旋扭沖擊器在復(fù)雜地層井中的應(yīng)用

陳新勇 ，王 銳 ，張婭楠 ，馬謝書 ，王藝晨 ，王 挺 ，馬 鈴

（1.中國石油渤海鉆探工程技術(shù)研究院，河北任丘 062550；2.西南石油大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，四川成都 610500；3.中國石油華北油田公司合作開發(fā)項(xiàng)目部，河北任丘 062550）

在鉆井大提速的背景下，油氣勘探開發(fā)向深層、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域邁進(jìn)，面對(duì)的地層越來越復(fù)雜，施工難度越來越大，對(duì)鉆井速度與質(zhì)量的要求也越來越高。深部復(fù)雜地層機(jī)械鉆速低的問題，直接影響著油氣勘探開發(fā)的進(jìn)展，因此迫切需要提高難鉆地層機(jī)械鉆速[1，2]。另一方面，近年來PDC鉆頭已逐步成為石油鉆井主力鉆頭，2006年美國PDC鉆頭進(jìn)尺約占總進(jìn)尺的60%，美國落基山脈地區(qū)75%鉆井進(jìn)尺都是PDC鉆頭完成的[3，4]。然而，PDC鉆頭在工程應(yīng)用中還存在一些制約因素：對(duì)于中硬以上及高研磨性地層，PDC鉆頭存在嚴(yán)重的卡滑、吃入深度不夠以及使用壽命低等亟待解決的問題，限制了PDC鉆頭的應(yīng)用范圍[5，6]。

對(duì)于降低、解決卡滑振動(dòng)，普遍采用的方法主要有鉆井參數(shù)優(yōu)化、減振工具和鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化等措施，但效果并不明顯。因此，結(jié)合旋扭輔助破巖與流體動(dòng)力學(xué)理論研發(fā)了旋扭沖擊器提速工具，搭配結(jié)構(gòu)優(yōu)化的PDC鉆頭進(jìn)行減振降低卡滑，提高機(jī)械鉆速。

1 旋扭沖擊器工作原理及技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

1.1 工作原理

旋扭沖擊器是一種純機(jī)械動(dòng)力鉆井提速工具，通常被直接安裝在旋轉(zhuǎn)鉆井或定向鉆井總成中PDC鉆頭上方。泥漿從上接頭經(jīng)泥漿流量分配器流進(jìn)沖擊器，并二次分配到管狀接頭內(nèi)。來源于鉆井液的能量驅(qū)動(dòng)內(nèi)部動(dòng)力錘產(chǎn)生沖擊，沖擊頻次與液體流速有關(guān)。旋扭沖擊器提供的額外的扭向沖擊力完全改變了PDC鉆頭的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其高頻穩(wěn)定的沖擊力，相當(dāng)于每分鐘750～1 500次切削地層，鉆頭不需要等待扭力積蓄足夠的能量就可以切削地層。此時(shí)，轉(zhuǎn)盤提供的轉(zhuǎn)動(dòng)扭力及工具的液動(dòng)扭力，并直接作用在鉆頭上。此時(shí)整個(gè)鉆柱的扭矩基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，有效避免或降低了PDC鉆頭卡滑的不利影響，有利于延長鉆頭壽命；高頻扭向沖擊對(duì)于以剪切破巖為主的PDC鉆頭，有利于提高機(jī)械鉆速（見圖1）。

1.2 旋扭沖擊器技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

鉆進(jìn)過程中，工具內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)將鉆井液能量轉(zhuǎn)換成周向機(jī)械沖擊力（約2 kN·m），并直接傳遞給PDC鉆頭，有效避免PDC鉆頭的卡滑現(xiàn)象，提高機(jī)械鉆速。旋扭沖擊器還有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）旋扭沖擊器內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)合理，泥漿流道通暢，無任何橡膠件，無任何電子元器件，可以抗高溫達(dá)210℃；

（2）旋扭沖擊器失效后，并不影響繼續(xù)鉆進(jìn)，對(duì)鉆進(jìn)沒有任何風(fēng)險(xiǎn)。只是相當(dāng)于一個(gè)鉆頭短節(jié)，無需起鉆，但效果相當(dāng)于不用旋扭沖擊器的狀態(tài)，機(jī)械鉆速較低；

（3）旋扭沖擊器鉆壓高于常規(guī)PDC鉆頭鉆壓，PDC刀齒切入地層更深，可更有效的剪切破碎地層，增加機(jī)械鉆速；

（4）旋扭沖擊器使用時(shí)不會(huì)對(duì)MWD等錄井和測(cè)井儀器的信號(hào)產(chǎn)生影響；

（5）旋扭沖擊器產(chǎn)生的是穩(wěn)定均勻的周向高頻沖擊，不會(huì)造成PDC鉆頭的金剛石復(fù)合片產(chǎn)生損壞，反而會(huì)延長PDC鉆頭和鉆具的壽命。

圖1 扭力沖擊器

2 復(fù)雜地層鉆井提速難點(diǎn)

華北油田安探區(qū)塊部署井是以勘探開發(fā)冀中坳陷廊固凹陷河西務(wù)潛山構(gòu)造帶楊稅務(wù)潛山圈閉為目的井。具有地層巖性復(fù)雜、下部地層可鉆性差、井下溫度高等特點(diǎn)，具體體現(xiàn)如下：

