旋沖鉆井在塔河工區深部硬地層的應用

程言東 辛建華

中石化華東石油工程有限公司六普鉆井分公司 江蘇鎮江 212003

旋沖鉆井在塔河工區深部硬地層的應用

程言東 辛建華

中石化華東石油工程有限公司六普鉆井分公司 江蘇鎮江 212003

本文針對塔河油田油層埋藏深，地層硬，特別215．9mm井眼，機械鉆速低問題，在旋沖鉆井技術應用的基礎上，對旋沖鉆井破巖機理進行了描述，分析了鉆壓、轉速、排量對沖擊功、沖擊頻率的影響，闡述了旋沖鉆井工具的工作機理，通過室內試驗測試，確定了射流沖擊器性能參數，進行了射流沖擊器配套PDC鉆頭優選。突破性地應用射流沖擊器與PDC鉆頭結合使用，為塔河油田深井鉆井提速、提效提供了一種行之有效、安全可靠的鉆井新工藝。

深井；射流沖擊器；PDC鉆頭

目前，塔河工區油層埋藏深，井深普遍超過6000m，穿越多套地層，巖性變化頻繁，砂礫巖地層對鉆頭損傷大，全井裸眼段長，4500m以深井段機械鉆速低等難點。從該工區鉆井施現況看，φ215.9mm井段地層較為難打，該井段地層的地層硬度達IADC4-7，巖石抗壓強度：34-200MPa，變化范圍較大，且地層軟硬交錯頻繁，鉆頭在這種巖石中破碎起來非常困難，因此該井段的平均機械鉆速較低、在整個鉆井周期中占據時間最長，有較大的提速空間。

1.旋沖鉆井技術簡介

隨著石油鉆井技術的日益發展，勘探區域的不斷擴大；井愈來愈深，地層年代愈來愈久遠，巖石愈來愈硬，傳統的旋轉鉆井方法愈來愈不能滿足高速鉆井的需要。在這種形勢下，一種新型的鉆井技術--旋沖鉆井工藝技術誕生并發展起來了。在旋沖鉆井中，鉆頭在旋轉的同時通過沖擊器對巖石產生高頻動載沖擊波，可有效提高破巖能力。

實現旋沖鉆井技術的核心工具是液動射流式沖擊器。射流式液動沖擊器是以鉆井液為工作介質，通過沖擊器的射流元件產生按一定頻率變化的射流，形成沖擊器腔體內不同部位的壓力變化從而推動活塞與沖錘上下往復運動，將流體能量轉化為機械能量，并在鉆頭上施加沖擊能，從而實現沖擊與旋轉聯合破巖的工具。目前，中國石化石油工程技術研究院已成功研制了YSC-178型液動射流式沖擊器，這種沖擊器不影響鉆井液的正常循環、工作性能穩定且沖擊載荷可調可控，且循環壓差較小（1-2Mpa），使用壽命較長（100小時以上），不工作時相當于一根短鉆鋌，可繼續鉆進，滿足井下安全需要。不改變原鉆具結構，可與井下動力鉆具結合使用，特別對于深井硬脆性地層，提速效果明顯。

2.塔河油田旋沖沖擊器結構性能參數確定及PDC鉆頭選型

塔河地區石炭系-奧陶系地層φ215.9mm井段地層較為難打，該井段地層的地層硬度達IADC4-7，巖石抗壓強度：34-200MPa，變化范圍較大，且地層軟硬交錯頻繁，鉆頭在這種巖石中破碎起來非常困難，平均機械鉆速僅2m/h左右。

綜合考慮塔河油田沙雅區塊、托普臺區塊地層特點和PDC鉆頭的地層適應性，結合本區塊鉆井實踐，對于石炭系及石炭系以下地層以壓實性好的泥巖、灰巖為主，可鉆性相對較差，推薦選擇FX65DX3的PDC鉆頭，并采用雙排齒設計，可有效降低載荷波動范圍，進一步提高鉆頭使用安全。

3.旋沖沖擊器+PDC鉆頭在塔河油田S116-3井、TP328X井的應用

3.1 S116-3井應用情況

S116-3井在庫車縣境內，該井設計井深6295m，為沙雅隆起阿克庫勒凸起南斜坡帶布置的一口評價井，目的層位：奧陶系中-下統鷹山組。因為該井首次進行沖擊器與PDC鉆頭配合應用，為了既能保證S116-3井安全生產，又能保證實驗效果，選取該井四開中完前100m井段進行試驗應用，實際應用井段：5998.41-6086m（四開中完井深），地層為奧陶系上統桑塔木組、良里塔格組、恰爾巴克組。地層巖性主要為灰色泥巖、灰巖、棕紅色泥巖。該井試驗井段雖短，但由于鉆穿多套地層，取得了較好的試驗效果。同時驗證了射流沖擊器與PDC配合應用的可行性。旋沖鉆進井段鉆速與上部井段、下部井段，鄰井相應井段對比情況見表1。

