空氣錘鉆井技術(shù)在哈深201井火成巖地層的應(yīng)用

許軍富 趙洪山 于海葉 徐永輝 李東昊

1.中石化勝利石油工程有限公司海洋鉆井公司；2.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院；3.中國石化勝利油田分公司油氣開發(fā)管理中心；4.西南石油大學

準噶爾盆地哈山區(qū)塊鉆遇地層主要以火成巖為主，針對火成巖巖性復(fù)雜、研磨性強、可鉆性差等鉆井難點［1-4］，“十二五”期間，勝利油田通過優(yōu)化火成巖氣體鉆井參數(shù)、氣體鉆井井身結(jié)構(gòu)，研制高效抗鹽、抗油發(fā)泡劑，形成了火成巖空氣/泡沫+牙輪鉆井技術(shù)。在HS2井、HS3井開展了氣體鉆井試驗，取得了良好的提速效果。現(xiàn)場實踐表明，氣體鉆井是目前火成巖地層最有效的提速手段［5-7］，但是鉆井期間仍然存在著牙輪鉆頭破巖效率低、單只鉆頭進尺少等技術(shù)難題。

受山前構(gòu)造運動、外來推覆體等影響，哈山山前帶地層傾角較大（25°以上），氣體鉆井期間通常采用塔式鉆具組合、加密測斜以及吊打結(jié)合的方式進行施工，一旦井斜較大而必須使用小鉆壓鉆進時，將會導致以“壓碎”破巖為主的牙輪鉆頭破巖效率顯著降低。例如，HS2井一開?444.5 mm井眼初期使用牙輪鉆頭鉆進時鉆壓100～120 kN，平均機械鉆速1.52 m/h；當鉆進至井深412 m時，由于測斜時井斜達到了1.6°，為確保上部井眼打直，一直施加40～80 kN鉆壓、井斜保持在1°左右進行鉆進，此時平均機械鉆速為0.91 m/h，較之前降低了40%，破巖效率明顯降低。

根據(jù)錄井巖屑識別結(jié)果，哈山區(qū)塊火成巖巖石類型較多，主要為凝灰?guī)r、安山巖、玄武巖，局部夾雜有火山角礫巖、砂礫巖等巖性，加之實鉆過程中蹩跳鉆較為嚴重，牙輪鉆頭使用過程中容易造成牙齒崩齒和斷齒，軸承、殼體及鉆頭外徑嚴重磨損，從而造成頻繁起下鉆更換鉆頭。HS2井由于全井段鉆遇石炭系火成巖地層，三個開次鉆進期間分別使用了SKH517G、GJ515G、HJT537GK等多種型號高效牙輪鉆頭，均出現(xiàn)了牙輪鉆頭齒頂、外排齒等位置磨損嚴重現(xiàn)象，尤其是三開深部火成巖地層，牙輪鉆頭平均壽命37.81 h，平均單只鉆頭進尺僅26.78 m，嚴重影響了火成巖地層的氣體鉆井速度。

通過采集HS2、WC1井火成巖巖心，開展了巖石力學特性室內(nèi)實驗，實驗表明，火成巖巖石硬度高達 2 504.23～2 905.45 MPa，抗壓強度最高 333 MPa，塑性系數(shù)為1.10～1.33，表明準噶爾盆地火成巖硬度高、脆性強，屬于硬脆性巖石，適宜采用沖擊鉆井破巖技術(shù)進行提速［8-13］；另外，由于其牙輪鉆頭可鉆性級值普遍大于8級，表明火成巖地層可鉆性較差，且使用牙輪鉆頭鉆進時應(yīng)用效果并不理想。

空氣錘鉆井是一種利用高壓氣體介質(zhì)傳遞能量實現(xiàn)對巖石高頻率（800～1 900 次/min）沖擊破巖的鉆井技術(shù)，兼具氣體鉆井和沖擊鉆井的優(yōu)勢［14-15］。當使用空氣錘鉆井時，在空氣錘活塞高頻沖擊動載的作用下，位于鉆頭底部的復(fù)合球齒可使齒尖下面的巖石瞬時達到屈服極限，同時鉆頭低速回轉(zhuǎn)通過不斷改變球齒與巖石的接觸位置，使得在接觸點下面及周圍進一步形成了相連的破碎區(qū)；加之氣體鉆井在井底形成的“負壓”，不僅改善了井底巖石的應(yīng)力狀態(tài)，有利于巖石中裂紋的產(chǎn)生和擴展，而且減弱了井底巖屑的壓持效應(yīng)，從而使得井底巖石的“崩離”破碎充分發(fā)揮。因此與常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆井方式相比，空氣錘鉆井是一種以沖擊加回轉(zhuǎn)、靜壓（鉆壓）和動載聯(lián)合破巖代替牙輪鉆頭靜載壓碎的高效氣體鉆井方式，能夠使得快速鉆進火成巖等硬脆性巖石成為現(xiàn)實。另外，由于空氣錘鉆進時所需要的鉆壓較低（一般在10～40 kN），并且空氣錘活塞直接沖擊鉆頭進行破巖，底部鉆具不承受較大的軸向力，鉆具變形較小，因此在火成巖地層中使用空氣錘鉆井，能夠在提高機械鉆速的同時，起到良好的防斜糾斜效果。

