復合沖擊工具在南海東部深部地層提速技術應用

劉少權，秦世利，游堯，田波，鄭偉(中海油能源發(fā)展工程技術深圳分公司鉆完井技術中心,廣東 深圳 518067)

0 引言

南海東部中深部地層層序為珠海組、恩平組和文昌組地層。其中深部的恩平組和文昌組地層埋深在3 000 m以下，深層含較多灰質(zhì)砂巖及厚層灰?guī)r，抗壓強度6.89 MPa以上。深層鉆遇的基地花崗巖、炭質(zhì)泥巖、灰質(zhì)砂巖、灰?guī)r和火成巖等地層，地層硬度級別為M10-M11，巖石抗壓強度124～172 MPa,局部硬夾層巖石抗壓強度高達192 MPa，地層研磨性強[1]，機械鉆速一般低于10 m/h。

1 南海東部深層探井作業(yè)難點及解決思路

1.1 深層鉆井提速難點分析

東部中深部地層由于上述特殊地層巖性與硬質(zhì)夾層以及地層溫度原因，形成深層鉆井提速難點如下：

(1)深層巖石硬度高，研磨性強，鉆頭切削齒及本體磨損嚴重，一般鉆進300～450 m需要起鉆更換鉆頭。鉆速普遍偏低，機械鉆速2～8 m/h，影響鉆井效率并大幅提升了鉆井成本。

(2)深井鉆壓難以施加。隨著井深的增加，鉆柱易彎曲變形，從而導致深井鉆頭加壓難度增大，嚴重影響鉆速。

(3)深層古近系地層巖性結構復雜，泥漿比重增加影響鉆井速度。由于煤層、不等厚泥頁巖互層等易垮塌的特殊地層，井壁易坍塌掉塊，加大了鉆井難度。鉆井過程中常會遇到斷層、發(fā)育裂縫等特殊地層，有井漏風險，限制鉆井提速[1]。

(4)鉆井液性能受限。深層由于溫度高(通常120 ℃以上)，受鉆井液材料耐溫性影響，其封堵性、潤滑性等受到不同程度影響，鉆井液總體性能降低，影響提速[2]。

1.2 解決問題思路

常規(guī)單向軸向沖擊配合PDC鉆頭鉆進時，單向軸向沖擊在增加PDC鉆頭切削齒切削深度的同時，會增大切削齒前端巖石的阻抗扭矩，導致鉆頭產(chǎn)生扭轉振動[3]。尤其在南海東部深部高硬質(zhì)易夾層地層鉆進中，容易出現(xiàn)切削齒大量崩齒現(xiàn)象，造成機械鉆速慢，降低鉆頭使用壽命的不利影響。

所以基于這種模式下的靠單純增加轉速的常規(guī)螺桿鉆具、X-Treme 超級馬達等工具均失去效力。

復合沖擊鉆進時，正向扭轉沖擊和單向軸向沖擊同時施加于鉆頭處。它結合了軸向沖擊和往復扭轉沖擊，具有有效抑制PDC鉆頭扭轉振動的優(yōu)點，在提高機械鉆速的同時能夠保護鉆頭切削齒，能有效提高鉆速和鉆頭使用壽命。

2 復合沖擊破巖技術

2.1 提速原理

復合沖擊鉆井的主要提速機理為：靜壓使巖石產(chǎn)生預損傷，單向軸向沖擊載荷使巖石產(chǎn)生足夠的開裂區(qū)和切削深度，扭轉沖擊能克服切削齒前端由于軸向沖擊增加而產(chǎn)生的阻抗扭矩，避免由于切削深度的突增造成鉆頭阻抗扭矩的突增，從而避免PDC鉆頭發(fā)生扭轉振動[2]。

2.2 工作機理

提速工具的工作原理大同小異。以復合沖擊器為例。它在鉆頭上增加一個額外的旋轉方向和軸向的均勻穩(wěn)定的高頻沖擊力，大幅度提高剪切效率，緩解了聚集在鉆頭上部的反沖扭力。利用鉆井液水力能量，通過沖擊能量發(fā)生裝置和沖擊頻率發(fā)生裝置，對脈沖沖擊能量進行能量分配，產(chǎn)生約80%周向沖擊，20%軸向沖擊的能量。在復合沖擊器上通過周向和軸向兩個方向的沖擊，形成復合沖擊，加強鉆頭破巖效果，達到提速效果。專用PDC鉆頭與扭力沖擊器配合使用后，很好地消除粘滑現(xiàn)象，延長鉆頭及其他鉆具的壽命。

