減振技術(shù)在博孜區(qū)塊礫石層鉆井的應(yīng)用

丁 紅，萬教育，張 明，張瑞平，田軍武，肖 凱，余麗彬

(1.西部鉆探定向井技術(shù)服務(wù)公司，新疆烏魯木齊830026；2.西部鉆探巴州分公司，新疆庫爾勒841006)

庫車前陸沖斷帶克拉蘇構(gòu)造帶上部地層為高陡構(gòu)造，礫石層發(fā)育，厚度大且分布廣，最厚達(dá)到5900m，分為未成巖段、準(zhǔn)成巖段和成巖段。博孜區(qū)塊巨厚礫石層，淺層礫巖厚度1500～2000m，未成巖段膠結(jié)疏松，礫石含量高，礫徑大，最大達(dá)到340mm，對鉆頭與工具沖擊破壞作用強；準(zhǔn)成巖段壓實程度增加，膠結(jié)程度趨于致密，可鉆性差，研磨性強；成巖段礫石含量減少，地層壓實，巖性變化快。新近系庫車組、康村組和吉迪克組礫巖PDC 可鉆性5～7 級，牙輪鉆頭4～6 級，可鉆性極差，鉆井過程中跳鉆嚴(yán)重[1]。第四系至新近系吉迪克組地層總體上屬于中—高硬度、低可鉆性巖石。上部庫車組、康村組至吉迪克組地層位于上部大尺寸井眼段，存在礫石層段長的特點。針對大尺寸井眼段大段礫石層鉆柱振動嚴(yán)重問題，鉆柱振動[2]在頻繁劇烈地發(fā)生時會造成鉆頭損壞、鉆具磨損加劇以及迅速的疲勞破壞，甚至于鉆柱斷裂破壞等事故，一旦鉆柱斷裂，在影響鉆井施工效率的同時，還增加了施工成本。根據(jù)礫石層特征，應(yīng)用減振工具，并配套優(yōu)化鉆具組合與參數(shù)等，進(jìn)一步提高趟鉆進(jìn)尺與工具的使用壽命，對于預(yù)防鉆具事故，實現(xiàn)快速優(yōu)質(zhì)鉆井具有十分重要的意義。

1 鉆柱損壞情況及原因分析

1.1 鉆柱損壞情況

統(tǒng)計近1 年在博孜區(qū)塊所鉆兩口井在第四系西域組、新近系庫車組礫石層采用常規(guī)雙穩(wěn)定器鐘擺鉆具組合鉆進(jìn)情況，鉆柱損壞主要為接頭斷裂、穩(wěn)定器母扣斷裂。其中BZ102-1 井鉆柱損壞為變扣接頭斷裂；BZ104-2井鉆柱損壞為兩次穩(wěn)定器母扣斷裂。這兩口井在礫石層鉆柱損壞致鉆具斷裂發(fā)生具體經(jīng)過如下：

BZ102-1井二開?444.5mm井眼在203.32～778m段使用雙穩(wěn)定器常規(guī)鐘擺鉆具組合鉆進(jìn)，鉆進(jìn)參數(shù)為鉆壓10～12t，轉(zhuǎn)速80r/min，泵壓7～11MPa，排量55L/s，615～778m 段鉆進(jìn)過程中，鉆具憋跳嚴(yán)重，偶爾會有憋停轉(zhuǎn)盤的情況出現(xiàn)，鉆進(jìn)至井深778.02m，泵壓由8.2～10.8MPa 范圍下降至5.6MPa，懸重由87t 下降至69t，扭矩由12kN·m 降至3kN·m，起鉆完發(fā)現(xiàn)鉆具從?203.2mm鉆鋌和?228.6mm鉆鋌之間的變扣母扣上段斷裂，井底落魚通過打撈成功。

