自激振蕩旋轉沖擊鉆井技術應用

劉占魁，張代娥，楊 軍，周玉東

（西部鉆探克拉瑪依鉆井公司，新疆克拉瑪依834009）

自激振蕩旋轉沖擊鉆井技術應用

劉占魁*，張代娥，楊 軍，周玉東

（西部鉆探克拉瑪依鉆井公司，新疆克拉瑪依834009）

自激振蕩旋轉沖擊鉆井工具利用水力能量強化鉆頭沖擊力，同時，優(yōu)化井底流場并改善鉆頭和巖石受力狀況，不改變常規(guī)鉆進方式，易于操作。介紹了自激振蕩旋轉沖擊鉆井工具技術原理和技術特點，對自激振蕩旋轉沖擊鉆井工具相關使用要求進行了詳細說明。通過實例介紹了ZJXC-178及ZJXC-230兩種型號自激振蕩旋轉沖擊鉆井工具在新疆油田現場應用情況，對比鄰井分析了機械鉆速提高的程度，對提高同類井型或相近地質條件下深井和難鉆地層機械鉆速具有借鑒意義。關鍵詞:井下工具；機械鉆速；技術應用

近年來，伴隨著鉆井基礎理論研究的進展和綜合技術的進步，各種提速技術在提高鉆井速度方面都展現出了一定的效果。如以高壓水射流鉆井技術為基礎的井下增壓器和配備地面高壓泥漿泵的超高壓射流鉆井技術、以沖擊鉆井技術為基礎的空氣錘以及粒子射流鉆井技術等。一些適用的提速工具應用越來越廣泛，在一定程度上滿足了鉆井現場更優(yōu)、更快、更省的需求。自激振蕩旋轉沖擊鉆井即是眾多提速技術之一。

1 技術原理和特點

研究表明，脈沖射流作用下巖石的主要破壞形式是卸載及射流沖擊產生的拉伸破壞，破巖效果優(yōu)于連續(xù)射流。脈沖射流破巖效果隨脈沖頻率的增大呈現先增大后減小的趨勢，存在一個最優(yōu)頻率范圍，脈沖射流的速度、長度和數量增大時，巖石的破碎效率迅速提高。此外，井底水力脈動提高鉆速機理研究表明，鉆頭水眼之間形成的井底高壓區(qū)與低壓區(qū)并存，有利于巖屑啟動。合理配置鉆頭水眼促使井底局部區(qū)域壓差增加，井底水力脈動產生的周期性井底壓力變化，有利于巖屑清離井底。另外，沖擊振動提高鉆速機理表明，沖擊和旋轉聯合作用利用了巖石抗剪能力低的特點，有利于巖石表面形成延伸程度不同的裂紋，是靜壓和動載聯合作用下的破巖、是斜沖擊破碎巖石，巖石破碎是沖擊應力波作用的結果。應力波在巖石上的反射與透射，造成巖石的損傷，實現了輔助破巖。

在不增加地面機泵能力的條件下，利用水力能量或以水力能量驅動井下工具輔助破巖，是目前提高深部地層鉆井速度的有效途徑之一。自激振蕩旋轉沖擊鉆井工具是一種利用井底水力能量增強鉆頭沖擊力、優(yōu)化井底流場、改善鉆頭和巖石受力狀況的一種井下工具。自激振蕩旋轉沖擊鉆井技術集成了水力脈沖鉆井技術和沖擊鉆井技術的優(yōu)勢，通過沖擊載荷+強化井底凈化+改善巖石受力3種作用，依靠自激振蕩旋轉沖擊鉆井工具提高機械鉆速。

