扭力沖擊器在海洋6-1鉆井提速中的應(yīng)用

陳波，馬志忠，和鵬飛，王志超，宋峙潮，袁則名

中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司（天津 300452）

提速對(duì)石油鉆探作業(yè)至關(guān)重要。為了提高深井鉆探作業(yè)破巖效率，人們做了很多的嘗試和探索。當(dāng)前石油鉆探領(lǐng)域內(nèi)，鉆井提速技術(shù)主要有沖擊鉆井技術(shù)、鉆頭優(yōu)化技術(shù)、脈沖射流提速技術(shù)、輕泥漿提速技術(shù)、VSI 比能優(yōu)化鉆井技術(shù)等。沖擊鉆井技術(shù)相比傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)鉆井具有很多優(yōu)點(diǎn)，沖擊鉆井的機(jī)械鉆速一般比旋轉(zhuǎn)鉆井高2～3 倍[1]，沖擊器能提高井底凈化能力[2]、延長(zhǎng)鉆頭使用壽命[3]。扭力沖擊器作為沖擊鉆井技術(shù)，能為鉆頭提供一個(gè)高頻率、波動(dòng)小、分布均勻的機(jī)械沖擊力，提高PDC鉆頭的破巖效率。為了改變海洋6-1井深部地層鉆頭破巖效率低的現(xiàn)狀，對(duì)業(yè)內(nèi)提速的各種技術(shù)進(jìn)行了調(diào)查研究，選擇了扭力沖擊器作為試驗(yàn)對(duì)象，開(kāi)展了具體的應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果較好。

1 項(xiàng)目背景及難點(diǎn)

1.1 海洋6-1區(qū)塊地質(zhì)特征

海洋6-1 構(gòu)造位于渤中凹陷西南部，儲(chǔ)層主要分布在深部地層及太古界潛山。深部地層巖性以粗砂巖為主，并局部發(fā)育礫巖、含礫中砂巖、中砂巖等。儲(chǔ)層埋藏相對(duì)較深，縱向上非均質(zhì)性較強(qiáng)。該區(qū)域深部地層巖性致密，抗研磨性強(qiáng)，地層抗壓強(qiáng)度高，可鉆性差。該地區(qū)平均地溫梯度為3.5℃/100 m，井底溫度較高，一般可達(dá)150 ℃以上。深部存在高壓地層，地層壓力系數(shù)最大1.56。

1.2 鉆井工程設(shè)計(jì)情況

海洋6-1井設(shè)計(jì)井深4 173 m，井身結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

表1 海洋6-1井設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)

1.3 海洋6-1井鉆井難點(diǎn)

渤海地區(qū)近些年在深井鉆探技術(shù)上有明顯提高，但下部深層井段機(jī)械鉆速較低的現(xiàn)象依舊是鉆探工程中的一個(gè)主要矛盾。深部地層的機(jī)械鉆速低，直接影響著油田深部?jī)?chǔ)層的勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程。目前渤海地區(qū)在提升深層井段機(jī)械鉆速方面面臨的困難有：下部深層井段巖石抗壓強(qiáng)度高、巖石可鉆性較差，要求底部鉆具組合要具有較高的抗溫能力，地質(zhì)情況復(fù)雜。

1）下部深層井段巖石抗壓強(qiáng)度高、巖石可鉆性較差。巖石的抗壓強(qiáng)度與地層的埋深成正比，地層埋深越深，下部地層所受的垂向壓力增加，導(dǎo)致下部巖石被擠壓的更結(jié)實(shí)，可鉆性變差。

