玉門青西地區(qū)鉆井綜合提速技術(shù)研究與應(yīng)用

王建龍，柳 鶴，劉學(xué)松，孫四維

（中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程技術(shù)研究院，天津 300450）

玉門油田青西地區(qū)地層沉積時間老，上部逆掩推覆帶來的志留系、白堊系地層，具有傾角大、硬度高、研磨性強等特點，常規(guī)的鉆井技術(shù)暴露出井斜控制困難、憋跳鉆、鉆頭黏滑振動等難題，導(dǎo)致機(jī)械鉆速慢，掉牙輪、斷鉆具等井下事故復(fù)雜率高。逆掩推覆老地層的機(jī)械鉆速低，常規(guī)的鉆井技術(shù)提速空間非常有限，這也是青西地區(qū)鉆井成本居高不下的主要原因。因此，非常有必要針對該區(qū)塊的技術(shù)難題，優(yōu)選匹配的鉆井提速工具，提高機(jī)械鉆速，降低井下事故復(fù)雜率[1-4]。

1 青西地區(qū)鉆井技術(shù)難點

1.1 井斜控制困難

逆掩推覆體帶來山前高陡構(gòu)造，地層傾角35°以上，部分達(dá)到70°～90°，地層自然增斜能力強，防斜打快問題非常突出。常規(guī)的鐘擺鉆具吊打機(jī)械鉆速低，平均機(jī)械鉆速僅1.95 m/h；前期開展了垂直鉆井系統(tǒng)試驗，防斜打快效果好，但是成本居高不下，推廣難度較高。

1.2 憋跳鉆嚴(yán)重，鉆頭先期破壞

古近系牛胳套-胳塘溝普遍含礫，礫石含量高，礫徑大，PDC鉆頭很難適應(yīng)。牙輪鉆頭單只鉆頭進(jìn)尺段，機(jī)械鉆速低，憋跳鉆和鉆具損壞問題嚴(yán)重。柳A、青A等井實鉆結(jié)果顯示，單只牙輪鉆頭平均進(jìn)尺240 m，機(jī)械鉆速3 m/h。

1.3 強研磨性地層鉆頭黏滑震動嚴(yán)重，機(jī)械鉆速低

深部白堊系地層巖石硬度高、研磨性強，可鉆性差，可鉆性極值7～9級，中溝組以7級為主，下溝組8～9級。白堊系地層“螺桿鉆具+PDC鉆頭”鉆進(jìn)過程中黏滑震動明顯，導(dǎo)致鉆頭磨損嚴(yán)重，機(jī)械鉆速低。統(tǒng)計2015-2016年完鉆的4 500 m以上的深井中，平均段長1 450 m鉆頭14只，機(jī)械鉆速1.32 m/h。

1.4 定向井滑動鉆進(jìn)托壓嚴(yán)重，滑動效率低

統(tǒng)計2014-2015年玉門油田青西地區(qū)完鉆的定向井，當(dāng)井斜角超過30°以后，會出現(xiàn)不同程度的滑動鉆進(jìn)托壓問題，滑動鉆進(jìn)平均機(jī)械鉆速僅1.26 m/h，行程鉆速0.96 m/h。隨著井斜角的增大，裸眼段長的延伸，托壓現(xiàn)象愈加嚴(yán)重。

2 青西地區(qū)鉆井綜合提速方案模板

2.1 液動沖擊器“防斜打直”技術(shù)

液動沖擊器適用于逆掩推覆提帶來的志留系、白堊系地層，防斜打直和提高硬地層的破巖效率。該工具由分流盤、射流元件、活塞桿、活塞沖錘和砧子組成（見圖1），依靠高壓鉆井液推動內(nèi)部活塞沖錘上下運動，撞擊鉆頭，產(chǎn)生10 kN～20 kN軸向沖擊力，鉆頭在沖擊動載和靜載回轉(zhuǎn)的作用下破碎巖石，大幅度提高了破巖效率。在高陡構(gòu)造地層中，液動沖擊器自身可以施加10 kN～20 kN的鉆壓，可以減少依靠底部鉆具施加鉆壓導(dǎo)致的鉆柱彎曲，因此有輕壓掉打防止井斜的功效。

