扭力沖擊器在海洋6-1鉆井提速中的應用

陳波，馬志忠，和鵬飛，王志超，宋峙潮，袁則名

中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司（天津 300452）

提速對石油鉆探作業至關重要。為了提高深井鉆探作業破巖效率，人們做了很多的嘗試和探索。當前石油鉆探領域內，鉆井提速技術主要有沖擊鉆井技術、鉆頭優化技術、脈沖射流提速技術、輕泥漿提速技術、VSI 比能優化鉆井技術等。沖擊鉆井技術相比傳統旋轉鉆井具有很多優點，沖擊鉆井的機械鉆速一般比旋轉鉆井高2～3 倍[1]，沖擊器能提高井底凈化能力[2]、延長鉆頭使用壽命[3]。扭力沖擊器作為沖擊鉆井技術，能為鉆頭提供一個高頻率、波動小、分布均勻的機械沖擊力，提高PDC鉆頭的破巖效率。為了改變海洋6-1井深部地層鉆頭破巖效率低的現狀，對業內提速的各種技術進行了調查研究，選擇了扭力沖擊器作為試驗對象，開展了具體的應用，現場應用效果較好。

1 項目背景及難點

1.1 海洋6-1區塊地質特征

海洋6-1 構造位于渤中凹陷西南部，儲層主要分布在深部地層及太古界潛山。深部地層巖性以粗砂巖為主，并局部發育礫巖、含礫中砂巖、中砂巖等。儲層埋藏相對較深，縱向上非均質性較強。該區域深部地層巖性致密，抗研磨性強，地層抗壓強度高，可鉆性差。該地區平均地溫梯度為3.5℃/100 m，井底溫度較高，一般可達150 ℃以上。深部存在高壓地層，地層壓力系數最大1.56。

1.2 鉆井工程設計情況

海洋6-1井設計井深4 173 m，井身結構見表1。

表1 海洋6-1井設計井身結構

1.3 海洋6-1井鉆井難點

渤海地區近些年在深井鉆探技術上有明顯提高，但下部深層井段機械鉆速較低的現象依舊是鉆探工程中的一個主要矛盾。深部地層的機械鉆速低，直接影響著油田深部儲層的勘探開發進程。目前渤海地區在提升深層井段機械鉆速方面面臨的困難有：下部深層井段巖石抗壓強度高、巖石可鉆性較差，要求底部鉆具組合要具有較高的抗溫能力，地質情況復雜。

1）下部深層井段巖石抗壓強度高、巖石可鉆性較差。巖石的抗壓強度與地層的埋深成正比，地層埋深越深，下部地層所受的垂向壓力增加，導致下部巖石被擠壓的更結實，可鉆性變差。

2）要求底部鉆具組合要具有較高的抗溫能力。API 規定的常規地溫梯度是2.734 ℃/100 m，海洋6-1 區塊井下靜止溫度超過了150 ℃，這將給井內的鉆具帶來較大的影響并制約鉆井液對巖屑的懸浮攜帶能力。井筒內的高溫會加快工具內部橡膠材質的快速變質破壞，使得本井深部井段無法使用馬達等提速工具；井底的高溫會改變鉆井液分子的結構強度，降低其結構力、導致巖屑不能被及時帶出井筒，造成巖屑在井底的二次切削，導致鉆頭做無用功，進而對機械鉆速的提高產生負面影響。

3）地質情況復雜。渤海深井所鉆遇地層含礫程度高，常常造成鉆速過低，鉆進過程中PDC 鉆頭的切削齒會很快被破壞掉，鉆頭使用壽命短，這對機械鉆速的提升造成極大的影響。

2 技術對策研究

鑒于此，渤海油田調研國內相關技術情況，優選扭力沖擊器，開展深度提速研究與實踐。

2.1 扭力沖擊器的原理

在破巖過程中，PDC 鉆頭會呈現出多種形式的振動及其組合形式，如圖1 所示。鉆頭的振動會導致其工作齒的破壞，降低其使用時間。同時這種振動會導致扭矩波動，給井眼軌跡控制和隨鉆測量儀器的信號傳輸帶來不同程度的干擾，導致井眼變差[4-7]。