BZ104-2 井二開?444.5mm 井眼在201～1206m段使用雙穩(wěn)定器常規(guī)鐘擺鉆具組合鉆進(jìn)，鉆進(jìn)參數(shù)為鉆壓6～10t，轉(zhuǎn)速60～80r/min，泵壓7～11MPa，排量48～50L/s，第一次鉆柱損壞斷鉆具，二開鉆進(jìn)至井深1206m，泵壓由12.9MPa 降至6.5MPa，懸重93t 降至82t，扭矩由12kN·m 降至6kN·m，循環(huán)起鉆完發(fā)現(xiàn)上穩(wěn)定器母扣距臺階面140mm處斷裂，井底落魚通過打撈成功；第二次鉆柱損壞斷鉆具，鉆進(jìn)至井深1351m，泵壓由10.8MPa降至6.7MPa，懸重由98t降至90t，扭矩由12kN·m降至6kN·m，循環(huán)起鉆完發(fā)現(xiàn)下穩(wěn)定器母扣距臺階面145mm處斷裂，井底落魚通過打撈成功。

另外，在新近系庫車組礫石層使用垂鉆工具進(jìn)行垂直鉆井[3]，鉆進(jìn)中鉆柱損壞情況以BZ3-1X井趟鉆為例，在?444.5mm 井眼270～621m 段使用“牙輪鉆頭+垂鉆工具+MWD”組合形式鉆進(jìn)，鉆進(jìn)參數(shù)主要為鉆壓6～16t、轉(zhuǎn)速50～70r/min、泵壓8～14.5MPa、排量60～65L/s，高鉆壓鉆進(jìn)扭矩波動大，憋跳嚴(yán)重，趟鉆工具起出后本體和巴掌磨損嚴(yán)重，牙輪鉆頭失效；高排量造成泥漿泵泵壓高，泥漿泵缸套易刺漏，井下儀器易被沖蝕，工具易磨損；趟鉆完成后需要現(xiàn)場更換鉆頭、垂鉆工具下鉆。

1.2 鉆柱損壞因素分析

通過對現(xiàn)場情況的調(diào)查分析研究可知，鉆進(jìn)時的振動及礫石地層等因素可導(dǎo)致鉆柱的損壞。鉆柱在井下工作條件非常惡劣，受力狀態(tài)十分復(fù)雜，所受載荷有拉壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊等，大多數(shù)情況下這些力是交變載荷；另外，由于鉆柱渦動可引起鉆柱與井壁間的摩擦和高頻撞擊，當(dāng)用牙輪鉆頭鉆入這種地層時，由于巖層不均，鉆柱跳動嚴(yán)重，使鉆柱在很大的動態(tài)力下工作，導(dǎo)致鉆柱發(fā)生振動疲勞破壞。鉆柱在鉆進(jìn)時的振動是導(dǎo)致鉆柱損壞的關(guān)鍵因素。鉆柱劇烈振動給鉆井作業(yè)帶來的危害主要表現(xiàn)在：不能均勻地加鉆壓和施加扭矩，使鉆頭早期破壞，影響鉆頭壽命和鉆速；加劇鉆柱疲勞破壞，以鉆柱組件連接部位最為嚴(yán)重，常發(fā)生刺扣、斷裂事故等。

博孜區(qū)塊礫石層鉆井，礫石含量高的地層多在?444.5mm大尺寸井眼的淺層分布，地質(zhì)情況復(fù)雜，礫石層厚度不一，礫石大小不一，除了鉆進(jìn)過程中鉆柱振動嚴(yán)重外，大尺寸井眼鉆井為提高攜巖能力，鉆井排量一般較高，60L/s 以上高排量下鉆井可能對鉆具、儀器等井下工具具有較強的沖擊、沖蝕和磨損作用，可能導(dǎo)致鉆具疲勞損壞失效、刺漏、斷裂等。另外，在轉(zhuǎn)盤鉆井時，通過轉(zhuǎn)盤把一定的扭矩傳遞給鉆柱，用于旋轉(zhuǎn)鉆柱和帶動鉆頭破碎巖石，如果選擇了不合適的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，使鉆柱系統(tǒng)的工作轉(zhuǎn)速沒有避開臨界轉(zhuǎn)速范圍，沒有避免鉆柱共振，會導(dǎo)致鉆柱過早疲勞損壞；轉(zhuǎn)速過快，鉆柱會在井眼內(nèi)擺動厲害，會加劇鉆柱磨損。