窿A井，志留系地層巖性為逆掩推覆體的粉砂巖和白云巖，常規(guī)鉆井機(jī)械鉆速1.87 m/h，鉆頭磨損嚴(yán)重（見圖2（a））。使用液動沖擊器技術(shù)后，控制鉆壓30 kN～60 kN，轉(zhuǎn)速55 r/min，252 m～466 m機(jī)械鉆速達(dá)到了2.69 m/h，機(jī)械鉆速提高44%，井斜角控制在3°以內(nèi)，鉆頭輕微磨損（見圖 2（b））。

圖1 液動沖擊器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 使用液動沖擊器前后鉆頭磨損情況對比圖

圖3 減震推力器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 減震推力器“吸震防跳鉆”技術(shù)

減震推力器適用于青西地區(qū)古近系牛胳套-胳塘溝高含礫地層，吸震防跳鉆，保護(hù)鉆頭，提高鉆頭的進(jìn)尺和機(jī)械鉆速。該工具為多級活塞機(jī)構(gòu)，一般1～3級，主要由上接頭、推力機(jī)構(gòu)、花鍵芯軸和壓力顯示機(jī)構(gòu)組成，扭矩由花鍵提供，上部與鉆鋌相連接，下部與螺桿鉆具或鉆頭連接，推力機(jī)構(gòu)由活塞及密封系統(tǒng)、活塞桿、缸體組成（見圖3）。該工具利用螺桿鉆具或鉆頭的壓力降，給鉆頭施加柔性鉆壓的工具，能夠起到吸收井底鉆具的震動能量，降低鉆頭和鉆具疲勞程度，保護(hù)鉆頭，均勻送鉆，提高鉆進(jìn)機(jī)械效率。

青B井是一口三開定向井，設(shè)計井深4 479.85 m，最大井斜角21.43°。二開Φ241.3 mm井眼中鉆遇大量的礫石層，鉆進(jìn)過程中跳鉆現(xiàn)象嚴(yán)重（見圖4（a）），鉆頭壽命低，鉆具損壞率高。自1 002 m開始使用Φ203 mm減震推力器技術(shù)，鉆壓穩(wěn)定在100 kN，鉆頭振動明顯減小（見圖4（b）），兩趟鉆配合兩只鉆頭進(jìn)尺1 207 m，機(jī)械鉆速較鄰井柳12井同地層分別提高67.0%、90.69%。

2.3 扭力沖擊器+專用PDC鉆頭“防黏滑”技術(shù)

扭力沖擊器適合于深部白堊系硬地層，有效解決了鉆頭的黏滑震動問題，提高深部硬地層的機(jī)械鉆速。該工具由錘外殼、轉(zhuǎn)向器、液動錘等部件組成（見圖5）。通過工具內(nèi)部獨特的流道結(jié)構(gòu)，將鉆井液的流體能量轉(zhuǎn)換成周向的、高頻的、均勻穩(wěn)定的周向機(jī)械沖擊力（約2 kN/m），并直接傳遞給PDC鉆頭，可有效降低黏滯滑脫效應(yīng)，加大剪切沖擊力，提高PDC鉆頭壽命和鉆速。

圖5 扭力沖擊器結(jié)構(gòu)示意圖

扭力沖擊器對鉆頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)要求較高，東北石油大學(xué)李思琪等研究表明：PDC鉆頭質(zhì)量越小、截面積越大、長度越短，扭力沖擊器的沖擊能量利用率越高。因此，結(jié)合玉門油田青西地區(qū)白堊系地層的特點，以及PDC鉆頭參數(shù)對能量的利用率的影響，個性化設(shè)計了一種扭力沖擊器專用PDC鉆頭（見圖6）。該鉆頭為鋼體鉆頭，深水槽，保證復(fù)合片快速冷卻；五刀翼，13 mm復(fù)合片，雙排布置，增加耐磨性；鉆頭夾持部分縮短為25 mm，縮短鉆頭長度，減少鉆頭質(zhì)量，提高沖擊能量利用率。

