，個(gè)別井段單只鉆頭進(jìn)尺不足15 m，機(jī)械鉆速0.6～0.8 m/h，鉆頭使用效率非常低。

(2)使用螺桿進(jìn)行復(fù)合鉆進(jìn)只在泉頭組以上地層應(yīng)用，登婁庫組以下地層應(yīng)用較少，而且由于螺桿鉆具在深井中壽命低，使用效果不理想。

(3)應(yīng)用氣體鉆井技術(shù)在提速和發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層上可取得較好的效果，但還存在一些問題需要解決，如地層出水引起的泥包卡鉆問題、氣液轉(zhuǎn)換后井壁穩(wěn)定問題等，氣體鉆井整體提速效果還不是十分明顯。

近年來，通過應(yīng)用各種新型鉆井工具及優(yōu)化鉆井參數(shù)等方式，有效地提高了該區(qū)塊深部地層的鉆井效率。其中，液力衡扭旋沖提速工具與其專用PDC鉆頭在大慶油田達(dá)深16井成功應(yīng)用，取得了良好的提速效果。施工層位營城組—沙河子組，總進(jìn)尺1360 m，平均機(jī)械鉆速4.86 m/h，而鄰井平均機(jī)械鉆速僅為1.1 m/h，提速效果顯著。因其施工風(fēng)險(xiǎn)低、操作簡單等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于深井提速施工。

2 液力衡扭旋沖提速工具結(jié)構(gòu)原理及特點(diǎn)

2．1 工作原理

液力衡扭旋沖工具是一種提速工具，它將鉆井液的流體能量轉(zhuǎn)化為PDC鉆頭剪切方向上的機(jī)械沖擊，改變了普通PDC鉆頭的破巖方式，減緩了鉆頭的磨損速度，提高了鉆頭的破巖效率，進(jìn)而提高了機(jī)械鉆速。

2．1．1 液力衡扭旋沖提速工具結(jié)構(gòu)(見圖1)

工具通過本體傳遞鉆機(jī)基礎(chǔ)動(dòng)力，動(dòng)力系統(tǒng)通過鉆井液的流體能量產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，沖擊系統(tǒng)產(chǎn)生高頻機(jī)械沖擊。

圖1 液力衡扭旋沖提速工具基本結(jié)構(gòu)

圖2 液力衡扭旋沖提速工具沖擊工作原理

工具沖擊總成主要由凸輪組(上凸輪、下凸輪)、復(fù)位總成、鉆頭連接短節(jié)組成(見圖2)，動(dòng)力系統(tǒng)帶動(dòng)上凸輪旋轉(zhuǎn)，與下凸輪接觸后產(chǎn)生順時(shí)針方向及垂直向下的沖擊力(如圖中箭頭所示方向)。順勢(shì)針方向產(chǎn)生的高頻沖擊直接作用于鉆頭，實(shí)現(xiàn)了PDC鉆頭的復(fù)合切削。垂直向下的沖擊力通過復(fù)位機(jī)構(gòu)釋放，并回到初始狀態(tài)，完成一次沖擊及復(fù)位動(dòng)作。通過順時(shí)針方向附加的高頻沖擊，大大縮短了剪切巖石時(shí)的“蓄能”過程，減少了鉆頭的不規(guī)則彈跳，緩解了常規(guī)PDC鉆進(jìn)時(shí)扭矩的大范圍波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了“衡扭矩”鉆進(jìn)。

2．1．2 工具連接方式

液力衡扭旋沖提速工具連接在鉆鋌與雙母接頭之間，無需重新配置鉆具組合。

2．1．3 工具的基本參數(shù)

2．2 工具的技術(shù)特點(diǎn)

(1)提供額外的周向高頻沖擊力，消除粘滑現(xiàn)象，輔助PDC鉆頭剪切巖層。

液力衡扭旋沖提速工具內(nèi)部的高頻沖擊機(jī)構(gòu)帶動(dòng)PDC鉆頭在圓周方向?qū)崿F(xiàn)高頻沖擊運(yùn)動(dòng)，可有效減少粘滑現(xiàn)象，提高破巖效率，減少反沖扭力;這種高頻沖擊力能夠在較硬地層鉆進(jìn)時(shí)預(yù)先形成巖石裂紋和預(yù)破碎，改善了PDC鉆頭的切削環(huán)境，達(dá)到輔助PDC鉆頭剪切巖層的作用。

(2)提高PDC鉆頭的適用性和耐久性。

針對(duì)液動(dòng)沖擊特殊研制了高效PDC鉆頭，采用優(yōu)質(zhì)抗沖擊PDC復(fù)合片，并設(shè)計(jì)了適合沖擊鉆進(jìn)的冠部曲線及翼型，配合液力衡扭旋沖提速工具使用，使原來只能用牙輪鉆頭鉆進(jìn)的深部地層實(shí)現(xiàn)了PDC鉆頭鉆進(jìn)，提高了機(jī)械鉆速、使用壽命和安全性。

