一種硬地層高效破巖技術(shù)應(yīng)用分析

尹慧博

(中國(guó)石油化工股份有限公司 石油工程技術(shù)研究院， 北京 100101)

沙特阿美油氣鉆井區(qū)塊Pre-Khuff層段為鉆井目的層，鉆井工作量逐年增加，根據(jù)相關(guān)資料，到2025年鉆井工作量預(yù)計(jì)增加50%。Pre-Khuff 層段通常在沙特區(qū)塊垂深為3 900至5 200 m之間，包括Unayzah、Jauf、Tawil、Sharawra和Saq等地層。這些地層主要為砂巖夾頁(yè)巖、石灰?guī)r、白云石、硬石膏和粉砂巖?！癠nayzah”和“Jauf”這兩個(gè)主要含氣儲(chǔ)層的特征通常是硬砂巖和磨粒砂巖夾頁(yè)巖和粉砂巖?！癠nayzah”是最難鉆的巖層，其內(nèi)摩擦角在25°到60°之間，平均無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為152 MPa，最高達(dá)315 MPa。該層段巖石硬度高、研磨性強(qiáng)，還伴隨掉塊、縮徑等井下復(fù)雜情況。采用渦輪或高速馬達(dá)配合孕鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，容易發(fā)生卡鉆事故，采用TCI鉆頭也一直受到井下磨損、密封和軸承故障、崩齒和隨后的打撈作業(yè)等問(wèn)題困擾，造成鉆井周期長(zhǎng)，成本高[1-2]。因此，有必要在該層段引進(jìn)有效的提速提效技術(shù)。液動(dòng)射流沖擊器旋沖鉆井技術(shù)是解決硬地層機(jī)械鉆速低的有效技術(shù)手段之一，該技術(shù)用于使用液體(泥漿或清水)作為循環(huán)介質(zhì)鉆井提速。液動(dòng)射流沖擊器在鉆具組合中通常裝在鉆頭上部，在鉆進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)鉆井液流經(jīng)該提速工具時(shí)，基于射流附壁原理，液體有規(guī)律的流經(jīng)工具內(nèi)部缸體的上腔和下腔，驅(qū)動(dòng)活塞沖錘產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在軸向?qū)︺@頭施加高頻動(dòng)載沖擊，輔助鉆頭高效破巖。同時(shí)，有利于防止鉆頭憋卡或打滑，也有助于減少跳鉆等有害振動(dòng)，進(jìn)而延長(zhǎng)鉆頭的使用壽命，提高鉆頭單次進(jìn)尺，降低鉆井成本，縮短鉆井周期[3-6]。

1 ATN-1123井地層概況

Φ228.6 mm液動(dòng)射流沖擊器應(yīng)用層段為Sudair和Khuff，對(duì)應(yīng)井深3 040～4 150 m，以白云巖、灰?guī)r及碳酸鹽為主，地層堅(jiān)硬、研磨性強(qiáng)，在該鉆井區(qū)塊，該層段巖石抗壓強(qiáng)度平均為159 MPa，最小抗壓強(qiáng)度為69 MPa，最大抗壓強(qiáng)度達(dá)276 MPa。上部頁(yè)巖不穩(wěn)定，造成泥漿粘度增大，泥漿粘度達(dá)1.92。該層段采用井下馬達(dá)及其它井下動(dòng)力工具提速效果不明顯，目前以常規(guī)鉆井為主。表1列舉了地層巖性、應(yīng)深度及相應(yīng)井段長(zhǎng)度。

表1 射流沖擊器試驗(yàn)井段地層巖性及深度情況

2 提速方案設(shè)計(jì)

2.1 鉆具組合及匹配鉆頭設(shè)計(jì)

2.1.1 鉆具組合設(shè)計(jì)

采用液動(dòng)射流沖擊器旋沖鉆井提速技術(shù)，鉆具組合設(shè)計(jì)如下：

1)鉆頭+液動(dòng)射流沖擊器+(MWD)+常規(guī)鉆具組合；

2)鉆頭+井下動(dòng)力鉆具(螺桿)+液動(dòng)射流沖擊器+MWD+常規(guī)鉆具組合；

3)鉆頭+液動(dòng)射流沖擊器+井下動(dòng)力鉆具(螺桿)+常規(guī)鉆具組合。

當(dāng)鉆井設(shè)計(jì)不使用井下動(dòng)力鉆具時(shí)，首選第一種鉆具組合；當(dāng)鉆井設(shè)計(jì)中使用井下動(dòng)力鉆具和MWD時(shí)，液動(dòng)射流沖擊器置于動(dòng)力鉆具和MWD之間，采用第二種鉆具組合；當(dāng)鉆井設(shè)計(jì)中不使用MWD時(shí)，可采用第三種鉆具組合，即液動(dòng)射流沖擊器直接與鉆頭連接，上部接動(dòng)力鉆具。鉆具組合中的鉆頭采用鉆井設(shè)計(jì)鉆頭或在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上優(yōu)選。