1 KQC型空氣錘

KQC air hammer

KQC系列空氣錘是一種無閥式空氣錘，具有配氣氣路簡單、氣壓損失小、沖擊能量高的特點，同時采用中心排氣結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠保證足夠氣量直達井底，起到冷卻鉆頭和深井攜巖的作用，近年來在四川、新疆等地區(qū)應(yīng)用較為廣泛。

1.1 空氣錘結(jié)構(gòu)和工作原理

Structure and working principle of air hammer

KQC180型空氣錘主要由上接頭、配氣座、氣缸、活塞及鉆頭等部件組成［16-17］，其中上接頭通常與上部鉆鋌連接。空氣錘鉆井期間，高壓氣體經(jīng)上接頭進入空氣錘內(nèi)部氣缸后，首先進入下腔室推動活塞上行；當活塞上行過程中，由于配氣座尾桿已經(jīng)進入活塞上端中心通孔，期間將會導致上腔內(nèi)壓力迅速上升；當活塞行至上死點后，接著在高壓氣體推動下開始高速下行并沖擊鉆頭頂端，此過程周而復(fù)始，從而可對鉆頭施加800～1 900 次/min高頻沖擊力實現(xiàn)高效破巖。

1.2 技術(shù)特點

Technical characteristics

（1）采用無閥式中心排氣結(jié)構(gòu)，配氣氣路簡單，沖擊能量高。

（2）低鉆壓、低轉(zhuǎn)速特征有利于避免鉆具磨損、疲勞斷裂等情況發(fā)生。

（3）復(fù)合材料鉆頭齒及“三翼面”保徑結(jié)構(gòu)設(shè)計有效提高了堅硬地層空氣錘鉆頭使用壽命。

（4）耗風量大，能夠滿足深井鉆井的需要，并且隨井深增加對鉆速的影響較小。

（5）提離井底時能夠自動停止沖擊，同時可進行大風量吹氣排屑。

（6）可以和其他鉆具配合使用，實現(xiàn)多工藝鉆進。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

Main technical parameters

目前，KQC型空氣錘已經(jīng)開發(fā)形成了適合不同井眼的產(chǎn)品系列，其中空氣錘的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 KQC型空氣錘的主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of KQC air hammer

2 現(xiàn)場應(yīng)用

Field application

針對前期哈山區(qū)塊火成巖氣體鉆井采用牙輪鉆頭破巖效率低、單只鉆頭進尺少等問題，分別在哈深201井一開～三開井段開展了空氣/霧化+空氣錘鉆井技術(shù)試驗。以一開?444.5 mm井眼為例，空氣錘鉆井期間，采用的鉆具組合為：?444.5 mm空氣錘鉆頭+?275 mmKQC275空氣錘體+?228.6 mm鉆具止回閥+?228.6 mm鉆鋌×3根+?203.2 mm鉆鋌×6根+?127 mm加重鉆桿×15根+?139.7 mm鉆桿；鉆井參數(shù)為：鉆壓10～40 kN，轉(zhuǎn)速30～40 r/min，立壓2.8～3.1 MPa；空氣/霧化參數(shù)：空壓機注氣量 130.0～162.5 Nm3/min，霧化泵注液量 14～28 L/min，泡沫基液質(zhì)量分數(shù)1.0%～4.0%。

鉆進期間，通過加密測斜、加強扭矩監(jiān)測，嚴格控制鉆井參數(shù)，并根據(jù)井深和地層出水情況及時調(diào)整空氣/霧化參數(shù)，保證了空氣錘鉆井的施工安全，最終哈深201井全井氣體鉆進井段51～3 322.64 m，氣體鉆井進尺2 369.53 m，其中使用空氣錘13只，累計進尺2 106.99 m（占總進尺88.92%），平均機械鉆速3.89 m/h，平均單趟鉆進尺162.08 m，均較鄰井HS2井氣體鉆井有了大幅提高，其中部分空氣錘應(yīng)用情況見表2。

表2 哈深201井部分空氣錘應(yīng)用情況Table 2 Application of air hammer in Well Hashen 201

空氣錘鉆井期間，哈山區(qū)塊?444.5 mm井眼單趟鉆機械鉆速14.29 m/h，?311.2 mm井眼單趟鉆進尺最高470.62 m，通過加強井斜監(jiān)測，實時調(diào)整鉆井參數(shù)，井斜始終控制在2°以內(nèi)，起到了很好的防斜打快效果。

