渦輪鉆井工具在玉北區塊二疊系火成巖中的應用及分析

王　琪

（中石化勝利工程有限公司塔里木分公司，新疆庫爾勒841000）

渦輪鉆井工具在玉北區塊二疊系火成巖中的應用及分析

王琪*

（中石化勝利工程有限公司塔里木分公司，新疆庫爾勒841000）

玉北區塊位于新疆和田，二疊系巖性以火成巖為主，地層非常堅硬而且可鉆性差；施工中普遍存在著掉塊問題，嚴重時極易發生掉塊卡鉆或井壁坍塌等惡性鉆井事故，嚴重影響施工速度。由勝利工程有限公司塔里木分公司70116隊施工的玉北4井在二疊系火成巖地層中進行了渦輪鉆具的試驗，取得了較為滿意的效果。介紹了玉北區塊渦輪鉆具試驗的情況，并對試驗效果進行了分析。

二疊系；渦輪；玉北；火成巖

1　玉北4井基本情況

1.1玉北4井施工情況

玉北4井于2011年1月18日開鉆，一開用?444.5mm鉆頭鉆進至1001m，?339.7mm表層套管下深1000.31m；二開用?311.2mm鉆頭鉆進至3817.53m，?244.5mm技術套管下深3810.88m；三開用?215.9mm鉆頭鉆進至5830.52m，?177.8mm尾管下深3593.77～ 5821.62m；四開用?149.2mm鉆頭鉆進至6124.65m。于2012年2月3日完鉆，井深6124.65m，鉆井周期380.79d。

1.2玉北4井二疊系地層情況（如表1所示）

2　玉北4井所使用的渦輪鉆井工具簡介

2.1渦輪廠家（法國Neyrfor）

2.2渦輪工作原理（如圖1所示）

表1　玉北4井二疊系實鉆地層簡表

2.3渦輪結構（如圖2所示）

2.4渦輪尺寸（如圖3所示）

3　玉北4井渦輪工具使用情況

玉北4井二疊系使用渦輪鉆進情況如表2所示。

3.1第一趟渦輪使用情況

3.1.1鉆具組合

8-1/2″Reed E1158鉆頭+雙母+?213mm扶正器+軸承+?213mm扶正器+渦輪+?209mm扶正器+浮閥+6-1/4″鉆鋌×10+6-1/4″隨鉆震擊器+撓性短節+ 6-1/4″鉆鋌×2+4A11×410+5″加重×6+5″鉆桿+411×520+5-1/2″鉆桿。

圖1　渦輪工作原理

圖2　渦輪結構

3.1.2泥漿性能

密度1.40g/cm3；粘度53s。

3.1.3鉆進情況

渦輪第一趟使用情況與牙輪鉆頭鉆進情況對比如表3所示。

3.1.4原因分析

經過對出井鉆頭分析討論，初步確定造成本趟渦輪鉆進機械鉆速較低的原因是鉆頭選型不合適。起出鉆頭的PDC齒普遍沒有暴露出來，優先磨損的是副排孕鑲齒，說明鉆頭在井底工作時，PDC切削齒根本沒有吃進地層，鉆頭此時相當于純孕鑲鉆頭，此時鉆進方式不是靠PDC齒的切削，而是靠孕鑲齒的研磨。因此無論怎樣調整鉆進參數，實際的機械鉆速都達不到預期。

3.2第二趟渦輪使用情況

3.2.1鉆具組合

8-1/2″GP1646D鉆頭+雙母+?213mm扶正器+軸承+?213mm扶正器+渦輪+?209mm扶正器+浮閥+6-1/4″鉆鋌×10+6-1/4″隨鉆震擊器+撓性短節+ 6-1/4″鉆鋌×2+4A11×410+5″加重×6+5″鉆桿+411× 520+5-1/2″鉆桿。

3.2.2泥漿性能

密度1.40g/cm3，粘度53s。

3.2.3經過

①5月14日14：45～16：00組裝渦輪，地面測試正常。

②5月15日2：00判斷已經接觸井底，試鉆0.5m，參數：鉆壓1～2t，轉盤鉆速50r/min，排量25L/s，泵壓21MPa。鉆壓加到3～4t時，渦輪制動，泵壓升高到21.5MPa，上提鉆具，恢復正常，下放到底繼續加壓1～2t鉆進，反復4～5次制動，米鉆時約10～15min。