2 減振工具工作原理及鉆具組合

2.1 減振工具工作原理

2.1.1 多維沖擊器

工具主要由水力元件振蕩元件和多維沖擊發(fā)生機(jī)構(gòu)組成。其工作原理是鉆井液經(jīng)水力振蕩元件調(diào)制生成脈沖射流，在經(jīng)多維沖擊發(fā)生機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為軸向沖擊和扭轉(zhuǎn)沖擊。軸向沖擊和扭轉(zhuǎn)沖擊協(xié)同作用，提高鉆頭的破巖鉆井速度。流體脈動沖擊，屬于非剛性沖擊，抑制了鉆壓及扭矩波動，具有緩沖減振作用。沖擊載荷可抑制或緩解PDC 鉆頭在破巖過程中粘滑現(xiàn)象[4]，延長鉆頭壽命，增加鉆頭進(jìn)尺，保證井下安全。

2.1.2 雙擺工具

工具由陀螺外殼、穩(wěn)定陀螺和耦合轉(zhuǎn)子等組成，利用陀螺具有自穩(wěn)性的特點，以加速度為動作衡量標(biāo)尺，主動抑制因鉆頭切削巖層的跳動對鉆桿產(chǎn)生的振動而帶來的鉆桿系各種渦動狀態(tài)及振動。有效抑制鉆頭及鉆柱的復(fù)雜運動狀態(tài)，緩解井下振動，保護(hù)鉆頭和工具，延長其壽命，緩減“憋跳鉆”現(xiàn)象，防止鉆頭、井下工具先期損壞，確保鉆頭牙齒對地層的持續(xù)吃入狀態(tài)，提高有效鉆進(jìn)時效，從而提高切削效率。

2.1.3 減振器

減振器包括一個芯軸和外花鍵總成。該聯(lián)鎖裝置允許在將旋轉(zhuǎn)載荷轉(zhuǎn)移至鉆柱的同時控制向上和向下移動。減振器運用雙向碟簧作用打破鉆井作業(yè)中的振動載荷周期，使鉆具適用一個范圍更廣的鉆壓。當(dāng)軸向載荷產(chǎn)生時，碟簧組件能夠有效吸收振動產(chǎn)生的能量，同時通過機(jī)械摩擦能消除部分振動力的作用，從而降低載荷，保護(hù)鉆具[5]。

2.2 鉆具組合的優(yōu)化

根據(jù)博孜區(qū)塊上部礫石層、鉆具組合及井身質(zhì)量要求等情況，鉆具組合由雙穩(wěn)定器常規(guī)鐘擺鉆具組合、垂鉆工具組合優(yōu)化為“雙穩(wěn)定器常規(guī)鐘擺鉆具+減振工具”、“垂鉆工具+減振工具”組合形式在現(xiàn)場試驗應(yīng)用，以緩解鉆具在礫石層鉆進(jìn)中的疲勞損壞，延長使用壽命。從鉆具組合功能上看，“垂鉆工具+減振工具”組合形式更適宜于礫石層防斜、提速、提效的要求。

根據(jù)減振工具的工作原理、結(jié)構(gòu)特征及參數(shù)要求，結(jié)合不同類型鉆具組合形式，減振工具的安放位置也有所不同。多維沖擊器通過液壓緩沖作用，抑制了鉆壓及扭矩波動，一般安放在垂鉆工具后面發(fā)揮作用。雙擺工具是以加速度為動作衡量標(biāo)尺，對鉆頭渦動進(jìn)行抑制，因此一般雙擺工具安放在PDC 鉆頭之后，減輕PDC鉆頭切削地層產(chǎn)生的跳動；有研究表明牙輪鉆頭的振動以鉆鋌的渦動為主，雙擺工具則放置第一根鉆鋌后，或第一穩(wěn)定器后，起到穩(wěn)定鉆鋌作用，由此若使用垂鉆工具，雙擺工具安放在垂鉆工具之后。含碟簧組件的減振器，一般安放于底部鉆具組合所需要的位置，保護(hù)底部鉆具組合和鉆柱。