3.1.1 旋沖鉆進鉆具組合

鉆具組合為：215.9mm FX65D+射流沖擊器+配合接頭+161.0mm無磁鉆鋌*1根+165.0mm鉆鋌*1根+212mm扶正器+165.0mm鉆鋌*14根+配合接頭+127mm加重鉆桿*9根+127mm鉆桿+139.7mm鉆桿

3.1.2旋沖鉆井參數

鉆井參數為：鉆壓6t，轉速65rpm，排量27L/s，立壓20.5MPa。泥漿性能：密度1.30g/cm3，粘度51s，失水4ml，泥餅厚度0.5ml，含砂量0.1%，PH值9，坂土含量32g/l。

3.2 TP328X井應用情況

在S116-3井探索射流沖擊器+PDC應用的基礎上繼續開展了在TP328X井的應用。TP328X井旋沖鉆井應用井段為5936.06-6025.49m，地層為奧陶系柯平塔格組。地層巖性主要為灰色泥巖與砂巖互層。鉆井參數：鉆壓6-8t，轉速70rpm，排量28-30L/s。泥漿比重為1.35g/cm3，粘度為55s。沖擊器總進尺89.43m，總計入井時間143h，純鉆30.3h。正常鉆進井段（5936-6008m）平均機械鉆速為4.1m/h，整個旋沖鉆進井段平均機械鉆速3.12m/h，與上部相鄰井段（2.28m/h）相比機械鉆速提高36.8%，與最近的鄰井TP19X（2.31m/h）相比機械鉆速提高35.1%，PDC鉆頭出井仍然完好，新度為90%。再次證明了射流沖擊器配合PDC鉆頭的可行性與安全性。近期將在塔河油田繼續推廣應用。旋沖鉆進井段鉆速與上部井段、下部井段，鄰井相應井段對比情況見表2。

表1 S116-3旋沖鉆井機械鉆速與鄰井機械鉆速對比

表2 TP328X井與鄰井及鄰井段鉆進效果對比

PDC鉆頭首次配合YSC-178射流沖擊器的成功使用，拓寬了射流沖擊器的應用范圍，為塔河工區深井、超深井提高機械鉆速提供了一個新的技術手段。

4.結論

（1）YSC-178射流沖擊器在塔河工區深井、深超深井的應用，表明了該工具工作可靠，使用壽命超過100小時以上，同時能保證井身質量；

（2）采用射流沖擊器在塔河奧陶系地層鉆進，提速效果良好，與同井上下鄰井段及鄰井相同井段相比提速30%以上；

（3）旋沖鉆井配合PDC鉆頭鉆進方式切削的巖屑顆粒較大，有利于巖屑錄井；

（4）還需進一步提高射流沖擊器的工作壽命，使其有效工作壽命與PDC鉆頭使用壽命相匹配；

（5）射流沖擊器結合PDC鉆頭使用還要繼續探索應用，仍需繼續優化鉆頭有較大提速空間，下一步準備運用5刀翼雙排齒PDC鉆頭與沖擊器結合使用，可獲得更大提速空間。

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程言東，男，江蘇省徐州市人，高工，主要從事石油鉆井技術研究及應用工作。

式中：為鉆柱的抗拉強度，MPa。

正常鉆進時鉆柱的最大彎曲正應力為最大剪應力為。如若把這兩項應力擴大n倍(n表示復合安全系數)，則由和決定的點就應該在橢圓范圍內(含橢圓邊界)：

因而鉆柱在對稱循環彎扭交變應力下的疲勞強度條件為：

6.2 不對稱循環彎、扭交變應力作用下的強度條件

不對稱循環狀態更符合鉆井實際所處應力狀態，假設循環特征值r下，鉆具的彎曲許用持久極限應力為：

由第三強度理論，并結合上式，可推得鉆柱的扭轉疲勞極限應力具有類似的計算公式：

式中：r為非對稱應力循環特征值；為平均應力；σa、τa為應力幅；為材料對應力循環不對稱性的敏感系數；為不變載荷許用應力，與材料屈服極限和靜載安全系數有關。由此，與式14類同，可建立如下的強度條件：

7.結論

（1）給出了鉆柱任一位置軸向力、剪切應力、彎曲應力的具體算法；

（2）應用經典強度理論，將鉆柱各受力等效成當量應力，可計算平均應力及應力幅；

（3）以材料力學中的復合交變應力理論為基礎，引入機械學疲勞強度計算方法，建立鉆柱疲勞強度系數計算模型。

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