液動(dòng)射流沖擊器在本井試驗(yàn)井段設(shè)計(jì)鉆頭為PDC鉆頭，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)選，未設(shè)計(jì)井下動(dòng)力鉆具，因此采用第一種鉆具組合。

2.1.2 匹配鉆頭優(yōu)選

結(jié)合本次試驗(yàn)井段的巖石抗鉆特性及鉆頭選型原則，本次試驗(yàn)優(yōu)選了M746PX-C為沖擊器配套試驗(yàn)鉆頭。依據(jù)PDC鉆頭以單齒抗沖擊功及布齒情況，M746PX-C鉆頭總齒數(shù)60顆，其中承載軸向載荷的冠部齒共計(jì)49顆，單齒抗沖擊功為60 J，按照各切削齒承載載荷相同計(jì)算，冠部齒整體抗沖擊能力為49×10=490 J，滿(mǎn)足沖擊器最大沖擊功(335 J)設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，鉆頭復(fù)合片上軸向力的分布規(guī)律：內(nèi)錐部位大，向外減小。載荷最大部位承受載荷為平均載荷的1.8倍，單次沖擊的平均載荷位：335 J÷49=6.8 J，內(nèi)錐部位最大載荷：6.8 J×1.8=12.24 J，遠(yuǎn)小于60 J。因此，從承受最大載荷的內(nèi)錐齒也是安全的。圖1為與沖擊器匹配鉆頭冠部齒軸向和徑向力的分布規(guī)律[7-11]。

圖1 鉆頭冠部齒軸向和徑向力的分布規(guī)律

從圖1可見(jiàn)，在只考慮沖擊載荷的情況下，所有PDC鉆頭冠部切削齒徑向受力為零，內(nèi)錐齒承受最大的沖擊力為1 kN，向外的齒受沖擊力逐漸減小。

M746PX-C鉆頭冠部齒軸向和徑向力分析結(jié)果表明，該鉆頭具有良好的抗沖擊性能。可安全承載最大的沖擊功，滿(mǎn)足旋沖鉆井參數(shù)設(shè)計(jì)要求。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了該鉆頭冠部各切削齒的扭矩分布規(guī)律，見(jiàn)圖2。

圖2 鉆頭冠部齒軸向和徑向扭矩的分布規(guī)律

從圖2可見(jiàn)，在沖擊載荷下，冠部各切削齒徑向上扭矩為零，軸向扭矩從內(nèi)向外逐漸增多，到中間部位，各切削齒扭矩增加到最大，最大值達(dá)105 N·m。此后，由中間向外，各切削齒扭矩逐漸減小，最外緣冠部切削齒扭矩為45 N·m。

2.2 旋沖鉆井參數(shù)設(shè)計(jì)

旋沖鉆井參數(shù)包括：排量、鉆壓、轉(zhuǎn)速、沖擊功(沖擊力)及沖擊頻率，即在常規(guī)鉆井參數(shù)的基礎(chǔ)上增加了沖擊器的性能參數(shù)(沖擊功和沖擊頻率)。通常情況下，常規(guī)鉆井參數(shù)保持原鉆井設(shè)計(jì)參數(shù)不變，沖擊功和沖擊頻率則依據(jù)擬應(yīng)用井段的巖石抗鉆特性(抗壓強(qiáng)度)確定。通過(guò)試驗(yàn)分析，巖石的抗壓強(qiáng)度與破巖沖擊功存在匹配關(guān)系，巖石產(chǎn)生體積破碎需要一個(gè)最小的沖擊功，不同巖石體產(chǎn)生體積破碎所需要的最小沖擊功不同，存在一定的規(guī)律[12-13]，依據(jù)上述規(guī)律優(yōu)化沖擊功，沖擊頻率作為輔助設(shè)計(jì)參數(shù)，當(dāng)確定了沖擊功，相應(yīng)的確定出沖擊頻率。為滿(mǎn)足不同巖層破巖所需沖擊功，沖擊功設(shè)計(jì)為可調(diào)節(jié)的，通常采用改變沖錘的質(zhì)量、活塞運(yùn)動(dòng)的行程、分流孔的孔徑等方式調(diào)節(jié)。旋沖鉆井主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 旋沖鉆井參數(shù)設(shè)計(jì)

