基于振動實測的非均質地層鉆頭失效分析與對策

孔 華 蘭 凱 劉香峰 劉明國 晁文學 郗劉明

1.中石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術研究院 2.中石化中原石油工程有限公司塔里木分公司

0 引言

隨著油氣勘探深度越來越深、所鉆遇地層越來越復雜，鉆柱—鉆頭系統所處的工作環境也越來越苛刻，特別是在硬地層及非均質地層鉆進時，鉆頭壽命短、鉆速低[1-3]。近年來，除了提高鉆頭破巖效率外，利用鉆頭—鉆柱系統的振動、鉆壓扭矩的分析、模擬和測量等方法，開展井下工作環境、減少井下不良振動等主要方向的鉆柱動力學研究也越來越受到國內外學者的重視[4-7]。四川盆地作為國內頁巖氣開發的重點區域，通過近幾年的不斷攻關和實踐，機械鉆速得到了提高，但由于受復雜地層可鉆性差、非均質性強等地質因素的影響，導致井下鉆柱系統不良振動劇烈，容易出現鉆頭損壞嚴重、鉆速較低等問題，嚴重影響了鉆井時效[7-10]。

筆者以四川盆地涪陵工區上二疊統龍潭組—中二疊統茅口組為分析對象，針對性地分析地層的巖性和礦物組分，深化地質認識，采用井下振動高頻測量工具的實測手段，測量了鉆頭—鉆柱系統的動態振動參數，以此作為下部減振鉆具優選及鉆井參數優化的依據，以期達到改善井下鉆柱系統的振動狀態、有效地提高鉆頭使用壽命的效果。

1 涪陵工區鉆頭失效統計分析

1.1 龍潭組——茅口組地質特征分析

涪陵頁巖氣工區所鉆地層以海相地層為主，年代較為古老。其上部的龍潭組上、下部巖性為灰黑色碳質泥巖，中部為灰、深灰色灰巖、含泥灰巖為主夾薄層含生屑灰巖；茅口組上部為灰巖及灰黑色炭質頁巖，中下部為灰巖夾薄層灰色灰質泥，兩個地層為灰巖與含泥灰巖不等厚互層，夾層較多，燧石條帶和團塊發育，膠結致密、巖石硬度高，屬于中硬—硬地層，地層可鉆性級值在8.0～10.0，可鉆性較差。通過對相關地層巖屑礦物X射線衍射定量分析表明（表1），該層段以方解石為主，石英含量達到11%，同時含有黃鐵礦。

表1 涪陵工區地層礦物組分分析表

1.2 龍潭組—茅口組鉆頭失效分析

龍潭組、茅口組等地層非均質性，導致鉆頭磨損和崩齒嚴重，鉆頭的先期失效快，如表2所示。統計表明，該段平均進尺約200 m，平均機械鉆速僅為3.57 m/h，該井段使用鉆頭數量平均在3只，鉆頭破巖效率較差。

2 井下鉆柱—鉆頭振動實測與分析

現場實踐和相關的理論研究表明[11-12]，井下不良振動是導致鉆頭失效的主要原因之一，而地層的非均質性等會加劇鉆柱—鉆頭系統的不良振動。由于鉆柱的阻尼效應，地面的工程參數監測系統無法真實的獲取近鉆頭處動態工況，因此開展井下動態參數測量可以幫助鉆井科技人員明晰井下工作動態，從而更加科學的指導鉆井優化設計[13-15]。為此，自主研制了井下振動高頻測量工具，該工具能夠實現井下三軸振動加速度（2個橫向振動分量和1個縱向振動分量）和轉速的精確、高頻測量和大容量存儲，三軸振動加速度采樣/存儲頻率為1 000 Hz，轉速存儲頻率1 Hz，連續采集時間大于300 h。利用該工具對涪陵工區多口井重點層段開展了井下動態參數實測工作，實測顯示，當鉆進至龍潭組后，橫向和縱向振動加速度的幅值明顯增加，表明地層可鉆性差，不能保持最佳的鉆頭吃入深度，如圖1所示。

表2 涪陵工區部分井龍潭組、茅口組鉆頭使用情況統計表

圖1 長興組—龍潭組地層交界處振動加速度實測曲線圖

在軟硬交錯地層鉆進過程中不同地層的破巖所需鉆壓差異較大，地面鉆壓波動變化較大，圖2所示為JY1-X井鉆壓和鉆時變化曲線。

圖2 JY1-X井地面鉆壓和鉆時變化曲線圖

由圖2可以看出，鉆頭使用初期鉆遇砂泥巖互層段時鉆時呈規律性的波動變化。鉆井施工參數的不穩定和地層變化使鉆具軸線上產生沖擊載荷導致鉆頭發生高幅值瞬時振動。

圖3為涪陵工區龍潭組實測20 s的縱向振動數據，鉆柱縱向振動整體在±20 m/s2的范圍內波動（由于重力和井斜的影響，縱向振動加速度零值在－10 m/s2左右），振動水平并不高。但是該段時間內存在多次較強瞬時沖擊，絕對值在40 m/s2附近，屬于較高的振動水平。