圖1、圖2分別給出了哈深201井不同開次牙輪鉆頭氣體鉆井和空氣錘鉆井的平均機械鉆速和單趟鉆進尺對比情況。可以看出，哈深201井一開?444.5 mm井眼應(yīng)用空氣/霧化+空氣錘鉆井，其平均機械鉆速和單趟鉆進尺分別為9.87 m/h和128.79 m，分別較同尺寸井眼牙輪鉆頭氣體鉆井提高了16.02倍和10.09倍；二開?311.2 mm井眼空氣錘平均機械鉆速和單趟鉆進尺分別為6.15 m/h和235.82 m，分別較牙輪鉆頭氣體鉆井同比提高了4.21倍和6.42倍；三開?215.9 mm井眼空氣錘平均機械鉆速和單趟鉆進尺分別為1.93 m/h和129.71 m，分別較牙輪鉆頭氣體鉆井同比提高2.45倍和6.63倍，表明空氣錘鉆井對于準噶爾盆地火成巖地層的鉆井提速具有更加明顯的應(yīng)用效果。

圖1 哈深201井不同開次牙輪和空氣錘機械鉆速對比Fig. 1 ROP comparison between cone bit and air hammer in different spuds of Well Hashen 201

圖2 哈深201井不同開次牙輪和空氣錘單趟鉆進尺對比Fig. 2 Single-trip drilling footage comparison between cone bit and air hammer in different spuds of Well Hashen 201

另外，盡管哈深201井空氣錘鉆井取得了顯著的提速效果，但是鉆井期間仍然存在以下幾個方面的技術(shù)問題：

（1）由于火成巖硬度高、可鉆性差，多只空氣錘使用壽命（純鉆時間）低于60 h，并且起出后出現(xiàn)保徑齒和外排齒崩齒掉齒、嚴重磨損以及導氣尾管損壞等現(xiàn)象，表明現(xiàn)有空氣錘仍不能很好地適用于火成巖地層。哈深201井一開鉆進至井深314.83 m時，由于鉆壓、立壓、扭矩等鉆井參數(shù)出現(xiàn)異常升高現(xiàn)象，同時發(fā)現(xiàn)排砂口失砂，決定起鉆檢查，發(fā)現(xiàn)空氣錘導氣尾管已經(jīng)損壞。

（2）當?shù)貙映鏊枯^大（≥30 m3/h）時，由于霧化鉆井攜水能力有限，并且較空氣/泡沫鉆井所需的氣量更大，環(huán)空中主要以大段氣液段塞形式存在，當?shù)竭_地面排砂管線時，氣液段塞交替返出將對地面設(shè)備產(chǎn)生較大沖蝕磨損，不利于氣體鉆井作業(yè)安全。哈深201井在二開鉆井期間便因此多次發(fā)生排砂管彎頭刺壞、錄井撈砂擋板沖蝕磨損的現(xiàn)象，不得不提前結(jié)束空氣錘鉆井作業(yè)。

（3）由于空氣錘鉆井不能進行劃眼、倒劃眼作業(yè)，一旦鉆遇出水較大地層或井壁失穩(wěn)掉塊時，將不得不起鉆更換牙輪鉆頭處理復(fù)雜情況。哈深201井三開空氣錘霧化鉆進至井深3 322.64 m時，當接完單根下放期間發(fā)生遇阻，開轉(zhuǎn)盤扭矩波動較大，且返砂量和掉塊顆粒較大，將注氣量由130 Nm3/min增至162 Nm3/min，情況仍沒有明顯改善，為保證井下安全而不得不起鉆更換牙輪鉆頭進行劃眼。

（4）當?shù)貙映鏊枯^大時，由于每次起下鉆、測斜、檢修等靜止作業(yè)時間過長，常常導致井底大量積水，從而需要關(guān)閉半封氣舉排液，一定程度上增加了作業(yè)時間、降低了鉆井時效，同時氣體介質(zhì)中斷循環(huán)后，地層水浸泡井壁及大顆粒巖屑、局部掉塊不能及時攜帶，將進一步加劇井壁失穩(wěn)和井下施工風險，因此，建議今后配套連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)輔助氣體鉆井施工。

3 結(jié)論與認識

Conclusions and cognitions

（1）火成巖屬于硬脆性巖石，巖石堅硬、研磨性強，且其牙輪鉆頭可鉆性級值普遍大于8級，采用牙輪鉆頭破巖效率低、單只鉆頭進尺少，制約了準噶爾盆地火成巖氣體鉆井速度，空氣錘鉆井兼具氣體鉆井和沖擊鉆井二者優(yōu)勢，同時其具有低鉆壓、低轉(zhuǎn)速、高頻率的特點，與牙輪鉆頭氣體鉆井相比，能夠在有效控制井斜的同時，顯著提高硬脆性巖石鉆井速度，是實現(xiàn)火成巖地層防斜打快的一種有效手段。

（2）建議進一步研制適用于火成巖的高效長壽命空氣錘，同時配套連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)輔助空氣錘鉆井施工，充分發(fā)揮其機械鉆速快、使用壽命長的技術(shù)優(yōu)勢，進一步提升火成巖地層空氣錘鉆井的應(yīng)用效果。

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