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

ATN-1123井為一口評(píng)價(jià)井，設(shè)計(jì)井深5 880 m，Φ228液動(dòng)射流沖擊器應(yīng)用井段3 316～3 963 m，該層段巖石抗壓強(qiáng)度在126～276 MPa，為Sudair和Khuff最硬的層段。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用采用上述提速方案，根據(jù)沙特Pre-Khuff高研磨性硬地層優(yōu)化了沖擊器性能參數(shù)沖擊功和沖擊頻率；依據(jù)巖石特性、鉆頭模擬分析優(yōu)選匹配鉆頭；通過(guò)水力參數(shù)計(jì)算，設(shè)計(jì)最優(yōu)排量、泵壓等參數(shù)。優(yōu)化了井下鉆具組合為：φ311.2 mm PDC PDC(M746PX-C)+浮閥 +Φ228射流沖擊器+扶正器+MWD+泥漿過(guò)濾短接+扶正器+鉆鋌+加重鉆桿+頂驅(qū)。實(shí)時(shí)跟蹤井下工況，及時(shí)調(diào)整鉆壓和轉(zhuǎn)速，優(yōu)選鉆壓100～140 kN，轉(zhuǎn)速100～140 rpm，排量45～50 L/s。

3.1 提速效果

Φ228液動(dòng)射流沖擊器在ATN-1123井提速應(yīng)用，進(jìn)尺647 m，工作時(shí)間103.5 h，鉆至3 963.25 m，中完起鉆，起鉆后沖擊器鉆臺(tái)試驗(yàn)仍保持繼續(xù)工作，鉆頭新度98%。

表3列舉了ATN-1123井使用Φ228射流沖擊器旋沖鉆井機(jī)械鉆速與相鄰幾口井的機(jī)械鉆速對(duì)比情況。

表3 與鄰井機(jī)械鉆速對(duì)比表

從表3可見(jiàn)，使用Φ228射流沖擊器鉆進(jìn)井段平均機(jī)械鉆速為9.40 m/h，較同層段鉆速最快鄰井平均機(jī)械鉆速(6.46 m/h)同比提高47%。較鄰井機(jī)械鉆速最高提高62%。

3.2 射流沖擊器使用情況分析

射流沖擊器在入井前和出井后分別進(jìn)行了鉆臺(tái)啟動(dòng)試驗(yàn)。鉆臺(tái)啟動(dòng)試驗(yàn)按照既定的試驗(yàn)方案進(jìn)行。啟動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

射流沖擊器出井后鉆臺(tái)啟動(dòng)結(jié)果表明，射流沖擊器井下工作103 h，仍然繼續(xù)工作，啟動(dòng)排量為27 L/s，啟動(dòng)壓力為2.1 MPa，在正常鉆井排量下工作正常。

表4 沖擊器鉆臺(tái)試沖工作情況

3.3 鉆頭使用情況分析

起鉆后，出井鉆頭新度在98%以上，圖3為出井后鉆頭各刀翼PDC齒磨損情況照片，照片中各刀翼PDC復(fù)合片未見(jiàn)明顯磨損，廠家對(duì)鉆頭評(píng)價(jià)為全新。較鄰井鉆頭的磨損情況有明顯的改善。

圖3 出井后鉆頭各刀翼PDC齒磨損情況

表5列舉了ATN-1123井與幾口鄰井相應(yīng)井段鉆頭純鉆時(shí)間、進(jìn)尺及磨損情況。

從表5可見(jiàn)，與液動(dòng)射流沖擊器配套鉆頭進(jìn)尺647 m，鉆頭磨損最輕，驗(yàn)證了采用液動(dòng)射流沖擊器旋沖鉆井技術(shù)在提高機(jī)械鉆速同時(shí)，可有效增加單只鉆頭的進(jìn)尺。

表5 本井及鄰井鉆頭使用情況對(duì)比

4 結(jié)論與建議

1)通過(guò)鉆具組合優(yōu)化設(shè)計(jì)，Φ228液動(dòng)射流沖擊器匹配鉆頭優(yōu)選，以及液動(dòng)射流沖擊器旋沖鉆井參數(shù)設(shè)計(jì)，在ATN-1123井12″井眼硬地層成功提速，與鄰井對(duì)比，平均機(jī)械鉆速同比提高了47%，為該區(qū)塊提速提供了有效的技術(shù)手段。

2)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果證明，在高硬度、強(qiáng)研磨性地層，使用Φ228液動(dòng)射流沖擊器，在不改變鉆井設(shè)計(jì)參數(shù)的情況下，改善了鉆頭井底破巖條件，在提高鉆井機(jī)械鉆速的同時(shí)，減少了鉆頭磨損，增加了鉆頭單次進(jìn)尺。

3)基于液動(dòng)射流沖擊器與PDC鉆頭直接配合的鉆具組合在ATN-1123應(yīng)用，其提速效果得到了充分的證明。如果在此基礎(chǔ)上增加其它動(dòng)力鉆具(如螺桿等)，還需在鉆具組合和旋沖鉆井參數(shù)上進(jìn)一步優(yōu)化，其在該區(qū)塊相應(yīng)地層的提速效果也有待進(jìn)一步驗(yàn)證。