圖3 鉆柱軸向振動實測變化圖

對于鉆頭破巖來說，均勻有規律的振動是鉆頭破巖的主要特征，但當出現瞬時沖擊等不良振動時足以造成切削齒的碎裂，導致鉆頭在短時間內破壞，喪失大部分或全部的切削能力，特別是對于PDC鉆頭來說，其切削齒及復合片在沖擊下更易破壞，這也是PDC鉆頭在軟硬交錯等地層中不適用的主要原因。

3 減振技術措施的制訂與應用

3.1 合理優化鉆井參數

鉆柱振動不但與鉆柱本身的物理和幾何特性有關，而且與鉆柱轉速等鉆井參數關系密切。當轉動頻率達到鉆柱固有頻率，會產生嚴重的共振現象。對于特定的鉆柱結構，其自由振動的固有頻率是相對固定的，因此可以在實鉆過程中避開這些共振轉速。以涪陵工區二開?311.2 mm井眼常用鉆具組合為例，?311.2 mmPDC鉆頭＋?244.5 mm螺桿+扶正器（最大外徑?306 mm）＋?203 mm鉆鋌×90 m＋?127 mm加重鉆桿×120 m＋?139.7 mm鉆桿，井深2 500 m，計算不同轉速條件下的振動加速度幅值，如圖4所示。結合分析可以建立不同井段的臨界轉速圖版，實鉆中優選合理的轉速范圍在70 r/min和90 r/min，避開臨界轉速區間，能夠有效地避免共振的發生。

圖4 不同轉速條件下振動位移幅值變化曲線圖

3.2 “減振＋增壓”鉆具組合的使用

硬地層井段多存在鉆頭吃入地層不足、鉆具共振明顯導致鉆頭工作效率不高的問題。常規鉆井中鉆壓需由鉆頭上部的鉆鋌重量提供，單純依靠地面增加鉆壓，很容易導致底部鉆具組合發生彎曲變形，特別是在鉆遇軟硬互層段時，由于巖性的變化，不同地層的破巖門限鉆壓存在差異，使得鉆頭縱向振動增加，更加劇了蹩跳鉆等現象，嚴重危及井下工具的壽命，制約機械鉆速的提高[11]。

水力加壓器是一種將水力能量轉換為鉆壓的工具，但是其本身受泵壓波動影響，施加的鉆壓產生一定波動，配合使用減震器，合理優化減振工具及增壓工具在鉆具組合中的加裝位置，設計出一套低成本、適用性強的“減振＋增壓”底部鉆具組合，可實現鉆進過程中加壓的同時，對鉆柱進行雙向減振，從而實現鉆頭、鉆柱的穩定運行[16]。

JY86-4HF井在上部長興組、龍潭組、茅口組、棲霞組井段采用了水力加壓器＋減振器的鉆具組合，鄰井JY86-3HF井在同一井段采用了常規鉆具組合。通過對兩口井井下振動加速度數據采集，與鄰井相比JY86-4HF井振動加速度大于49 m/s2高數值的瞬時沖擊減少了17%，如圖5所示，說明“減振＋增壓”鉆具組合對高數值的瞬時沖擊具有一定的抑制作用，創造了鉆頭—鉆柱的平穩運行環境。同時，機械鉆速有了明顯提高，特別在龍潭組2 000～2 100 m井段，平均機械鉆速由2.42 m/h提高到6.19 m/h，增幅達155.8%，提速效果顯著，如圖6所示。

圖5 4 min內高幅值振動沖擊次數統計圖

3.3 恒壓恒扭工具的使用

恒壓恒扭工具能提供近鉆頭高速旋轉及持續扭矩，能提供鉆頭連續接觸地層及高頻的軸向吸收振動能量及釋放沖擊能量的能力及鉆壓恒定，可以有效降低井下鉆壓和扭矩的波動[17-20]。恒壓恒扭工具在JY195-XHF井進行試驗，主要應用地層為長興組—龍潭組，其中龍潭組機械鉆速與同平臺鄰井同層位井段相比提高2.5倍（表3），同時有效地擴展了PDC鉆頭在軟硬交錯地層的進尺和適用性。

4 結論與建議

1）井下鉆柱—鉆頭系統在鉆進非均質性地層、含礫石地層中產生的高幅值的瞬時沖擊振動，是導致鉆頭先期失效的主要原因。

圖6 JY86-3HF和JY86-4HF井機械鉆速對比圖

表3 恒壓恒扭工具使用效果對比表

2）使用“減振+增壓”、恒壓工具，或配套合理的鉆井參數能夠有效降低井下鉆柱—鉆頭系統的不良工況，大大改善了鉆柱系統的振動狀態，從而有效地延長了鉆頭使用壽命。

3）目前國內的減振工具主要以液壓等被動減振為主，建議今后開展振動抑制的一體化解決技術，開展主動減振工具的研制。