塔里木地區(qū)復(fù)合沖擊器鉆井提速應(yīng)用與實(shí)踐

何選蓬， 程天輝， 王學(xué)龍， 李義強(qiáng)， 李瑞強(qiáng)， 肖 飛

(塔里木石油勘探開發(fā)指揮部第四勘探公司)

一、復(fù)合沖擊器工作原理

常規(guī)鉆具組合鉆進(jìn)時(shí)，PDC鉆頭吃入地層后，破巖應(yīng)力需要上部鉆具能量積累超過(guò)臨界破巖應(yīng)力，才能剪切破巖，然后能量瞬間釋放，反映到鉆臺(tái)面上就是扭矩大幅波動(dòng)，所以鉆進(jìn)過(guò)程中存在粘滑現(xiàn)象，尤其是在可鉆性差的地層，破巖效率較低[1]。

新速通石油工具有限公司自主研發(fā)的復(fù)合沖擊器是一種專用鉆井提速工具，它通過(guò)內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換裝置將鉆井液的水力能量轉(zhuǎn)化為脈沖沖擊能量，然后通過(guò)能量分配裝置將沖擊能量分成80%的扭向沖擊和20%的軸向沖擊，給鉆頭施加高頻穩(wěn)定的周向和軸向的沖擊力，減輕近鉆頭位置的托壓和粘滑，提高了穿透硬夾層的能力和鉆進(jìn)效率。破巖應(yīng)力和扭矩的小幅波動(dòng)，有利于鉆頭在井底均勻切削，消除了常規(guī)鉆具下PDC鉆頭所受的瞬間極高應(yīng)力，鉆頭受到的應(yīng)力更均勻更平穩(wěn)，延長(zhǎng)了PDC鉆頭的使用壽命。結(jié)構(gòu)上無(wú)橡膠件和電子元器件，耐高溫、高壓，工作安全可靠。

主要工作原理：復(fù)合沖擊鉆具安裝在 PDC 鉆頭上面，在不影響正常鉆進(jìn)的情況下，利用部分鉆井液帶動(dòng)渦輪葉片旋轉(zhuǎn)，提供控制旋轉(zhuǎn)閥等導(dǎo)向機(jī)構(gòu)開啟的導(dǎo)通能量，鉆井液通過(guò)流量分配器進(jìn)入扭沖模塊并利用這部分巨大能量通過(guò)換向機(jī)構(gòu)形成相互隔離的鉆井液流道，最后形成內(nèi)外高低壓腔體，驅(qū)動(dòng)扭向沖擊模塊內(nèi)部沖擊錘在圖1所示的位置(a)、(b)做反復(fù)的扭轉(zhuǎn)沖擊，將部分流體能量轉(zhuǎn)換成一定頻率、周向扭轉(zhuǎn)、沖擊型的機(jī)械能。隨著鉆井液的下行，依靠泵入的高壓流體，打開軸向沖擊模塊的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)流道，換向器觸發(fā)帶動(dòng)軸向沖錘活塞向下運(yùn)動(dòng)，完成一次扭向沖擊聯(lián)合軸向沖擊運(yùn)動(dòng)行程。綜合來(lái)講，復(fù)合沖擊鉆井工具可將流體的液壓能轉(zhuǎn)換成周向和軸向的、高頻的機(jī)械能，用于給鉆頭施加周期性的低幅高頻扭轉(zhuǎn)沖擊。當(dāng)扭矩與鉆柱穩(wěn)態(tài)扭矩相結(jié)合時(shí)，能對(duì)鉆頭施加高效的破巖扭矩，大幅減小或消除鉆頭的粘滑振動(dòng)，提高破巖效率。

圖1 復(fù)合沖擊器工作示意圖

二、使用案例分析

1.果勒2井

果勒2井是果勒區(qū)塊第一口預(yù)探井，復(fù)合沖擊器?165.1 mm HPG186P第一次在塔里木油田試用，2016年2月29日第一套復(fù)合沖擊器入井。表1為果勒2井鉆頭使用情況。

使用效果：兩套?165.1 mm HPG186P復(fù)合沖擊器+?241.3 mm HP315M3鉆頭從石炭系頂部鉆進(jìn)至志留系底部，共鉆進(jìn)1 360 m，平均機(jī)械鉆速5.99 m/h，達(dá)到扭沖工具在該地層鉆進(jìn)提速的平均水平，將該區(qū)塊二疊系以下地層螺桿2.5～4 m/h的機(jī)速提高到了約6 m/h的水平，提速效果顯著。第三套復(fù)合沖擊器因溢流壓井起鉆。果勒2井復(fù)合沖擊器使用指標(biāo)與相鄰區(qū)塊鄰井依合6井對(duì)比如表2，果勒2井正常使用的兩套復(fù)合沖擊器，與依合6井同井段常規(guī)PDC鉆頭相比，平均機(jī)械鉆速分別提高107.5%和154.1%，提高效果顯著。

2.熱普15井

2016年6月14日，哈拉哈塘油田熱瓦普區(qū)塊熱普15井三開?241.3 mm井段首次使用新速通?177.8 mm HPG197B復(fù)合沖擊器+專用鉆頭?241.3 mm HP615S3，表3是熱普15井復(fù)合沖擊器與鄰井鉆頭使用記錄。

