自研提速工具在大慶深層現(xiàn)場應(yīng)用與認(rèn)識

王玉璽，紀(jì) 博，劉德偉，李相勇，李 博，李歡歡

(大慶鉆探鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413)

深部難鉆地層巖石具有硬度大、可鉆性級值高等特性，使得在鉆井過程中機(jī)械鉆速低，起下鉆頻繁，為了縮短鉆井周期，達(dá)到降本增效的目的，本文在分析大慶深部地層鉆井提速技術(shù)難點的基礎(chǔ)上，考慮所鉆巖石的特性，在鉆井提速工具研制方面開展研究，同時進(jìn)行配套鉆頭研選，通過大量的現(xiàn)場試驗證明了創(chuàng)新研制的工具提速效果顯著，達(dá)到了縮短鉆井周期的目的。

1 大慶深部難鉆地層巖性特點

大慶深部難鉆地層巖石可鉆性級值大、研磨性強(qiáng)，其泉頭組巖性依次為棕紅、暗紫色泥巖與紫灰、灰綠砂泥巖；登婁庫組巖性依次為灰色、灰綠色砂泥巖互層；營城組巖性為安山巖、角礫巖、凝灰?guī)r、流紋巖、礫巖；沙河子組巖性為灰白色砂巖、泥凝灰?guī)r?？摄@性級值范圍在8~11級，營城組可鉆性級值大于10級，在這些地層鉆井作業(yè)，常規(guī)鉆井方式在砂泥巖互層、紫紅色泥巖由于它的非均質(zhì)性和強(qiáng)塑性特點使得鉆速明顯變慢，而在營城組含礫地層往往對鉆頭復(fù)合片損傷較為嚴(yán)重，嚴(yán)重制約了深井提速作業(yè)，針對上述地層特點現(xiàn)場采取了多項提速手段。

2 深井常規(guī)提速技術(shù)分析

目前針對深部堅硬地層常規(guī)的提速手段有以下幾種方式：

（1）高效鉆頭配螺桿鉆具：螺桿鉆具往往與牙輪鉆頭和PDC鉆頭進(jìn)行使用，當(dāng)配合牙輪鉆頭使用時，牙輪鉆頭的破巖方式更適合于硬地層，與高速螺桿使用時，通過高轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到提速的效果，但牙輪鉆頭壽命較低，一般90h就需要起鉆更換鉆頭，該鉆頭易存在軸承失效、斷齒、掉齒、掉牙輪等井下風(fēng)險。由于復(fù)合片技術(shù)近幾年的高速發(fā)展，PDC鉆頭在硬地層的效果逐漸顯現(xiàn)出來，特別是它的安全性高，不易發(fā)生井下事故。國外PDC鉆頭使用效果明顯高于國內(nèi)同類鉆頭，主要是由于國外復(fù)合片脫鈷深度、耐磨和熱穩(wěn)定性等要高于國內(nèi)，但其費(fèi)用較高，不利于目前低油價降本的要求。此外由于深井溫度較高，螺桿也極易發(fā)生脫膠現(xiàn)象，一般螺桿壽命200h左右。

（2）孕鑲鉆頭配渦輪鉆具：孕鑲鉆頭具有很高的抗研磨性，對超硬地層能夠起到提速作用，而渦輪鉆具通過渦輪定轉(zhuǎn)子的高扭矩，能夠為孕鑲鉆頭提供高速的動力，但這種技術(shù)存在一定的局限性，就是孕鑲鉆頭研磨出的巖屑太小，不利于錄井巖性取樣，同時鉆頭成本較高。

（3）氣體鉆井：采用氣體鉆井技術(shù)鉆進(jìn)可較大提高機(jī)械鉆速，但由于地層出水預(yù)測技術(shù)還不準(zhǔn)確，出水后易引起鉆頭泥包、卡鉆的事故，同時氣體鉆井設(shè)備復(fù)雜，成本相對較高。