圖1 LF14-4井215.9 mm井段作業(yè)錄井圖

3 現(xiàn)場應用與評價

復合沖擊工具在某區(qū)塊探井215.9 mm井段中使用，地層主要為古近系的文昌和恩平組，恩平組和文昌組地層巖性為灰色、褐色泥巖與細砂巖、中砂巖、粗砂巖、泥質(zhì)粉砂巖呈不等厚互層，部分高嶺石質(zhì)砂巖，局部含薄煤層。

從巖性分布圖可以看到，深部恩平和文昌組地層夾層頻繁，不等厚互層發(fā)育。從巖石抗壓強度和內(nèi)摩擦角剖面計算可見地層巖石抗壓強度高，具有較強的研磨性，整體可鉆性差，局部硬質(zhì)夾層抗壓強度超過138 MPa。軟硬地層交錯的情況導致鉆井中容易造成鉆頭崩齒損壞，降低鉆速和壽命。

該井段位于本井的穩(wěn)斜井段，穩(wěn)斜角22.5°，裸眼段長約1 640 m。在該井段作業(yè)中，前面三趟鉆均因地層硬質(zhì)夾層頻繁，機械鉆速慢，鉆頭進尺短。為攻克此問題，在第四趟作業(yè)期間，選用復合沖擊工具破巖，大幅提高了鉆進速度和單只鉆頭進尺。純鉆時間從不足15 h提升到65 h，機械鉆速由不足5 m/h，提升到25 m/h，進尺從不足100 m，提升到1 650 m，總體鉆頭磨損較輕微，總體取得了良好的效果。

從圖1 A4井215.9 mm井段作業(yè)錄井圖，結合扭矩、鉆壓和鉆速分析，復合沖擊大大提高了PDC鉆頭對巖石的剪切作用，降低了巖石的阻抗扭矩，有效降低了PDC鉆頭受單向軸向沖擊所產(chǎn)生的扭轉振動，增加切削齒的切削深度并抑制扭轉振動，提高硬地層的機械鉆速。而且結合了軸向沖擊增加切削深度和往復扭轉沖擊抑制PDC鉆頭扭轉振動的優(yōu)點，提高機械鉆速的同時能夠保護鉆頭。

后續(xù)在南海東部海域深層鉆井區(qū)域推廣使用，均取得比較明顯的效果。機械鉆速提速幅度范圍50%～150%。平均至少節(jié)約1趟起下鉆。由于海上鉆井作業(yè)日費較高，節(jié)約1趟起下鉆意味著可以節(jié)省近1天的日費，經(jīng)濟效益比較可觀。大量作業(yè)實踐顯示該工具針對硬質(zhì)砂泥巖互層效果較好，而對于致密灰?guī)r等地層則提速效果一般[3]。

4 結語

(1)在南海東部深層鉆井中，由于深部地層巖石抗壓強度高，具有較強的研磨性，整體可鉆性差，局部硬質(zhì)夾層抗壓強度超過138 MPa。軟硬地層交錯的情況導致鉆井中容易造成鉆頭崩齒損壞。

(2)常規(guī)單向軸向沖擊破巖鉆進時，會增大切削齒前端巖石的阻抗扭矩，導致鉆頭產(chǎn)生扭轉振動，而復合沖擊則結合了軸向沖擊和往復扭轉沖擊，在高硬度的軟硬互層中，能有效提高鉆速和鉆頭使用壽命。

(3)通過在陸豐及整個東部海域推廣使用，深部作業(yè)指標的大幅提升證明了該破巖工具能有效提高深層鉆井機械鉆速，同時減少鉆頭崩齒，鉆頭壽命大幅提升，起下鉆次數(shù)減少，整體作業(yè)效率有效提升。