2）要求底部鉆具組合要具有較高的抗溫能力。API 規(guī)定的常規(guī)地溫梯度是2.734 ℃/100 m，海洋6-1 區(qū)塊井下靜止溫度超過(guò)了150 ℃，這將給井內(nèi)的鉆具帶來(lái)較大的影響并制約鉆井液對(duì)巖屑的懸浮攜帶能力。井筒內(nèi)的高溫會(huì)加快工具內(nèi)部橡膠材質(zhì)的快速變質(zhì)破壞，使得本井深部井段無(wú)法使用馬達(dá)等提速工具；井底的高溫會(huì)改變鉆井液分子的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，降低其結(jié)構(gòu)力、導(dǎo)致巖屑不能被及時(shí)帶出井筒，造成巖屑在井底的二次切削，導(dǎo)致鉆頭做無(wú)用功，進(jìn)而對(duì)機(jī)械鉆速的提高產(chǎn)生負(fù)面影響。

3）地質(zhì)情況復(fù)雜。渤海深井所鉆遇地層含礫程度高，常常造成鉆速過(guò)低，鉆進(jìn)過(guò)程中PDC 鉆頭的切削齒會(huì)很快被破壞掉，鉆頭使用壽命短，這對(duì)機(jī)械鉆速的提升造成極大的影響。

2 技術(shù)對(duì)策研究

鑒于此，渤海油田調(diào)研國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)情況，優(yōu)選扭力沖擊器，開(kāi)展深度提速研究與實(shí)踐。

2.1 扭力沖擊器的原理

在破巖過(guò)程中，PDC 鉆頭會(huì)呈現(xiàn)出多種形式的振動(dòng)及其組合形式，如圖1 所示。鉆頭的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致其工作齒的破壞，降低其使用時(shí)間。同時(shí)這種振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致扭矩波動(dòng)，給井眼軌跡控制和隨鉆測(cè)量?jī)x器的信號(hào)傳輸帶來(lái)不同程度的干擾，導(dǎo)致井眼變差[4-7]。

圖1 鉆頭工作時(shí)振動(dòng)形式示意圖

扭力沖擊器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，其內(nèi)部沒(méi)有橡膠材質(zhì)的零部件，沒(méi)有電子零部件，能滿足高溫高壓地層的使用要求，穩(wěn)定性較高。扭力沖擊器主要是通過(guò)沖擊的形式破碎巖石，既滿足了井眼要求又明顯地改善了破巖效率，獲得高的機(jī)械鉆速。由于其特殊的設(shè)計(jì)，能讓井內(nèi)鉆具有穩(wěn)定的扭矩，十分精巧地把鉆井液的能量化為扭力方向、平勻的沖擊力并傳導(dǎo)至鉆頭上，保證了鉆頭連續(xù)穩(wěn)定的能量輸出。相比沒(méi)有使用過(guò)扭力沖擊器的情況，能倍數(shù)級(jí)的減少鉆具的黏滑，較大幅度的提高機(jī)械鉆速，延長(zhǎng)鉆頭的生命周期。扭力沖擊器的設(shè)計(jì)規(guī)格及作業(yè)參數(shù)見(jiàn)表2和表3。

表2 165 mm外徑扭力沖擊器設(shè)計(jì)規(guī)格

表3 165 mm外徑扭力沖擊器作業(yè)參數(shù)

2.2 扭力沖擊器的技術(shù)特點(diǎn)

1）明顯減少鉆具的黏滑，消除鉆頭的不規(guī)則振動(dòng)，提高井眼軌跡控制質(zhì)量，能輔助鉆頭高效率的破碎巖石。

2）其產(chǎn)生的沖擊能量和鉆井液的排量成正相關(guān)性，鉆井排量越大，其輸出的能量就越大。

3）扭力沖擊器僅適合于PDC 鉆頭。其產(chǎn)生的振動(dòng)或沖擊，不僅不會(huì)破壞鉆頭的切削齒，反而會(huì)增加其使用時(shí)間。同時(shí)能降低井內(nèi)鉆具的疲勞程度，增加鉆具的使用時(shí)間，明顯改善了可鉆性差的地層的機(jī)械鉆速。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與效果分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

