高速旋沖鉆井技術(shù)研究及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

田軍武梁玉仙(.西部鉆探塔里木勘探公司技術(shù)服務(wù)站， 新疆 庫(kù)爾勒 84000；.西部鉆探克拉瑪依鉆井公司管具公司， 新疆 克拉瑪依 834000)

高速旋沖鉆井技術(shù)研究及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

田軍武1梁玉仙2(1.西部鉆探塔里木勘探公司技術(shù)服務(wù)站， 新疆 庫(kù)爾勒 841000；2.西部鉆探克拉瑪依鉆井公司管具公司， 新疆 克拉瑪依 834000)

為解決深井硬地層機(jī)械鉆速低的難題，基于復(fù)合鉆井技術(shù)和旋沖鉆井技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提出高速旋沖鉆井提速技術(shù)。研制了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單使用壽命長(zhǎng)的自激振蕩式旋沖工具作為該技術(shù)的軸向沖擊工具，進(jìn)行了四口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，平均機(jī)械鉆速提高42%，工具最長(zhǎng)單次入井時(shí)間261小時(shí)。研究結(jié)果為高速旋沖鉆井技術(shù)的可行性、有效性以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中鉆井參數(shù)的選取提供了依據(jù)。

硬地層提速；高速旋沖；自激振蕩旋沖工具；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

隨著我國(guó)油氣勘探開發(fā)向深部地層的發(fā)展,深井和超深井的比例不斷增加,深部地層堅(jiān)硬、非均質(zhì)性和軟硬交互性強(qiáng)、可鉆性差，導(dǎo)致實(shí)際鉆井中機(jī)械鉆速低、鉆井成本高，已成為制約我國(guó)油氣鉆探開發(fā)效率的難題之一[1-4]。目前國(guó)內(nèi)的提速技術(shù)均存在一定的適應(yīng)性和局限性，不能滿足深井、超深井復(fù)雜工況下的提速提效需要，迫切需要發(fā)展新的提速技術(shù)。筆者在分析現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了結(jié)合井下動(dòng)力鉆具高轉(zhuǎn)速和軸向沖擊工具高效破巖的優(yōu)勢(shì)發(fā)展高速旋沖鉆井技術(shù)的新思路，并在國(guó)內(nèi)某油田進(jìn)行四口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，提速效果顯著。

1 高速旋沖提速技術(shù)

高速旋沖技術(shù)通過(guò)將螺桿鉆具和自激振蕩式旋沖工具組合使用，旋沖工具結(jié)構(gòu)如圖1所示[5]。自激振蕩式脈沖發(fā)生器位于該工具上部，當(dāng)流體流入其腔室時(shí)，通過(guò)壓力的振蕩與反饋，將連續(xù)恒壓高速流體轉(zhuǎn)變成具有一定壓力波動(dòng)的流體后繼續(xù)下行，進(jìn)入沖擊桿上部的腔室，來(lái)流壓力波動(dòng)在該腔室進(jìn)一步放大，在近鉆頭附近形成周期性壓力波動(dòng)，產(chǎn)生的壓力波動(dòng)直接作用于沖擊桿的頂面，對(duì)沖擊桿形成一定的沖擊力，并通過(guò)沖擊桿的運(yùn)動(dòng)將沖擊力傳遞至鉆頭；與此同時(shí)，來(lái)流脈動(dòng)繼續(xù)向下傳遞，通過(guò)鉆頭水眼噴出，形成脈沖射流[6]，強(qiáng)化井底清洗效果。

圖1 自激振蕩式?jīng)_擊工具結(jié)構(gòu)

采用自激振蕩式旋沖工具的高速旋沖鉆井具有如下特點(diǎn)：(1)與常規(guī)復(fù)合鉆井相比，復(fù)合沖擊鉆井采用“井下動(dòng)力鉆具+高頻軸向沖擊器”結(jié)構(gòu)，沖擊器的頻率高達(dá)400.700Hz的軸向沖擊，與高轉(zhuǎn)速相結(jié)合能夠產(chǎn)生傾斜度更大的斜沖擊，由于巖石的抗剪能力等于其抗壓強(qiáng)度的1/12.l/6，因此更有利于單次破巖，且不容易產(chǎn)生黏滑及鉆頭泥包，軸向和扭轉(zhuǎn)方向的沖擊強(qiáng)度(即沖擊速度)取決于軸向沖擊速度和周向旋轉(zhuǎn)速度的相對(duì)值，當(dāng)需要加強(qiáng)軸向沖擊時(shí)，可降低井下動(dòng)力鉆具轉(zhuǎn)速，當(dāng)需要加強(qiáng)周向沖擊時(shí)，可通過(guò)提高井下動(dòng)力鉆具轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)；(2)復(fù)合沖擊鉆井過(guò)程中井底空間某點(diǎn)單位時(shí)間內(nèi)被切削及沖擊的次數(shù)提高，尤其是沖擊次數(shù)可提高為常規(guī)旋沖鉆進(jìn)的8.12倍(常規(guī)旋沖鉆井沖擊頻率＜50Hz)，更有利于破巖。(3)在軸向沖擊分量都和周向沖擊分量的作用下，導(dǎo)致鉆頭牙齒附近巖石產(chǎn)生微裂隙，同時(shí)，水力脈沖進(jìn)入微裂隙，強(qiáng)化了原有連續(xù)射流產(chǎn)生的水楔效應(yīng)，使裂紋擴(kuò)展并形成體積破碎。由于該工具采用自激振蕩原理調(diào)制沖擊振動(dòng)，直接將水力能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng)，工具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，免維護(hù)使用壽命長(zhǎng)(＞200h)，能夠適應(yīng)于螺桿配合使用時(shí)的惡劣工況。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 提速效果分析