③鉆進至3887.5m時泵壓逐漸升高到24MPa，降泵沖到62沖（20L/s），此時泵壓21MPa。檢查鉆桿濾子，無雜物及巖屑。

表2　玉北4井渦輪鉆井工具使用情況統計

表3　玉北4井牙輪、渦輪（配合PDC）鉆進對比

④換2#泵維持70沖，泵壓21MPa，轉盤鉆速50r/min，4t試鉆進。此時渦輪處于制動狀態，鉆頭轉速等于轉盤轉速，鉆時很慢。

⑤15日10：45起鉆完，發現渦輪軸承段及鉆頭脫落。

落魚結構：鉆頭長度0.36m+渦輪軸承長度5.01m，總長5.37m。

打撈鉆具組合：對扣接頭+5″加重鉆桿×9+411× 4A11+6-1/4″隨鉆震擊器+4A11×410+5″鉆桿。

打撈過程：5月15日19：30下鉆完探魚頭開始循環沖洗魚頭，至20：30對扣，泵沖40沖，泵壓3.5MPa，后慢慢轉動轉盤下放，泵壓3.5MPa升至5MPa，下壓2t，開始轉動轉盤緊扣，現場判斷撈獲成功后起鉆。

3.2.4原因分析

①工具原因：兩部分連接在一起，外部是絲扣特殊梯形扣，緊扣扭矩28000lb.ft，大鉗拉力7000lbs，內部為花鍵及錐面聯接，理論來講，當外部絲扣聯接到位時，內部2個公母錐面應該緊壓在一起，能夠正常的傳遞扭矩。如果裝配不合理，可能內部2個錐面壓緊時，外部絲扣就是按規定扭矩緊完扣，2個臺肩面可能未壓緊。

②井下原因：這趟下的是大齒PDC鉆頭，牙齒直徑16mm，地層可鉆性好，PDC齒很容易吃進地層，鉆壓稍大，地層就會對鉆頭產生很大的反扭矩，這個反扭矩如果超過渦輪的輸出扭矩，鉆頭就會制動，而鉆頭制動后，未能解鎖，由渦輪高轉速轉動帶動鉆頭及鉆具轉動，使鉆具在薄弱點處被倒開。

3.3第三趟渦輪使用情況

3.3.1鉆具組合

8-1/2″E1158A2鉆頭+雙母+?213mm扶正器+軸承+?213mm扶正器+渦輪+411×4A10+?209mm扶正器+回壓凡爾+6-1/4″鉆鋌×1+測斜短節+6-1/4″鉆鋌×9+6-1/4″隨鉆震擊器+撓性短節+6-1/4″鉆鋌×2+ 4A11×410+5″加重×6+5″鉆桿×200+411×520+5-1/2″鉆桿。

鉆進參數：鉆壓5～9t，轉盤50r/min，排量28L/s，泵壓25MPa。

泥漿性能：1.35～1.45g/cm3，50～60s。

本趟渦輪鉆進情況與螺桿鉆進情況對比如表4所示。

3.3.2起鉆原因

6月5日2：45鉆進至4533m，扭矩上漲，開始有嚴重的憋轉盤現象，泵壓較高（排量24L/s，泵壓25MPa），返砂量較少，活動鉆具，上提下放有嚴重的阻卡現象。初步判斷是由于排量較小，引起返砂異常，扶正器尺寸較大（2個均為?214mm），扶正器之間巖屑堆積較多造成的。循環至5：30，繼續鉆進至7：30又出現上述現象。10：30開始打入高粘泥漿60m3，12：40返出巖屑量不太明顯，14：00短起5根鉆桿（起鉆正常）開泵，排量26L/s，泵壓24MPa，判斷渦輪鉆具出現問題，16：00開始起鉆。6月6日6：30起鉆完，檢查鉆頭，切削部位磨損較嚴重。卸掉鉆頭開始測試渦輪，泵壓7MPa時，排量15.5L/s（1#泵泵沖48沖），與剛入井時測試相比，相同泵壓7MPa，排量降低。渦輪軸承間隙變大。判斷渦輪出現問題。

表4　玉北4井進口復合型PDC+渦輪與PDC+螺桿鉆速對比

3.4第四趟渦輪使用情況

3.4.1鉆具組合

8-1/2″K507鉆頭+?213mm扶正器+軸承+?213mm扶正器+渦輪+回壓凡爾+411×4A10+6-1/4″鉆鋌×10+ 6-1/4″隨鉆震擊器+撓性短節+6-1/4″鉆鋌×2+4A11× 410+5″加重×9+5″鉆桿×200+411×520+5-1/2″鉆桿× 165+521×410+5″鉆桿。

3.4.2泥漿性能

密度1.45g/cm3，粘度60s。

3.4.3鉆井參數

鉆壓6～8t；轉速40+渦輪；排量26L/s；泵壓24.5MPa。

3.4.4鉆進情況

純鉆時間：107h；

鉆進井段：4578.19～4876.01m；

進尺：297.82m；

平均機械鉆速：2.78m/h；

所鉆地層：庫普庫茲滿組（未穿）。

3.5第五趟渦輪使用情況

3.5.1鉆具組合

8-1/2″K507+?213mm扶正器+軸承（?168.3mm）+ ?213mm扶正器+渦輪（?168.3mm）+回壓凡爾+411× 4A10+6-1/4″鉆鋌×10+4A11×410+411×4A11+6-1/4″隨鉆震擊器+6-1/4″鉆鋌×2+4A11×410+5″加重×9+5″鉆桿×200+411×520+5-1/2″鉆桿×165+5″鉆桿。