（4）單向沖擊輔助破巖工具：隨著勘探開發(fā)的不斷深入，以扭力沖擊器為代表的沖擊輔助破巖工具在深層鉆井提速提效中發(fā)揮著顯著的作用。其代表產(chǎn)品為美國阿特拉公司研制的扭沖工具，國內(nèi)外各大公司相繼研發(fā)出具有周向或軸向沖擊振動的輔助工具，其中周向沖擊工具具有剪切效率高、鉆速快，可有效解決粘滑振動，但由于吃入巖石能力不足，在致密性泥巖等地層提速效果不佳。而軸向沖擊工具僅能夠輔助鉆頭提高吃入深度，但剪切效率低，提速效果不顯著。因此，單一的沖擊方式均存在一定的技術(shù)局限性，為了發(fā)揮兩種鉆井技術(shù)破巖方式的優(yōu)勢，未來提速工具的發(fā)展方向?qū)⒔Y(jié)合軸向和周向沖擊振動的特點，提出復(fù)合沖擊鉆井技術(shù)。

3 創(chuàng)新研制出復(fù)合沖擊鉆井工具

通過三年的科研攻關(guān)，我們研制出兼具周向、軸向沖擊振動和水力脈沖相結(jié)合的復(fù)合沖擊鉆井工具，該項技術(shù)是將鉆井液流體的能量轉(zhuǎn)換成工具的周向和軸向高頻往復(fù)的沖擊機(jī)械能，周向沖擊振動可使鉆桿的旋轉(zhuǎn)破巖能量傳遞到鉆頭上，降低粘滑效應(yīng)；軸向沖擊振動則給鉆頭提供軸向破巖的能量，從而提高鉆頭吃入地層深度，提高破巖效率，達(dá)到提速的目的。

3.1 復(fù)合沖擊鉆井工具優(yōu)勢

復(fù)合沖擊鉆井工具采用純機(jī)械結(jié)構(gòu)，因此不受井下高溫影響，針對泥漿沖蝕問題，該工具對局部換向窗口進(jìn)行了硬質(zhì)合金噴涂技術(shù)，可保證工具在井下連續(xù)工作200h以上，能夠滿足深部高溫高壓的鉆井的工況要求。

內(nèi)部的高頻沖擊機(jī)構(gòu)帶動PDC鉆頭在軸向上產(chǎn)生軸向沖擊，提高鉆頭切削齒吃入深度，在周向上產(chǎn)生周向高頻振動，可有效減少了粘滑現(xiàn)象，提高破巖效率，減少阻抗扭矩；這種高頻沖擊力能夠在較硬地層鉆進(jìn)時預(yù)先形成巖石裂紋和預(yù)破碎，改善了PDC鉆頭的切削環(huán)境，達(dá)到輔助PDC鉆頭剪切巖層的作用。

復(fù)合沖擊鉆井工具內(nèi)部獨(dú)特的流體轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)，改變了鉆井液水力流場，形成了高頻的水力脈沖波動，提高了井底巖屑的清洗和運(yùn)移，減少巖石重復(fù)切削，進(jìn)一步提高鉆速。

3.2 復(fù)合沖擊配套鉆頭的研選

在工具現(xiàn)場試驗過程中，通過對以上曲線分析，結(jié)合大慶地區(qū)巖性特點，形成配套鉆頭研選認(rèn)識如下：

（1）隨著井深增加，刀翼數(shù)逐漸增多，復(fù)合片直徑由大到小，營城組上部采用4~5刀翼16~19mm復(fù)合片的鉆頭，通過增加切削面積，提高鉆速；

（2）在深部堅硬地層采用6刀翼13mm復(fù)合片鉆頭，通過增加布齒密度，提高鉆頭抗研磨性；

（3）針對塑性砂泥巖互層，應(yīng)選擇側(cè)傾角和后傾角角度較大的鉆頭，提高鉆頭的攻擊性，使得復(fù)合片更易吃入地層；

（4）針對營城組含礫石較多的地層，在復(fù)合片的選擇上應(yīng)考慮國外的進(jìn)口復(fù)合片，例如屋脊齒、非平面齒鉆頭。這類復(fù)合片抗研磨性強(qiáng)、熱穩(wěn)定性高、脫鈷深度深，當(dāng)鉆頭在硬地層鉆進(jìn)時，由于地層巖性抗研磨性強(qiáng)，鉆頭吃入深度有限，極易造成鉆頭重復(fù)切削，導(dǎo)致復(fù)合片局部受熱，一般復(fù)合片當(dāng)溫度達(dá)到700℃時不穩(wěn)定，受到?jīng)_擊時易破碎。為此我們在硬地層鉆進(jìn)時應(yīng)優(yōu)先選擇國外進(jìn)口復(fù)合片鉆頭。

