梨樹斷陷區塊旋沖鉆井技術應用研究

摘 要：中石化東北油氣分公司梨樹斷陷區塊在營城組、沙河組、火石嶺地層可鉆性差、巖性較致密、局部含礫嚴重，并且沙河子組局部層位巖石硬度達到7級，采用常規鉆井技術，存在的問題牙輪鉆頭效率低，壽命短；各種型號PDC鉆頭試用后效果不理想，通過采用旋沖鉆井技術平均機械鉆速提高了3.25倍；鉆井周期縮短，鉆井綜合成本大大降低。旋沖鉆井技術是在常規旋轉鉆井的基礎上，在鉆頭上方連接液動射流式沖擊器，在常規旋轉破巖的同時，沖擊器內的沖錘對鉆頭施加高頻沖擊，通過沖擊作用對鉆頭齒下巖石造成強應力集中，使巖石塑性降低，脆性增加，并迅速產生脆性破壞坑力，提高了破巖效率。

關鍵詞：鉆井 液動沖擊器 巖石力學 應用效果 施工要點

中圖分類號：TE22 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（a）-0052-02

梨樹斷陷位于吉林省公主嶺市松遼盆地南部東南隆起區，地層自上而下為第四系，白堊系上統青山口組，白堊系下統泉頭組、登婁庫組、營城組、沙河子組；中國石化在該區擁有礦權面積1835.91 km2，油氣資源當量3.55億t，已探明油氣當量7383.68萬t，占東北分公司總探明儲量的46%，具有重要的資源戰略地位。但由于該區塊登婁庫組及以下地層鉆井效率較低，鉆井周期較長；鉆井成本較高，并且直接影響建產進度，在本區塊開展旋沖鉆井技術提速提效勢在必行。

1 射流式液動沖擊器工藝特點

國內外理論研究與實踐已經證明，使用合理的沖擊器參數，在適宜的沖擊振動作用下，可以有效地消除井底鉆頭及鉆具的有害粘滑振動，極大地改善鉆頭工作狀態，使PDC鉆頭由切削巖石為主轉變為切削+沖擊破碎，從而在泥漿循環介質條件下發揮PDC鉆頭優勢，減少起下鉆次數降低鉆井成本，縮短鉆井周期。射流式液動沖擊器作為一種參數調節范圍很寬的軸向沖擊振動發生工具，通過合理調整分流孔徑、沖擊行程、沖錘重量獲得合適的輸出參數，能夠滿足配合牙輪和PDC鉆頭進行沖擊鉆井。

當采用沖擊回轉鉆進時，巖石受到鉆壓的作用，切屑刃將巖石表面局部壓碎，使破碎部分處于緊張的預壓應力狀態，當受到來自液力沖擊器的周期性沖擊能量時，巖石強度降低（減小50～80%）、脆性增加（實驗表明 沖擊速度大于30 m/s時，巖石硬度和屈服極限影響顯著）。高頻脈沖使巖石顆粒處于震蕩狀態，此時巖石顆粒間以及原有細微裂隙處產生應力集中，裂紋沿結構顆粒間擴張形成界間開裂而破碎。硬質合金鉆頭鉆進脆性的堅硬巖石，利用沖擊動載破巖時，驟加的沖擊力使局部應力集中，應力還來不及重新分配就達到巖石的極限強度值，發生脆性破碎，沿硬地層面“打滑”效應降低，因此更加容易被破碎，也有利于減弱井斜趨勢。

2 射流式液動沖擊器結構性能參數

依據東北地區地層巖性分析，結合配套沖擊器PDC鉆頭特性，確定沖擊器輸出的沖擊力合理值為40～80kN，結合井眼直徑排量范圍（一般為26～30 L/s），通過對比分析結果，綜合考慮縮短行程對換向穩定性的影響，選擇沖擊器活塞行程為15 mm、錘重45 kg、分流孔直徑為φ13 mm。根據下部地層硬度分級、抗壓強度，同時依據鉆頭的抗沖擊性能，確定沖擊器結構及性能參數如下表1所示。