2014年在某油田TH10435H井、TH10293井、TH12272井和TH12273井等4口井進(jìn)行了高速旋沖鉆井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。鉆具組合為PDC鉆頭+178mm自激振蕩式旋沖工具+直螺桿+轉(zhuǎn)換接頭+DC1根+滿眼扶正器+DC+HWDP+127mmDP。TH 10435H井采用TS1952S型PDC鉆頭，TH10293井和TH12272井采用MQ516J-5223型PDC鉆頭，TH12273井采用MQ519型PDC鉆頭，詳細(xì)鉆井參數(shù)如表1所示。

從表1中可以看出，TH10435H井相比鄰井提速24.3%.90.5%，TH12272井 相 比 鄰 井 提 速35.5%.45.0%，TH12273井相比鄰井提速45.7%.64.2%，TH10293井相比鄰井提速37.5%.73.5%，四口井平均提速42%。其中，TH10435H井和TH12272、TH10293井應(yīng)用井段分別節(jié)約鉆井周期15.58天、15.38天和2.58天。

2.2 工具及鉆頭可靠性

試驗(yàn)井共使用四套旋沖工具，純鉆時(shí)間在141.7h.260.6h之間。如圖2顯示的是自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具在TH10435H井純鉆時(shí)間達(dá)到260h后第二趟鉆最后出井時(shí)的照片，圖中可以看出工具外觀完整，無(wú)明顯損傷。圖3給出了TH12272井中使用的PDC鉆頭，在自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具與螺桿鉆具聯(lián)合作用下純鉆時(shí)間達(dá)167h后的出井與入井前照片對(duì)比，從圖中可以看出所有PDC齒保持完好，少量磨損。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)針對(duì)硬地層機(jī)械鉆速低的難題，基于兩種現(xiàn)有提速技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，提出“螺桿+軸向沖擊工具”的高速旋沖鉆井提速技術(shù)。優(yōu)選出自激振蕩式旋沖工具作為沖擊工具在某油田進(jìn)行了4口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，平均機(jī)械鉆速提高42%，自激振蕩式旋沖工具壽命滿足工況要求，對(duì)螺桿鉆具無(wú)影響，且對(duì)PDC鉆頭具有一定的保護(hù)作用。

表1 高速旋沖鉆井技術(shù)試驗(yàn)井提速效果對(duì)比

圖2 TH10435H自激振蕩旋沖工具出井照片

圖3 TH12272井PDC入井和出井照片

(2)建議進(jìn)一步優(yōu)化自激振蕩式?jīng)_擊工具性能參數(shù)以及沖擊參數(shù)與鉆井參數(shù)的匹配關(guān)系，以進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期。

[1]沈忠厚.現(xiàn)代鉆井技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[J].石油勘探與開發(fā),2005，32(1)∶89-91.

[2]汪海閣,鄭新權(quán).中石油深井鉆井技術(shù)現(xiàn)狀與面臨的挑戰(zhàn)[J].石油鉆采工藝,2005,27(2)∶4-8.

[3]劉汝山,朱德武.中石深井鉆井主要技術(shù)難點(diǎn)及對(duì)策[J].石油鉆探技術(shù),2005,33(5)∶ 6-10.

[4]周玉倉(cāng),宋勇.某油田大尺寸井眼提高鉆井速度初探[J].石油鉆探技術(shù),2004,32(6)∶ 62-63.

[5]雷鵬,倪紅堅(jiān),王瑞和等.自激振蕩式旋沖工具在深井超深井中的試驗(yàn)應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù),2013,41(6)∶ 40-43.

[6]雷鵬,倪紅堅(jiān),王瑞和等.自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具水力元件性能分析與優(yōu)化[J].振動(dòng)與沖擊,2014,33(19)∶175-180.