自激振蕩旋轉沖擊鉆井工具由上部接頭和中部自激振蕩器以及下部沖擊傳遞桿等組成。水力振蕩元件置于鉆頭上方的工具殼體內部，水力振蕩元件調制生成脈沖射流作用于與鉆頭相聯的八方鉆頭傳遞桿上端。鉆井液流經自激振蕩器，產生水力脈沖作用于沖擊傳遞桿，形成低幅高頻機械沖擊力傳遞至鉆頭，對鉆頭施加5～20kN、40Hz左右的周期性的機械沖擊作用力，使鉆頭承受的鉆壓產生波動。由于振動載荷可相對降低巖石的破壞強度，故可提高鉆頭破巖效果。鉆井液流經自激振蕩器所產生的水力脈沖再向下傳遞，經鉆頭水眼噴出，形成脈沖射流作用于井底，強化了井底清洗作用，改善了井底巖石受力狀況，提高了機械破巖效率。

與前期自激震蕩旋轉沖擊鉆井工具不同，改進型工具通過采用水電比擬的流體網絡理論模型對各結構參數對于脈沖射流頻率與壓力幅值進行分析后，優(yōu)化了該工具的水力結構關鍵部位，確定了上噴嘴與下噴嘴直徑比為1.2，腔徑與上噴嘴直徑比為2.4，腔長與上噴嘴直徑比例為0.355。針對水力元件中一級振蕩腔及二級振蕩腔的下噴嘴端面受沖刷最嚴重的部位，采取流線型設計、硬質合金局部加強、本體用碳氮共滲處理的合金鋼、耐高溫密封，耐溫210℃等強化措施，確保自激振蕩式旋轉沖擊鉆井工具壽命滿足施工需求。

技術特點：①與常規(guī)鉆進方式相同，不改變現有工藝，對鉆頭和鉆具組合無特殊要求。②有利于改善底部鉆具組合力學特性，延長鉆頭的使用壽命，提高鉆進效率。③整套工具強度不低于鉆具的設計強度。④采用優(yōu)化的水力結構和高耐磨材料可使水力振蕩器壽命達到200h。與其它井下提速工具相比，自激振蕩旋轉沖擊鉆井工具優(yōu)點：①采用優(yōu)化的自激振蕩式水力元件將調制的水力脈動轉化為直接作用于鉆頭的機械沖擊力，能量利用率高，工具壓降小，約2MPa左右。②由自激振蕩水力元件產生的沖擊力具有小振幅、高頻率的特點，對鉆頭和地層的適應性強。③結構簡單，穩(wěn)定性高，壽命長。工具參數見表1。

表1 自激振蕩旋轉沖擊鉆井工具參數

2 工具使用要求

鉆具組合：鉆頭+自激振蕩旋轉沖擊鉆井工具+鉆具止回閥（或浮閥)+鉆鋌。①鉆具止回閥（或浮閥)根據實際確定，鉆具組合根據實際配置。②易憋跳鉆地層鉆進時，加減震器減少鉆具疲勞破壞，同時改善鉆頭在井底的工作狀況。③如果使用鉆具單流閥，下鉆時應按規(guī)定灌漿。

2.1 準備

下入自激振蕩旋轉沖擊鉆井工具前一趟鉆，起鉆時按照使用自激振蕩旋轉沖擊鉆井工具推薦排量洗井、并記錄泵壓。起鉆至表層套管適當位置時同樣循環(huán)記錄泵壓。下入自激振蕩旋轉沖擊鉆井工具后在相同井深處重復上述過程、記錄泵壓，比較工具實際壓降，為后續(xù)鉆進奠定基礎。此外，注意以下事項：①工具上下鉆臺戴好護絲，防止傷扣。②按照規(guī)定扭矩上扣。③坐好安全卡瓦，按照工具推薦值正常上扣和卸扣，不得在鼠洞內操作。④涂絲扣油前清理干凈，確保絲扣螺紋和端面完好，并且確保絲扣油內沒有雜質后按常規(guī)涂絲扣油。⑤泥漿泵上水端濾清器和立管濾子完好，盡可能減少布條、塑料袋和橡膠塊等進入。⑥使用牙輪鉆頭時，根據井下工況采用3個不等徑噴嘴，按大中小順序組裝，同時盡可能增大最大噴嘴和最小噴嘴直徑的差值。使用PDC鉆頭時，在綜合考慮防漏堵漏前提下確保鉆頭壓降。⑦入井工具絲扣需要定期探傷。