表1 果勒2井鉆頭使用記錄表

表2 依合6井鉆頭使用記錄表

表3 熱普15井復(fù)合沖擊器與鄰井鉆頭使用記錄表

表4 昆玉1井二三開鉆頭使用記錄表

使用效果：復(fù)合沖擊器?177.8 mm HPG197B+?241.3 mm HP615S進(jìn)尺1 038 m(5 510～6 548 m)，純鉆時(shí)間114.3 h，平均機(jī)速9.08 m/h，工具工作時(shí)間146 h，因測(cè)斜需要起鉆，平均機(jī)速比鄰井扭力沖擊器提高近50%，創(chuàng)熱瓦普區(qū)塊同層位最高機(jī)速指標(biāo)；對(duì)比鄰井RP14-2x，熱普15井復(fù)合沖擊器在各層位機(jī)速均高于鄰井扭力沖擊器；單趟鉆鉆穿二疊系、石炭系、泥盆系、志留系塔塔埃爾塔格組和柯坪塔格組瀝青質(zhì)粉砂巖，起出鉆頭幾乎無(wú)磨損，為后期一只鉆頭鉆進(jìn)至中完創(chuàng)造了條件。

3.昆玉1井

昆玉1井是位于塔里木盆地西南坳陷昆侖山前柯東構(gòu)造帶柯東4號(hào)構(gòu)造的一口風(fēng)險(xiǎn)預(yù)探井，該井于2016年5月28日1 ∶00二開，至9月25日新速通復(fù)合沖擊器入井前，起下鉆換鉆頭24次，單趟鉆平均進(jìn)尺128 m，平均機(jī)速1.37 m/h。表4為昆玉1井二三開鉆頭使用記錄。

表5為昆玉1井244.5井段主要廠家提速工具單只鉆頭進(jìn)尺平均機(jī)速對(duì)比使用效果：該井二開?244.5 mm井段新速通復(fù)合沖擊器及專用PDC鉆頭，進(jìn)尺多、機(jī)速快(前面350 m，機(jī)速約2.60 m/h)，穩(wěn)斜效果好(井斜1.70°～1.80°)。單只工具及鉆頭進(jìn)尺438 m, 純鉆192.95 h,平均機(jī)速2.27 m/h，工作時(shí)間213 h，取得該井二開井段單只鉆頭進(jìn)尺、機(jī)速最好成績(jī)。

4.躍滿802井

躍滿802井位于新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇地區(qū)沙雅縣內(nèi)，該井三開?241.3 mm井段二疊系及以下地層使用新速通復(fù)合沖擊器提速，見表6。

躍滿區(qū)塊是使用提速工具比較成熟的區(qū)塊，表7為該區(qū)塊二疊系及以下地層單趟鉆進(jìn)尺1 050 m以上的鉆頭記錄。

表5 昆玉1井不同提速工具使用對(duì)比表

表6 躍滿802井與鄰井鉆頭使用記錄表

使用效果：復(fù)合沖擊器?177.8 mm HPG197B + ?241.3 mm HP615S3進(jìn)尺1 456 m(4 700～6 156 m)，單趟鉆鉆穿二疊系、石炭系、泥盆系、志留系塔塔埃爾塔格組，純鉆時(shí)間180.6 h，平均機(jī)速8.06 m/h，工具工作時(shí)間197.5 h，創(chuàng)躍滿區(qū)塊二疊系及以下地層單只鉆頭最高進(jìn)尺指標(biāo)，單只鉆頭千米以上進(jìn)尺最高機(jī)速指標(biāo)；對(duì)比鄰井，躍滿802井復(fù)合沖擊器比鄰井扭沖分別提速30%和50%以上；對(duì)比躍滿區(qū)塊同地層千米以上進(jìn)尺扭沖使用情況，躍滿802井復(fù)合沖擊器機(jī)速比扭沖平均機(jī)速提高約25%，用時(shí)31.67 d上6 000 m，一舉打破躍滿8-1井保持的32 d的記錄。

三、總結(jié)和建議

(1)目前石油鉆井提速工具種類繁多，扭力沖擊類工具也有數(shù)家之眾，雖然各自結(jié)構(gòu)和工作機(jī)理有所偏差，但最終實(shí)現(xiàn)的提速原理基本相同，可現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用卻效果相差甚遠(yuǎn)，歸根結(jié)底就是提速工具對(duì)地層的適應(yīng)性不同，沖擊力大小、沖擊頻率等細(xì)節(jié)沒(méi)達(dá)到地層的破巖應(yīng)力和固有振動(dòng)頻率。

(2)復(fù)合沖擊器的工作壽命主要由轉(zhuǎn)化裝置和零件材質(zhì)決定，新速通復(fù)合沖擊器將推桿式能量轉(zhuǎn)化裝置改為軸承式，大大減少了零部件磨損；沖擊錘、沖擊氈等核心零件采用德國(guó)進(jìn)口鈦鋼合金材料，耐高溫高壓，強(qiáng)度高，耐沖擊性能強(qiáng)。雙管齊下，大大延長(zhǎng)了復(fù)合沖擊器工作壽命，高效工作達(dá)180 h以上。

[1]柳貢慧，李玉梅，李軍，等.復(fù)合沖擊破巖新技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù)，2016，44(5):10-14.