海洋6-1 井鉆井作業(yè)過(guò)程中，五開(kāi)215.9 mm（8?″）井眼鉆進(jìn)至4 000 m 后機(jī)械鉆速降低明顯，起鉆更換扭力沖擊器鉆具組合，具體鉆具組合為：215.9 mm（8 ? ″）PDC 鉆頭+165.1 mm（6? ″）扭沖工具+165.1 mm（6? ″）DC×2根+165.1 mm（6? ″）F/V+215.9 mm（8 ? ″）STB+165.1 mm（6 ? ″）DC×16 根+165.1 mm（6 ? ″）F/J+127 mm（5″）加重鉆桿×1 根+165.1 mm（6? ″）投入式止回閥+127 mm（5″）加重鉆桿×13 根。自4 000 m 至215.9 mm（8 ? ″）井眼中完井深4 044 m，鉆井參數(shù)基本一致：鉆壓5~12 t，轉(zhuǎn)速50 r/min，排量1 800 L/min。

3.2 效果分析

本井215.9 mm（8?″）井眼第三次入井鉆頭型號(hào)為阿特拉U613M 的PDC 鉆頭，沒(méi)有用扭力沖擊器，累計(jì)進(jìn)尺8 m（對(duì)應(yīng)深度3 731～3 739 m），平均機(jī)械鉆速為0.97 m/h；第四次入井鉆頭型號(hào)為江漢HJT537G 的牙輪鉆頭，沒(méi)有用扭力沖擊器，累計(jì)進(jìn)尺139 m（對(duì)應(yīng)深度3 739～3 878 m），平均機(jī)械鉆速為1.6 m/h；第五次入井鉆頭型號(hào)為江漢HJT537G的牙輪鉆頭，沒(méi)有用扭力沖擊器工具，累計(jì)進(jìn)尺122 m（對(duì)應(yīng)深度3 878～4 000 m），平均機(jī)械鉆速為1.4 m/h，瞬時(shí)機(jī)械鉆速在0.9～2.2 m/h，鉆進(jìn)后期，由于機(jī)械鉆速較慢，決定起鉆更換；第六次入井鉆頭型號(hào)為阿特拉U613M 的PDC 鉆頭，配合使用扭力沖擊器，下鉆至井底，在砂礫巖地層機(jī)械鉆速改善明顯，機(jī)械鉆速在1.5～4.5 m/h，該趟鉆總進(jìn)尺44 m（對(duì)應(yīng)深度4 000～4 044 m），平均機(jī)械鉆速達(dá)到2.7 m/h，至鉆達(dá)本井段中完深度時(shí)瞬時(shí)機(jī)械鉆速維持在3～3.5 m/h。使用扭力沖擊器的井段與未使用扭力沖擊器的井段平均機(jī)械鉆速對(duì)比情況見(jiàn)表4。

表4 使用液力沖擊輔助破巖工具前后鉆參機(jī)械鉆速對(duì)比

通過(guò)以上對(duì)比可以看出，型號(hào)為U613M 的鉆頭，未使用扭力沖擊器情況下其機(jī)械鉆速為0.97m/h，單趟進(jìn)尺8 m；使用扭力沖擊器情況下其機(jī)械鉆速為2.7 m/h，進(jìn)尺44 m。使用扭力沖擊器后機(jī)械鉆速提高2.78倍，鉆頭進(jìn)尺提高5.5倍，提速提效非常明顯。

4 結(jié)論

1）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，針對(duì)渤海地區(qū)深部井段抗壓強(qiáng)度高、可鉆性差的地層，使用扭力沖擊器后機(jī)械鉆速可以提高2.78倍，提速提效非常明顯。

2）使用扭力沖擊器后，鉆頭進(jìn)尺提高5.5 倍以上，極大地延長(zhǎng)了鉆頭的使用壽命。

3）扭力沖擊器在使用過(guò)程中未出現(xiàn)因井底高溫結(jié)構(gòu)損壞的情況，說(shuō)明扭力沖擊器在高溫地層提速方面有較大的使用價(jià)值。