2.2 鉆進

鉆進過程中，確保機泵工作狀態(tài)良好，此外，注意以下事項：①使用型號ZJXC-178工具時，推薦鉆井液排量大于32L/s，使用型號ZJXC-230工具時推薦排量大于50L/s。②均勻送鉆，憋跳及時調整鉆進參數，待憋跳現象消除后再逐步恢復正常鉆進參數。③控制純鉆時間在200h。工具累計使用時間達到200h后，提鉆時檢查并更換損耗過大的零部件。鉆進中若鉆井液密度超過1.45g/cm3，除密切關注泵壓和鉆時的變化外，適當縮短工具井下使用時間。④當出現泵壓異常、卡鉆、井涌或井漏等情況時立即執(zhí)行現場工程技術預案。⑤定期檢查濾清器，發(fā)現異常立即更換。

2.3 起下鉆

①起下鉆過程中必須按照要求及時灌漿。②起鉆過程避免拔活塞，起鉆灌好鉆井液。③出現井下復雜情況，以井下安全為原則并立即執(zhí)行工程預案。④工具起出井口后認真檢查工具，如果有損傷和裂紋，需要進行更換。

3 現場使用案例

3.1 阜東15井應用情況

阜東15井構造位置位于準噶爾盆地中央坳陷阜康凹陷東斜坡阜東5井西侏羅系齊古組巖性圈閉與阜東2井南侏羅系頭屯河組二段巖性圈閉。設計井身結構?339.7mm表套×400m+?244.5mm技套×2500m+?139.7mm油套×3790m。為提高阜東15井三開?215.9mm井眼白堊系吐谷魯群、侏羅系齊古組、頭屯河組地層鉆井速度，在2500～3547m井段使用了ZJXC-178自激振蕩旋轉沖擊鉆井工具。白堊系吐谷魯群上部為巨厚層棕褐色泥巖、褐灰色砂質泥巖；底部為綠灰色細砂巖、含礫中砂巖、砂礫巖互層。侏羅系齊古組主要為巨厚層紫紅色、棕紅色泥巖夾薄層灰色細砂巖、粉砂巖。頭屯河組巖性主要為灰綠色、綠灰色、灰色泥巖與灰綠色、灰色粉砂巖、細砂巖互層。

鉆進中使用型號為FS2463BGX3的PDC鉆頭，鉆壓40～80kN、轉速65～90r/min、排量28L/s左右、泵壓18～21MPa，鉆井液密度1.54～1.60g/cm3。使用時間225h，平均機械鉆速4.65m/h。與鄰井相比，阜東15井機械鉆速較阜東10井提高21.7%。

3.2 JL2001井應用情況

JL2001井自二?311.2mm井眼500m開始使用型號ZJXC-230自激振蕩旋轉沖擊鉆井工具，地層為白堊系吐谷魯群，侏羅系頭屯河組、西山窯組、三工河組、八道灣組。鉆進井段500～2918m。使用的PDC鉆頭型號為M5568TG，排量48～50L/s、鉆井液密度1.18～1.26g/cm3。使用時間250h，平均機械鉆速9.67m/h。與鄰井相比，JL2001井平均機械鉆速較金201井提高51%。該井使用自激振蕩旋轉沖擊鉆井工具井段淺、鉆井液密度低，鉆井液排量大，自激振蕩旋轉沖擊鉆井工具提速效果明顯。