3.5.2泥漿性能

密度1.45g/cm3，粘度60s。

3.5.3鉆井參數

鉆壓6～8t；轉速40+渦輪；排量26L/s；泵壓24.5MPa。

3.5.4鉆進情況

純鉆時間：26.2h；

鉆進井段：4899.12～4934.11m；

進尺：34.99m；

平均機械鉆速：1.70m/h；

所鉆地層：庫普庫茲滿組（未穿）。

3.6卡鉆情況簡述

3.6.1事故經過

鉆進至4934.11m時發生坍塌卡鉆，經過泡解卡劑、震擊、套銑、回填側鉆，2011年8月6日10時00分事故解除。

3.6.2原因分析

本井實鉆P2kp、P1kk巖性組合特征與鄰井差別較大，本井P2kp中下部為泥質巖與玄武巖略等厚互層，火山巖較薄、互層頻繁，底部見2m厚變質巖。P1kk上部4808～4858m井段為一套棕褐、深灰、灰色泥質巖，含灰質，局部高嶺土化；中部4858～4892m井段為一層厚34m火山巖（現場暫定巖性為輝綠巖，巖性硬、脆，易剝落垮塌）；下部4892～4933m井段為一套褐灰、灰色泥巖、灰質泥巖。

（1）此次卡鉆為井壁突然坍塌導致，坍塌前沒有征兆?？ㄣ@后環空曾被堵塞，無法開泵，多次開泵才頂通，但仍有較硬的掉塊卡在鉆具與井壁中間。

（2）現場分析可能是4858～4892m井段火山巖垮塌，造成卡鉆?？ㄣ@發生后返回掉塊巖性分析，與此段火山巖一致。

（3）庫組的火成巖是本井新鉆到的地層，玉北地區已鉆井未曾鉆遇，其地質特性與開普茲雷克組火成巖可能存在差異，其合理的泥漿密度、坍塌周期有待認識。從牙輪鉆頭隨鉆打撈杯中撈出掉塊看，其最大尺寸為60mm×40mm×10mm。

（4）鉆具結構不是導致卡鉆的主要原因，鄰井使用不同的鉆具，也因火成巖井壁坍塌發生卡鉆。

（5）渦輪鉆具的工作原理及結構特征使事故處理空間變小。

①渦輪本體尺寸為6-5/8″，在8-1/2″井眼內套銑難度較大；

（②由于渦輪工作所需要的壓耗較高，現有設備條件下無法開大排量，增強對井底掉塊的攜帶；

③渦輪扶正器位置最可能導致掉塊堆積，大尺寸掉塊在此處可能卡死鉆具。

4　玉北4井與鄰井二疊系鉆進情況對比

玉北4井與臨井二疊系火成巖鉆進情況對比如表5所示。

表5　玉北4井與臨井二疊系火成巖鉆進情況對比

5　結論與認識

（1）玉北4井使用渦輪鉆進火成巖平均鉆速2.50m/ h，玉北1-5井和玉東4井沒有使用渦輪，火成巖平均鉆速1.16m/h和1.19m/h。由此看出，使用渦輪鉆具鉆進火成巖的速度還是比常規鉆具和螺桿要快1倍左右。

（2）從玉北4井渦輪卡鉆的經驗可以得出，只要在鉆穿火成巖后立即起鉆更換常規鉆具鉆進，即可避免火成巖掉塊卡鉆的危險。

（3）合理的選擇鉆頭類型（孕鑲或PDC）可進一步提高渦輪鉆具的工作效率。

（4）玉北地區二疊系火成巖的坍塌壓力和坍塌周期有待進一步認識，以便確定合理的泥漿密度，為今后鉆井施工提供安全保障。

［1］曹立明，常曉峰，孟祥卿.渦輪鉆具及孕鑲鉆頭在元壩124井的應用［J］.中國石油和化工標準與質量，2011（10）：199-200，196.

［2］申軍武，張平，羅永剛，楊磊.玉北區塊快速鉆井技術探討［J］.西部探礦工程，2013（2）：88-92.

［3］鄧煒，趙斌.提高西北油田玉北區塊鉆井速度研究［J］.科技創新，2011（14）：44-45.

TE242

B

1004-5716（2016）04-0067-05

2015-03-24

2015-03-24

王琪（1982-），男（漢族），山東廣饒人，工程師，現從事鉆井技術工作。