鉆具組合如下：φ215.9 mm牙輪/PDC+YSC-178射流沖擊器+單流閥+411x4A10+φ158.8 mmDCx2根+φ215 mm扶正器+φ158.8 mmDCx19根+4A11*410+φ127 mmHWDPx6根+φ127DP+φ139.7 mmDP，射流式沖擊器配套工具及配件如表2所示。

在旋沖鉆井過程中，隨轉速增加破巖效率提高，但受地面設備和井下工具限制，轉速一般選擇60～90r/min。排量決定著沖擊器的沖擊功和沖擊頻率，隨著泵排量Q的增加，沖擊頻率f和沖擊功W均增加，破巖效率和機械鉆速相應增加，推薦旋沖鉆井工藝參數如表3。

3 現場應用效果

在十屋337井在進入營城組以后采用常規鉆進工藝連續優選試驗了3支PDC鉆頭，使用效果都不理想。為提高機械鉆速，在2682～3475 m井段采用旋沖鉆井技術。旋沖鉆井技術在十屋337井該井段應用2套Φ165 mm射流沖擊器，2支U513M鉆頭，先后入井4次，具體情況見表4。

鉆具組合：215.9 mmPDC鉆頭（U513M）+射流沖擊器+配合接頭+161 mm無磁鉆鋌*1根+165mm鉆鋌*1根+212 mm扶正器+165 mm鉆鋌*14根+配合接頭+127 mm加重鉆桿*9根+127 mm鉆桿+139.7 mm鉆桿；鉆井參數：鉆壓4～14 t；轉速40～70 rpm；排量26～27 L/s；立壓20～21 MPa。沖擊器入井使用后，扭矩平穩，有效克服了鉆井過程中的“粘滑”現象。增強了鉆頭的使用壽命，平均單只進尺達356.43 m。與PDC+螺桿復合鉆井相比，鉆進參數得到了強化，在Φ215.9 mm井眼中鉆壓達到了12～14 t，突破了常規PDC鉆頭不能加載高鉆壓的局限性。機械鉆速提高顯著，平均機械鉆速達3.02 m/h，與本井之前常規鉆進使用的PDC鉆頭相比，機械鉆速提高185%。與鄰井相同區塊、相同井段4口井相比，營城組機械鉆速平均提高150%，沙河子組機械鉆速平均提高70%。

4 施工要點

4.1 入井前的井眼準備及要求

（1）旋沖鉆井前要認真分析前一只鉆頭使用情況，確保井徑規則無縮徑、井底干凈、無落物，否則要通井處理。

（2）通井過程中注意摩阻變化，對易遇阻卡井段應重復仔細劃眼，待上提下放無阻后方可通過，起鉆后仔細觀察鉆頭及扶正器磨損情況。

（3）校準綜合錄井參數儀，保持其在旋沖鉆井過程中處于良好工作狀態，并根據參數變化及時修正。

（4）在立管、泥漿泵上、排水安裝合適的濾網，定期檢查并清洗。endprint

4.2 鉆臺啟動試驗

（1）旋沖鉆井工具由旋沖鉆井工程師親自在現場指導組裝和地面測試。嚴格控制旋沖鉆具上扣扭矩。旋沖鉆具入井前在井口以小排量（正常鉆進排量的60%以內）進行啟動試驗，并記錄立管壓力和排量。