圖4 青B井使用工具前后跳鉆情況對比圖

圖6 玉門青西地區(qū)扭力沖擊器專用PDC鉆頭示意圖

窿B井，是一口直井，設(shè)計井深4 900 m。該井鉆進(jìn)白堊系下溝組-赤金堡組時，鉆頭黏滑震動現(xiàn)象嚴(yán)重，機(jī)械鉆速僅為0.75 m/h，鉆頭磨損嚴(yán)重。自4 500 m開始使用扭力沖擊器+專用PDC鉆頭技術(shù)。該技術(shù)兩趟鉆進(jìn)尺100 m，機(jī)械鉆速達(dá)到1.05 m/h，相比入井之前，機(jī)械鉆速提高40.0%。

圖7 水力振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 水力振蕩器“緩?fù)袎骸奔夹g(shù)

水力振蕩器技術(shù)是目前緩解定向托壓最有效的方法之一，適用于青西地區(qū)井斜角超過30°的定向井，解決定向托壓問題。該工具由脈沖短節(jié)和振蕩短節(jié)組成，其中脈沖短節(jié)由螺桿電動機(jī)、閥組組成，振蕩短節(jié)由心軸、碟簧、活塞組組成（見圖7）。鉆井液通過脈沖短節(jié)時，螺桿電動機(jī)帶動盤組產(chǎn)生壓力脈沖，驅(qū)動振蕩短節(jié)活塞和碟簧組結(jié)構(gòu)，使振蕩短節(jié)產(chǎn)生軸向振動，降低了滑動鉆進(jìn)的摩阻，提高了定向效率。

青C井是一口定向井，設(shè)計井深5 288 m，最大井斜角30.74°。三開鉆進(jìn)至3 900 m，定向托壓150 kN以上，滑動鉆進(jìn)平均行程鉆速0.49 m/h，定向極其困難。自3986m開始使用水力振蕩器技術(shù)，兩趟鉆進(jìn)尺242 m，滑動鉆進(jìn)平均行程鉆速達(dá)到1.1 m/h，提高124.5%，節(jié)約鉆井周期63.8 h。

3 結(jié)論

玉門油田青西地區(qū)地層老、巖石可鉆性差，常規(guī)技術(shù)提速非常有限，單種提速工具不能完全解決該區(qū)塊的鉆井提速問題，需要全井筒利用鉆井綜合提速技術(shù)。通過先導(dǎo)性試驗，總結(jié)形成了該區(qū)塊的鉆井綜合提速方案模板，即防斜打直利用液動沖擊器技術(shù)，礫巖層防跳鉆利用減震推力器技術(shù)，深部硬地層防黏滑利用扭力沖擊器+專用PDC鉆頭技術(shù)，定向防托壓利用水力振蕩器技術(shù)。

［1］呂曉平，鄭力會，王相春，等.液力推力器在玉門青西油田的試驗應(yīng)用［J］.天然西部探礦工程，2009，（4）：97-101.

［2］文平，陳波，雷巨鵬，等.液動沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)在玉門青西油田的應(yīng)用［J］.天然氣工業(yè)，2004，24（9）：64-67.

［3］滕升光，王治中，張克明，等.玉門青西高陡地層快速鉆井技術(shù)［J］.西部探礦工程，2004，96（5）：34-37.

［4］樓一珊，孫文鐵，郭漢卿，等.鉆頭優(yōu)選方法在玉門青西油田的應(yīng)用［J］.斷塊油氣田，2007，14（5）：59-60.

［5］童金旺.幾種典型難鉆地層提速方法［J］.石油機(jī)械，2016，44（12）：38-41.

［6］李思琪，閆鐵，李瑋，等.高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器的PDC鉆頭適用性研究［J］.石油礦場機(jī)械，2015，44（5）：22-25.

［7］李博.水力振蕩器的研制與現(xiàn)場試驗［J］.石油鉆探技術(shù)，2014，42（1）：111-113.

［8］劉華潔，高文金，等.一種能有效提高機(jī)械鉆速的水力振蕩器［J］.石油機(jī)械，2013，41（7）：46-48.

［9］張康，馮強，王建龍，等.水力振蕩器最優(yōu)安放位置研究與應(yīng)用［J］.石油機(jī)械，2016，44（2）：38-41.