XZ型沖擊提速器工具在羊塔區(qū)塊的應用與研究

張 昕，李曉軍，王 銘，張勝鵬，李夢遙，朱偉倫，孟 瀅，張 慧

（1.中國石油西部鉆探鉆井工程技術研究院，新疆烏魯木齊830000；2.中國石油西部鉆探克拉瑪依鉆井公司，新疆克拉瑪依834000）

1 羊塔區(qū)域簡介

羊塔區(qū)塊所處位置為塔里木盆地塔北隆起羊塔克構造帶上。該區(qū)塊白堊系至奧陶系普遍存在一套復合鹽巖層，埋藏深度較深。其主要巖性為巨厚白色、灰色鹽巖夾褐色膏泥巖，棕紅色、淺棕色、棕褐色膏質(zhì)泥巖，泥巖，發(fā)育石膏，粉砂巖及灰白色、白色鹽巖，泥質(zhì)膏巖，夾欠壓實的含鹽“軟泥巖″及少量泥質(zhì)粉砂巖，細砂巖，含膏泥巖互層[1]。目的層巖石硬度高、可鉆性差，尤其小井眼段鉆井參數(shù)難強化，機械鉆速低、鉆頭壽命短。因此，如何安全、快速、優(yōu)質(zhì)、高效鉆井是本井段的重點與難點。

在白堊系至奧陶系層段，使用常規(guī)PDC+螺桿復合鉆進機械鉆速偏低，平均鉆速僅機械2.68m/h，鉆進周期較長，平均為48.5d，約占全井鉆井周期的53%。根據(jù)現(xiàn)場情況分析，由于鉆井過程中在井下，PDC鉆頭的運動是極其無序的，包括橫向、縱向和扭向的振動及這幾種振動的組合，即產(chǎn)生“粘滑效應″，該效應導致PDC鉆頭出現(xiàn)“蹦齒″以及刀翼損壞現(xiàn)象、頻繁地起下鉆更換鉆頭同時還會使得整個鉆柱產(chǎn)生疲勞損壞[3]。以羊塔X井為例，該井為一口預探直井，設計井深6350m，穿過白堊奧陶系。因此經(jīng)鉆井公司與油田公司相互溝通，決定在四開井段5444.88～6350m（進尺905.12m）采用5-7/8″（?149.2mm）鉆頭配合XZ型沖擊提速工具鉆至完鉆井深。

2 XZ型沖擊提速工具在羊塔15井應用

2.1 工具工作原理

西部鉆探鉆井工程技術研究院所獨立自主研發(fā)的XZ型沖擊提速工具的工作原理為：工作時，鉆井液由分流機構經(jīng)過節(jié)流噴嘴分流成兩部分：一部分直接到達鉆頭；一部分流體經(jīng)過分流機構上的分流槽進入到鐵砧導流通道，進入上部腔室，推動配流盤和沖擊錘貼合在一起，形成高壓區(qū)，配流盤和沖擊錘以相同的速度順時針旋轉，沖擊錘沖擊鐵砧，對鉆頭產(chǎn)生沖擊。下部腔室與泄流孔相連通形成低壓區(qū)，在壓差作用下，配流盤繼續(xù)順時針轉動，配流盤和沖擊錘進行貼合，高壓流體經(jīng)過芯軸上的導流槽進入到下部腔室，形成高壓區(qū)，上部腔室與泄流孔相連通形成低壓區(qū)，在壓差作用下，配流盤和沖擊錘反向旋轉，沖擊錘沖擊鐵砧，對鉆頭產(chǎn)生逆向沖擊作用，如此反復，如圖1所示，對鉆頭產(chǎn)生一個周期的高頻沖擊載荷。

該載荷傳遞到鉆頭上，在鉆頭上增加一個額外的沖擊力矩，使鉆頭產(chǎn)生均勻穩(wěn)定的高頻沖擊力，完全改變了PDC鉆頭的運動形態(tài)，高頻地切削地層，緩解或消除PDC鉆頭鉆深部硬地層時存在的“粘滑″現(xiàn)象，從而大幅度提高機械鉆速。

圖1 沖擊提速工具結構工作原理圖

2.2 XZ型沖擊提速工具獨有特點

XZ型沖擊提速工具更具有以下幾點獨有特性：

（1）沖擊頻率更高、沖擊扭力更大。

（2）運動部件少。

（3）采用流體產(chǎn)生高低壓腔驅(qū)動沖擊錘。

（4）采用復雜動力學環(huán)境下的迷宮式超薄液膜金屬動密封技術，有效解決了該工具高溫高壓強振動下密封的技術難題。

（5）關鍵部件表面噴涂、焊接硬質(zhì)合金，更耐沖蝕，提高使用壽命。

（6）現(xiàn)場參數(shù)最優(yōu)化配置技術，節(jié)流機構的內(nèi)置、易更換設計，實現(xiàn)沖擊力和沖擊頻率的可調(diào)。