4 復(fù)合沖擊鉆井工具現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 試驗總體情況

2017~2019年期間，研發(fā)的復(fù)合沖擊鉆井工具在大慶深層現(xiàn)場試驗12井次，累計進(jìn)尺3868m，平均鉆速4.8m/h，平均鉆速提高201%，提速效果顯著。

（1）創(chuàng)工具最長使用時間和進(jìn)尺紀(jì)錄：該工具第一次現(xiàn)場試驗使用2支工具實現(xiàn)三開完鉆，本次施工井段泉頭組—營城組，井深2338~3560m,總進(jìn)尺1222m,總鉆時342h，平均機(jī)械鉆速3.57m/h。其中第1趟鉆總進(jìn)尺954m，純鉆245h，使用時間達(dá)303.75h,機(jī)械鉆速3.89m/h。與臨井常規(guī)鉆井方式同比，單趟鉆進(jìn)尺提高567%，機(jī)械鉆速提高125.9%。

（2）與國內(nèi)其它提速工具同比鉆速快：在試驗2井開展了2井次現(xiàn)場應(yīng)用，總進(jìn)尺504m，平均鉆速7.04m/h，頂點鉆速8.58m/h，鄰井距離試驗2井間距400m，地質(zhì)巖性描述一致，鄰井進(jìn)尺509m，平均鉆速4.53m/h，頂點鉆速與臨井采用國內(nèi)其它提速工具同比鉆速提高55.4%。

（3）創(chuàng)大慶升深區(qū)塊最快鉆速：該工具在升深試驗井進(jìn)行現(xiàn)場試驗，累計進(jìn)尺309m，其中第一趟鉆速達(dá)到13.5m/h，與臨井同比鉆速提高585%，創(chuàng)升深區(qū)塊最快單趟鉆速紀(jì)錄。

4.2 現(xiàn)場試驗的認(rèn)識

（1）在泉頭至登樓庫組塑性泥巖提速效果顯著。復(fù)合沖擊能夠同時產(chǎn)生軸向和周向高頻沖擊，在低鉆壓條件下，軸向沖擊額外產(chǎn)生吃入地層的沖擊力，由于工具向下沖擊后還要回彈，這種方式則破壞了塑性泥巖對鉆頭的包裹作用。

（2）能夠保證井斜要求。通過采用復(fù)合沖擊鉆井工具可以保證在低鉆壓實現(xiàn)高鉆速，如采用鐘擺鉆具組合，可以保證井斜要求。

（3）對鉆頭有保護(hù)作用。復(fù)合沖擊工具應(yīng)用12口井，總共采用7種規(guī)格鉆頭進(jìn)行現(xiàn)場試驗，提速效果十分明顯，起出鉆頭基本無磨損，均可二次下井使用。

5 結(jié)論

（1）大慶深部地層普遍存在巖石堅硬、研磨性強(qiáng)等技術(shù)難點，影響鉆井機(jī)械鉆速；

（2）采用周向和軸向沖擊輔助破巖工具，能夠產(chǎn)生高頻沖擊輔助鉆頭破巖，可在深部難鉆地層中取得較好的提速效果，能夠大幅提高機(jī)械鉆速，提高單只鉆頭進(jìn)尺，減少起下鉆次數(shù)；

（3）創(chuàng)新設(shè)計了周向和軸向沖擊機(jī)構(gòu)，保證了沖擊振動的穩(wěn)定輸出，整套工具結(jié)構(gòu)合理，安全可靠，能夠滿足現(xiàn)場施工要求；

（4）復(fù)合沖擊鉆井工具經(jīng)多次現(xiàn)場驗證，提速效果顯著，能夠縮短鉆井周期，達(dá)到降本增效的目的，該項技術(shù)已達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先技術(shù)水平，可為深部難鉆地層提速提供新的技術(shù)支持。