3 配套技術(shù)措施

當(dāng)工具下入井底開始正常鉆進(jìn)時，需對鉆壓和轉(zhuǎn)速進(jìn)行合理匹配，以使工具性能得以完全發(fā)揮。鉆進(jìn)時要求送鉆均勻，當(dāng)發(fā)現(xiàn)井底憋跳較嚴(yán)重時，應(yīng)適當(dāng)減小鉆壓，待憋跳現(xiàn)象消除后再逐漸增大鉆壓。選擇合適的鉆井液性能及鉆進(jìn)排量，將鉆碎的礫石顆粒帶出。常規(guī)鉆具鉆井過程中，常出現(xiàn)扭矩施加不上和憋跳鉆的現(xiàn)象，多維沖擊器扭轉(zhuǎn)方向上的高頻沖擊可以減小扭矩的波動，使鉆柱扭矩順利施加，通過觀測鉆柱扭矩波動以及井口轉(zhuǎn)盤運轉(zhuǎn)情況可以監(jiān)測工具的工作情況。當(dāng)鉆井參數(shù)滿足要求時，減振工具的壓降在額定范圍內(nèi)，鉆井過程中需要密切關(guān)注泵壓的變化以監(jiān)測工具的工作情況。減振器在現(xiàn)場無法調(diào)整，出井后，用水沖洗工具內(nèi)徑和外壁，重新安裝護(hù)絲以便運輸。

4 應(yīng)用效果

截至目前，已在博孜區(qū)塊3口井淺層礫石層段試驗應(yīng)用不同類型的減振工具及組合，從使用情況看，比常規(guī)鉆具組合單趟鉆進(jìn)尺高，未發(fā)生明顯鉆具磨損及斷裂情況，其中BZ17井使用雙擺工具鉆具組合在新近系庫車組單趟鉆進(jìn)尺最高達(dá)到510.00m，純鉆時間達(dá)到270.00h，有效延長了鉆頭、鉆具的使用時間；BZ3-3X井應(yīng)用“國產(chǎn)垂鉆+多維沖擊器”組合單趟鉆進(jìn)尺達(dá)到328.00m，純鉆時間84.00h，與僅使用國產(chǎn)垂鉆工具的鉆具組合相比，既提高了機(jī)械鉆速，也延長了垂鉆工具使用時間；使用“PowerV+減振器”鉆具組合單趟鉆進(jìn)尺達(dá)到210.00m，純鉆時間89.00h，趟鉆純鉆時間比僅使用國產(chǎn)垂鉆工具的鉆具組合時間稍長8.71h，一定程度上起到了延長垂鉆工具使用時間作用；BZ104-2 井使用“減振器+雙穩(wěn)定器常規(guī)鐘擺鉆具”組合，未再發(fā)生鉆具斷裂情況，單趟鉆進(jìn)尺及純鉆時間比使用雙穩(wěn)定器常規(guī)鐘擺鉆具組合鉆進(jìn)具有較明顯的提高。見表1。

5 結(jié)論與認(rèn)識

表1 減振工具應(yīng)用情況對比

（1）博孜區(qū)塊礫石層厚度大，研究選擇適合的減振技術(shù)，可以有效延長鉆具在井下的使用壽命，在一定程度上也有利于提速提效。

（2）根據(jù)不同類型減振工具現(xiàn)場技術(shù)應(yīng)用情況，減振工具組配的鉆具組合不同，單趟鉆進(jìn)尺和在井下純鉆進(jìn)使用時間具有差異性，可結(jié)合實際需求從中選擇。

（3）根據(jù)庫車山前克拉蘇構(gòu)造帶礫石層發(fā)育且分布廣的情況，需結(jié)合具體地質(zhì)特征、分具體巖性井段及井眼尺寸等，進(jìn)一步完善減振技術(shù)研究，預(yù)防鉆具過早疲勞損壞，實現(xiàn)提速提效。