（1）下部地層有沙河街組、孔店組、石炭系、二疊系、奧陶系。其中，沙河街組以泥巖、砂巖為主，部分層段含玄武巖；孔店組、石炭-二疊系以泥巖、細(xì)砂巖、含礫砂巖為主，部分層段夾含礫巖，奧陶系以灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為主，可鉆性較差。

（2）巖石力學(xué)性質(zhì)分析（見圖2），沙三及以上地層內(nèi)聚力5 MPa～15 MPa，內(nèi)摩擦角 25°～32°，抗壓強(qiáng)度30 MPa～75 MPa，可鉆性較好；沙四～孔店及C-P地層內(nèi)聚力 10 MPa～17 MPa，內(nèi)摩擦角 30°～39°，抗壓強(qiáng)度30 MPa～90 MPa，地層強(qiáng)度波動(dòng)較大，可鉆性極值變高。

（3）井下溫度高。區(qū)塊內(nèi)井鉆深超過5 200 m，地溫梯度約為3.11℃/100m，預(yù)計(jì)井底溫度180℃。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 工具入井前井況

華北油田安探X井是一口三段制深井，設(shè)計(jì)井深5 400 m，四開井身結(jié)構(gòu)。三開內(nèi)造斜段3 550 m～3 837 m，穩(wěn)斜段3 837 m～4 784 m，177.8 mm套管下至潛山頂部。

該井鉆進(jìn)至4 213 m時(shí)，井下溫度接近145℃，鉆遇含礫巖層，鉆頭磨損嚴(yán)重。

3.2 鉆具組合及鉆井參數(shù)

鉆具組合：D215.9 mm PDC鉆頭×0.35 m+旋扭沖擊鉆井工具×0.71 m+411/4A10+211LF+165 mm螺旋鉆鋌×9.35 m+210LF+浮閥+165 mm 鉆鋌×9.35 m+411/4A10+165 mm螺旋鉆鋌×56.1 m+4A11/410+127 mm加重鉆桿×177.65 m+隨鉆震擊器+127 mm加重鉆桿×46.75 m+DP。

圖2 巖石力學(xué)參數(shù)圖

鉆井參數(shù)：泵壓16 MPa～18.5 MPa，泥漿密度1.37 g/cm3～1.42 g/cm3，鉆壓 50 kN～80 kN，轉(zhuǎn)速 50 r/min～80 r/min，排量30 L/s。

3.3 應(yīng)用效果

圖3 井段4 140 m～4 380 m鉆遇地層

4 157 m～4 291 m井段地層巖性為泥巖、砂巖、礫巖、夾含有玄武巖。其中4 157 m～4 213 m及4 291 m～4 380 m采用螺桿鉆具。旋扭沖擊器應(yīng)用井段4 213 m～4 291 m，進(jìn)尺78 m，純鉆時(shí)間 31 h，工具工作36 h，入井共計(jì)62.7 h，平均機(jī)械鉆速2.5 m/h，較本井相同地層螺桿鉆具組合機(jī)速提高68%，工具出井新度90%以上（見圖3，表 1）。

3.3.1 鉆頭壽命 本次配合旋扭沖擊器工具的鉆頭采用8-1/2"M1365DG型鉆頭，六刀翼。鉆頭入井前后分析，鉆頭輕微磨損，新度仍可達(dá)到95%以上，而采用螺桿鉆具組合的同型號(hào)鉆頭嚴(yán)重?fù)p壞（見圖4）。表明旋扭沖擊器工具可以有效的保護(hù)鉆頭，提高了鉆頭的使用壽命。

3.3.2 MWD配伍性 為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井斜變化，鉆具中配備了MWD。應(yīng)用效果（見圖5），鉆進(jìn)中MWD信號(hào)一直穩(wěn)定。旋扭沖擊鉆井工具振動(dòng)幅度低、沖擊力度小，不會(huì)影響MWD信號(hào)，也不會(huì)對(duì)MWD產(chǎn)生損害。

4 結(jié)論

（1）旋扭沖擊鉆井工具能大大消減在硬地層鉆進(jìn)時(shí)的卡滑現(xiàn)象。

（2）該項(xiàng)技術(shù)消除了井下鉆頭運(yùn)動(dòng)時(shí)可能出現(xiàn)的一種或多種振動(dòng)現(xiàn)象，使整個(gè)鉆柱的扭矩保持穩(wěn)定和平衡，使鉆頭不需要等待扭力積蓄足夠的能量就可以切削地層。

（3）工具能夠提高機(jī)械鉆速，而且還能延長鉆頭及下部鉆柱組合的壽命，基本解決了PDC鉆頭在復(fù)雜地層壽命短和機(jī)械鉆速低的難題。

表1 旋扭沖擊器鉆井工具現(xiàn)場實(shí)鉆數(shù)據(jù)對(duì)比

圖4 鉆頭起出

圖5 鉆進(jìn)中MWD信號(hào)圖

（4）旋扭沖擊鉆井工具可以實(shí)現(xiàn)與MWD的配合使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)井斜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。