(3)純機(jī)械結(jié)構(gòu)，適用溫度高。

工具內(nèi)部為純機(jī)械零件結(jié)構(gòu)，無電子元件，適應(yīng)溫度高，可滿足深層高溫的鉆井工況要求。

(4)現(xiàn)場操作簡單可行、安全可靠。

液力衡扭旋沖提速工具配合特殊高效PDC鉆頭現(xiàn)場應(yīng)用簡單，對(duì)現(xiàn)場條件要求較少，無需額外的設(shè)備，現(xiàn)場使用工藝安全可靠。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

達(dá)深16井是大慶油田安達(dá)地區(qū)的一口預(yù)探井，設(shè)計(jì)井深4300 m，后加深至4400 m。其中2966～3331 m為營城組，主要巖性上部以酸性流紋巖、火山角礫巖為主，下部為安山巖;3331～4400 m完鉆為沙河子組，頂部巖性為砂礫巖，中、下部以砂泥互層為主。

3．1 達(dá)深16井液力衡扭旋沖提速工具施工情況

3．1．1 鉆具組合

3．1．2 施工參數(shù)選擇

根據(jù)液力衡扭旋沖提速工具施工方式及井深質(zhì)量要求，采取以下鉆井參數(shù):鉆壓80～120 kN，轉(zhuǎn)數(shù)70 r/min，扭矩 9 ～18 kN·m，排量 31 L/s，泵壓 13～15 MPa;泥漿體系為水基，密度1.18～1.30 g/cm3，粘度55 ～65 s，pH 值9.5。

3．1．3 施工情況

達(dá)深16井在三開3040～4400 m井段使用液力衡扭旋沖提速工具進(jìn)行提速施工，進(jìn)尺1360 m，平均機(jī)械鉆速4.86 m/h，具體情況見表1。

3．2 鄰井常規(guī)方式鉆進(jìn)情況

表1 液力衡扭旋沖提速工具施工情況

大慶油田達(dá)深區(qū)塊營城組—沙河子組巖石堅(jiān)硬，可鉆性差，對(duì)鉆頭磨損嚴(yán)重，采用常規(guī)手段進(jìn)行鉆進(jìn)，平均機(jī)械鉆速僅為1.83 m/h(見表2)。

3．3 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

3．3．1 機(jī)械鉆速

由表1、表2可以看出達(dá)深16井液力衡扭旋沖提速工具施工井段機(jī)械鉆速為4.86 m/h，而鄰井采用普通手段鉆進(jìn)此井段時(shí)平均機(jī)械鉆速為1.83 m/h，由此可得比鄰井同層位同深度平均機(jī)械鉆速提高了3.03 m/h，即提高了166%。

表2 鄰井常規(guī)手段鉆進(jìn)情況統(tǒng)計(jì)

在慶深氣田首次實(shí)現(xiàn)單只PDC鉆頭在營城組—沙河子組進(jìn)尺最長577.27 m，平均機(jī)械鉆速最高，達(dá)5.26 m/h;沙河子組單只PDC鉆頭進(jìn)尺最長574.74 m，平均機(jī)械鉆速最高達(dá)6.92 m/h。創(chuàng)下了達(dá)深區(qū)塊此深度下機(jī)械鉆速和單只鉆頭進(jìn)尺的最高記錄。

3．3．2 施工周期

達(dá)深16井2968～4300 m設(shè)計(jì)施工時(shí)間53 d，若由3040 m開始計(jì)算，約為52 d。該井由4300 m加深至4400 m，加深的100 m按6 d計(jì)算，共需52+6=58 d，而應(yīng)用液力衡扭旋沖提速工具的實(shí)際施工時(shí)間為20 d，比設(shè)計(jì)提前38 d完鉆。

4 結(jié)論及建議

(1)現(xiàn)場試驗(yàn)表明，液力衡扭旋沖提速工具可有效地將鉆井液的流體能量轉(zhuǎn)換成高頻的機(jī)械沖擊并作用于鉆頭，從而輔助PDC剪切巖石，提高破巖效率。

(2)從本井施工效果看，液力衡扭旋沖提速工具與PDC配合提速效果非常顯著，且能大幅度節(jié)約鉆井成本。與鄰井15口井平均機(jī)械鉆速相比提高了166%;施工周期方面縮短了38 d;節(jié)約了大量鉆井成本，提高了鉆機(jī)使用效率，加快了勘探開發(fā)速度。

(3)根據(jù)液力衡扭旋沖提速工具的工作原理，采用中等鉆壓、低轉(zhuǎn)速，鉆速較快且工作穩(wěn)定，對(duì)控制井身質(zhì)量、攜帶巖屑起到了較好的作用。

(4)液力衡扭旋沖提速工具為深井提速提供了一個(gè)有效的技術(shù)手段，建議在達(dá)深地區(qū)大力推廣該工具，并在其他區(qū)塊進(jìn)行探索應(yīng)用。

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