（2）鉆具組合：方鉆桿+沖擊器+測試接頭+排漿管線。

（3）將沖擊器外缸、中接頭、外管、八方、砧子、測試接頭之間的絲扣大鉗上緊。

（4）將測試接頭連接排漿管線，并將排漿管線固定好。利用大鉤和方鉆桿的自重壓住沖擊器，確保試沖時沖擊器活接頭保持關閉。

（5）開泵，排量自10 L/s提高到18 L/s，觀察沖擊器工作情況。

（6）待沖擊器正常工作3～5 min，停泵，拆掉測試接頭，接上鉆頭準備入井。

4.3 下井操作技術要求

（1）在沖擊器入井前一趟鉆，起鉆前充分循環，確保井底干凈。

（2）開泵對泥漿池中的泥漿進行充分的循環，直至泥漿性能和正常鉆進時性能一致，開泵循環前，確認鉆桿濾清器已安裝到位。

（3）全程使用鉆桿濾清器，以防旋沖鉆具和鉆頭水眼堵塞。

（4）下鉆每25～30柱，向鉆具內灌滿泥漿一次，灌漿要小排量（小于正常排量的60%）。

（5）按常規下鉆方式下鉆，下鉆時防止6 mm以上大顆粒石塊或堵漏材料等雜物帶入鉆具內。沖擊器上下鉆臺必需操作平穩，嚴防強烈碰撞。

（6）下鉆遇阻不超過50 kN，上下活動鉆具無效時，應開單泵循環，慢慢劃眼通過，不得強下，盡量避免用鉆頭劃眼。

（7）下鉆至距井底5 m時開泵循環。

4.4 鉆進技術要點

（1）鉆頭距井底5.0 m 時開泵循環，井口有鉆井液返出時緩慢下放鉆具，清洗井底，以小鉆壓（10～40 kN）進行井底造型0.3～0.5 m，逐漸將排量開到設計值，司鉆可根據鉆時及扭矩變化在一定范圍內調整鉆壓，使機械鉆速達到最高；

（2）正常鉆進時，送鉆要均勻，嚴防溜鉆，及時調整參數，時刻注意鉆壓、泵壓、鉆時及扭矩的變化情況，準確判斷鉆頭工作情況；

（3）鉆進中需停泵時，應先上提鉆具不少于6 m，以防巖屑下沉而卡住鉆頭或旋沖鉆具。鉆壓和排量可以在安全的操作限度內逐步增大，直到獲得最佳機械鉆速。旋沖鉆井工程師將提供最佳鉆井參數，正常鉆進中應保持排量的穩定；

（4）正常鉆進中，嚴格監視泵壓、巖屑的變化，記錄井深、地層、鉆壓、轉速、排量和鉆時等資料；

（5）記錄試驗井段鉆速資料，與同地層上、下井段鉆速及鄰井相同巖性地層鉆速對比分析，為合理分析旋沖鉆井效果提供依據；

（6）旋沖鉆進時，泵壓較旋轉鉆進高2～4 MPa屬正常，若突然升高或降低較多應根據具體情況決定是否起鉆。

4.5 起鉆操作要求

（1）當需換鉆頭、鉆達設計井深或者其他原因的起鉆，如果在裸眼段起鉆遇阻，應該馬上下放，然后再慢慢上提。如果遇阻上提拉力仍增加，應再次慢慢下放鉆具，并接上方鉆桿或者頂驅開泵慢慢倒劃眼；

（2）起鉆后，用高壓清水沖洗沖擊器內部流道，直至清水流出，松開沖擊器所有絲扣，卸下沖擊器；

（3）將上接頭與外缸、外缸與中接頭卸開，拆開沖錘、活塞、缸體及射流元件，檢查缸體密封（側、端面）壓蓋密封，檢查元件噴嘴，控制道，看是否有堵塞、損壞等，如損壞需更換；

（4）卸開下接頭及八方套，打開砧子，檢查滑動密封；

（5）沖洗沖擊器各部件，所有絲扣和配合部分擦拭干凈，涂抹潤滑脂或其它常用防銹劑，然后重新組裝備。

5 結論

（1）旋沖鉆井技術能夠在研磨性強、巖石硬度較高地層提高機械鉆速；

（2）旋沖鉆井技術工藝結構簡單，只需要在鉆頭上安裝一個高頻液動沖擊器，不需要增加其他任何配套設備，實用性可操作性較強；

（3）旋沖鉆井技術在梨樹斷陷火山巖成功應用，為火山巖鉆井提速提供了有力保障，為中石化在深層火山巖儲層勘探開發建產提供支撐。

參考文獻

[1] 許愛.渦輪鉆井技術在梨樹斷陷應用[J].探礦工程巖土鉆掘工程，2014（6）：44-48.

[2] 陶興華.德州石油鉆井研究所旋沖鉆井技術進入國際市場[J].石油鉆探技術，2003，31（3）51-51.

[3] 王雷，郭志勤，張景柱，等.旋沖鉆井技術在石油鉆井中的應用[J].鉆采工藝，2005，28（1）：8-10.

[4] 賀航史，配銘.液動沖擊旋轉鉆井技術在石油鉆井中的應用及發展[J].中國石油和化工標準與質量，2012，33（1）：270.endprint