3.3 吉33井吉34井應用情況

吉33井構造位置為準噶爾盆地東部隆起吉木薩爾凹陷東斜坡區(qū)，鉆探目標二疊系蘆草溝組致密油藏。設計井身結構?339.7mm表套×400m+?244.5mm技套×2600m+?139.7mm油套×3830m。為加快二開井段鉆井速度，在1740～2600m井段使用了ZJXC-230自激振蕩旋轉沖擊鉆井工具。鉆進地層為侏羅系頭屯河組(灰色泥巖夾砂質泥巖及砂巖)、西山窯組(灰色、深灰色泥巖、泥質粉砂巖，細砂巖夾煤層)、三工河組(灰色、深灰色泥巖、泥質粉砂巖，下部為厚層細砂巖)、八道灣組(深灰色、灰色泥巖夾粉砂巖、細砂巖及煤層)、克拉瑪依組(中厚層灰色泥質粉砂巖、細砂巖、粉砂巖不等厚互層)。PDC鉆頭型號DFS1604U，鉆井液密度1.37～1.42g/cm3、排量48～50L/s。工具使用時間136h，平均機械鉆速6.32m/h。與鄰井相比，吉33井機械鉆速較吉28井相同地層提高45%，自激振蕩旋轉沖擊鉆井工具提速效果明顯。吉34井是該鉆井隊繼吉33井后在該區(qū)塊承鉆的另一口井。井身結構：?339.7mm表套× 500m+?244.5mm技套×2930m+?139.7mm油套× 3960m。為加快二開井段速度，在500～2201m井段使用了ZJXC-230自激振蕩旋轉沖擊鉆井工具，進尺1701m。鉆進地層為新近系至侏羅系。PDC鉆頭型號與吉33井相同。排量48～52L/s。工具使用時間106h，平均機械鉆速16.1m/h。與吉33井對應井段相比，機械鉆速提高27.6%。兩個井為同一只鉆井隊施工，技術力量、機泵條件、鉆進地層的巖性以及使用的鉆頭型號和鉆進參數等均相同，對比性較強，表明使用自激振蕩旋轉沖擊鉆井工具起到了提高機械鉆速的效果。其它井應用情況見表2。

表2 自激振蕩旋轉沖擊鉆井工具應用情況

試驗應用期間，自激振蕩旋轉沖擊鉆井工具累計在準噶爾盆地新疆油田的7個區(qū)塊推廣應用17井次，總進尺9221m，平均機械鉆速6.11m/h，整體提速37%。單只工具現場應用純鉆時間達到250h，工具安全可靠，未出現問題。

總體上，自激振蕩旋轉沖擊鉆井工具可以改善井底凈化效果，減少巖石重復破碎，返出的巖屑顆粒較通常情況粗。此外，在百202井等配合使用牙輪鉆頭鉆進，機械鉆速提高20%以上。說明自激振蕩旋轉沖擊鉆井工具與鉆頭及地層有良好的適應性，牙輪鉆頭及PDC鉆頭均可配合使用。此外，使用自激振蕩旋轉沖擊鉆井工具不影響鉆進參數調整、井身質量合格。

4 結論

(1)自激振蕩旋轉沖擊鉆井工具可以滿足現場難鉆地層提速技術需要，操作簡單適用性強。

(2)機泵能力是發(fā)揮自激振蕩旋轉沖擊鉆井工具提速效果的保障，在綜合考慮井眼穩(wěn)定、井下復雜等條件下，鉆井液排量越大自激振蕩旋轉沖擊鉆井工具提速效果越明顯。

[1]倪紅堅,韓來聚,馬清明,劉科峰.水力脈沖誘發(fā)井下振動鉆井工具研究[J].石油鉆采工藝,2006,28(2)

[2]倪紅堅,馬清明,韓來聚,等.200420040906.8一種水力脈沖誘發(fā)井下振動鉆井工具[P].2005-08-10.

TE242

B

1004-5716(2015)08-0048-03

2014-08-11

劉占魁（1965-），男（漢族），新疆石河子人，副教授，現從事鉆井科研開發(fā)和新工藝新技術推廣應用工作。