圖1 鉆頭工作時振動形式示意圖

扭力沖擊器整體結構設計合理，其內部沒有橡膠材質的零部件，沒有電子零部件，能滿足高溫高壓地層的使用要求，穩定性較高。扭力沖擊器主要是通過沖擊的形式破碎巖石，既滿足了井眼要求又明顯地改善了破巖效率，獲得高的機械鉆速。由于其特殊的設計，能讓井內鉆具有穩定的扭矩，十分精巧地把鉆井液的能量化為扭力方向、平勻的沖擊力并傳導至鉆頭上，保證了鉆頭連續穩定的能量輸出。相比沒有使用過扭力沖擊器的情況，能倍數級的減少鉆具的黏滑，較大幅度的提高機械鉆速，延長鉆頭的生命周期。扭力沖擊器的設計規格及作業參數見表2和表3。

表2 165 mm外徑扭力沖擊器設計規格

表3 165 mm外徑扭力沖擊器作業參數

2.2 扭力沖擊器的技術特點

1）明顯減少鉆具的黏滑，消除鉆頭的不規則振動，提高井眼軌跡控制質量，能輔助鉆頭高效率的破碎巖石。

2）其產生的沖擊能量和鉆井液的排量成正相關性，鉆井排量越大，其輸出的能量就越大。

3）扭力沖擊器僅適合于PDC 鉆頭。其產生的振動或沖擊，不僅不會破壞鉆頭的切削齒，反而會增加其使用時間。同時能降低井內鉆具的疲勞程度，增加鉆具的使用時間，明顯改善了可鉆性差的地層的機械鉆速。

3 現場應用與效果分析

3.1 現場應用

海洋6-1 井鉆井作業過程中，五開215.9 mm（8?″）井眼鉆進至4 000 m 后機械鉆速降低明顯，起鉆更換扭力沖擊器鉆具組合，具體鉆具組合為：215.9 mm（8 ? ″）PDC 鉆頭+165.1 mm（6? ″）扭沖工具+165.1 mm（6? ″）DC×2根+165.1 mm（6? ″）F/V+215.9 mm（8 ? ″）STB+165.1 mm（6 ? ″）DC×16 根+165.1 mm（6 ? ″）F/J+127 mm（5″）加重鉆桿×1 根+165.1 mm（6? ″）投入式止回閥+127 mm（5″）加重鉆桿×13 根。自4 000 m 至215.9 mm（8 ? ″）井眼中完井深4 044 m，鉆井參數基本一致：鉆壓5~12 t，轉速50 r/min，排量1 800 L/min。

3.2 效果分析

本井215.9 mm（8?″）井眼第三次入井鉆頭型號為阿特拉U613M 的PDC 鉆頭，沒有用扭力沖擊器，累計進尺8 m（對應深度3 731～3 739 m），平均機械鉆速為0.97 m/h；第四次入井鉆頭型號為江漢HJT537G 的牙輪鉆頭，沒有用扭力沖擊器，累計進尺139 m（對應深度3 739～3 878 m），平均機械鉆速為1.6 m/h；第五次入井鉆頭型號為江漢HJT537G的牙輪鉆頭，沒有用扭力沖擊器工具，累計進尺122 m（對應深度3 878～4 000 m），平均機械鉆速為1.4 m/h，瞬時機械鉆速在0.9～2.2 m/h，鉆進后期，由于機械鉆速較慢，決定起鉆更換；第六次入井鉆頭型號為阿特拉U613M 的PDC 鉆頭，配合使用扭力沖擊器，下鉆至井底，在砂礫巖地層機械鉆速改善明顯，機械鉆速在1.5～4.5 m/h，該趟鉆總進尺44 m（對應深度4 000～4 044 m），平均機械鉆速達到2.7 m/h，至鉆達本井段中完深度時瞬時機械鉆速維持在3～3.5 m/h。使用扭力沖擊器的井段與未使用扭力沖擊器的井段平均機械鉆速對比情況見表4。

表4 使用液力沖擊輔助破巖工具前后鉆參機械鉆速對比

通過以上對比可以看出，型號為U613M 的鉆頭，未使用扭力沖擊器情況下其機械鉆速為0.97m/h，單趟進尺8 m；使用扭力沖擊器情況下其機械鉆速為2.7 m/h，進尺44 m。使用扭力沖擊器后機械鉆速提高2.78倍，鉆頭進尺提高5.5倍，提速提效非常明顯。

4 結論

1）現場試驗結果表明，針對渤海地區深部井段抗壓強度高、可鉆性差的地層，使用扭力沖擊器后機械鉆速可以提高2.78倍，提速提效非常明顯。

2）使用扭力沖擊器后，鉆頭進尺提高5.5 倍以上，極大地延長了鉆頭的使用壽命。

3）扭力沖擊器在使用過程中未出現因井底高溫結構損壞的情況，說明扭力沖擊器在高溫地層提速方面有較大的使用價值。