（7）負壓流場整流降磨抗沖蝕控制機構通過抽吸作用改變工具內(nèi)部流體流場分布，減緩了零件沖蝕，大幅提高了工具的使用壽命。

（8）具有渦流自清洗功能的環(huán)形固相過濾機構使大直徑固相顆粒進入芯軸，阻止其經(jīng)分流槽進入啟動倉，滿足循環(huán)堵漏要求。

（9）采用最優(yōu)化沖擊錘導流通道角度設計技術，增大啟動區(qū)域錘體初始推動力，提高工具的扭轉沖擊效能。

2.3 XZ型沖擊提速工具性能參數(shù)

XZ型沖擊提速工具已達到的技術主要指標：①沖擊頻率：680～1500次/m in；②扭向沖擊力矩：610～1600N·m；③系統(tǒng)壓降：1～3MPa；④工具使用壽命：大于150h；⑤提速：50%以上，工具外徑?121mm，內(nèi)徑?24mm，總長為630mm，上下接頭扣型：上API 3-1/2″IF下API3-1/2″REG，適合井眼尺寸：?146.4mm/?152.4mm/?165.1mm。

2.4 XZ型沖擊提速工具在羊塔15井施工的提速效果

XZ型沖擊提速工具在塔里木油田羊塔區(qū)塊羊塔X井共入井2次。

2.4.1 第一趟鉆

該工具入井前在井口進行了進行了循環(huán)測試，工具運轉正常，測試壓降為1.5MPa，排量15L/s，于16：00下鉆到底，并進行鉆進，鉆頭使用新疆帝陛艾斯5-7/8″SF64H 3型6刀翼單排齒PDC鉆頭鉆進，水眼組合為(3個22/32″水眼)。

鉆具組合為：?149.2mmPDC+?121mmXZ型沖擊提速工具+311×NC35配合接頭+浮閥+?120mm鉆鋌×7柱+?88.9mm加重鉆桿+?127mm鉆桿。

工具鉆進井段：5468.2～6082.48m，進尺614.28m；工具入井時間：254h，井下工作時間：221.7h，純鉆時間：140.1h，平均機械鉆速：4.38m/h。

鉆井工作參數(shù)：鉆壓40～80kN，泵壓21～23MPa，轉速60～80r/m in，排量15～17L/s，密度1.40～1.45g/cm3。

提鉆原因：工具使用時間到，井隊測斜井斜過大，更換鉆具組合[8]。

2.4.2 第二趟鉆

第二趟鉆時，XZ型沖擊提速工具井口測試正常后入井，測試壓降為1.5MPa，排量15L/s，鉆頭繼續(xù)使用新疆帝陛艾斯5-7/8″SF64H 3型6刀翼單排齒PDC鉆頭，于16：00下鉆到底，并進行鉆進。

鉆具組合：?149.2mmPDC+?121mm扭沖+311×NC35配合接頭+浮閥+?120mm鉆鋌×2根+? 145mm扶正器+?120mm鉆鋌×19根+?88.9mm加重鉆桿+?127mm鉆桿。

工具鉆進井段：6082.48～6273m，進尺190.52m；工具入井時間：303h，井下工作時間：212.2h，純鉆時間：152.3h，平均機械鉆速：1.25m/h。

鉆井工作參數(shù)：鉆壓20～30kN，泵壓22～25MPa，轉速60～80r/m in，排量14～16L/s，密度1.40～1.45g/cm3。

提鉆原因：鉆遇復雜地層，下部地層易漏。

2.4.3 與鄰井機械鉆速比較

相鄰井英買力30井基巖段鉆頭及機械鉆速情況匯總如下：

XZ型沖擊提速工具在羊塔X井第一趟鉆完成進尺614.28m,純鉆時間140.1h,工作時間196.2h,平均機械鉆速4.38m/h。第二趟入井井深6082.48m,鉆至井深6082.48m，井隊測斜井斜過大，更換鉆具組合，第二趟鉆主要采用小鉆壓吊打的鉆進方式，排量比第一趟鉆低1～2L/s,井隊第二趟鉆完成進尺190.52m,純鉆時間152.3h,工作時間212.2h,平均機械鉆速1.25m/h。

本井XZ型沖擊提速工具總共工作了2趟鉆，總進尺804.8m，總純鉆時間292.4h，總平均機械鉆速2.75m/h，總機械鉆速是鄰井英買力X井的3.09倍。同時，從第一趟、第二趟鉆起出的鉆頭來看，鉆頭新度達到80%以上，說明XZ型沖擊提速工具還起到了良好保護鉆頭的作用。鄰井英買力X井5-7/8″井眼段共使用了23個PDC鉆頭完成進尺1024m，至少進行了23趟鉆。

綜上所述，羊塔X井所使用的XZ型沖擊提速工具相比鄰井PDC+螺桿明顯提高了鉆進效率，大大節(jié)約了鉆井成本，取得了良好的經(jīng)濟效益和時間效益。

3 結論及建議

（1）XZ型沖擊提速工具提速技術在保證井身質(zhì)量的同時極大地提高了機械鉆速和鉆頭壽命，提速效果顯著，該技術對羊塔區(qū)塊白堊系至奧陶系地層具有良好的適應性，建議推廣使用，但必須做好防泥包等相關配套工作；

（2）建議結合鄰井地質(zhì)分析對比，綜合周期及工具使用成本多方面因素考慮奧陶系桑塔木組等其它組是否能使用“沖擊提速工具+PDC鉆頭″技術：若泥巖段較長，灰?guī)r段較短，建議使用；反之則不建議使用；

（3）建議根據(jù)地層巖性、研磨性等相關因素選擇和調(diào)整相應鉆頭類型,加強與沖擊提速工具配合的PDC鉆頭優(yōu)選工作。