射流式液動旋沖鉆井工具在遼河靜73-21井的應(yīng)用

羅 歡

（中國石油長城鉆探公司工程技術(shù)研究院，遼寧 盤錦 124010）

國內(nèi)外現(xiàn)場實踐已證明旋沖鉆井技術(shù)可有效降低鉆井綜合成本，縮短鉆井周期，提高油氣勘探開發(fā)效益。近年來，隨著油氣鉆井向深部發(fā)展，硬地層鉆速慢的難題日益突出，旋沖鉆進技術(shù)是當前解決硬巖鉆進難題最有效的技術(shù)方法之一，其與普通回轉(zhuǎn)鉆進技術(shù)相比能夠提高鉆進效率30%以上[1-2]。旋沖鉆井技術(shù)是在旋轉(zhuǎn)鉆井基礎(chǔ)上，在鉆頭上增加一個由沖擊器產(chǎn)生的高頻沖擊作用，使鉆頭承受周期性的沖擊動載作用。應(yīng)力變化很快超過巖石強度極限，使巖石脆性增加塑性下降，并迅速產(chǎn)生脆性破壞坑，進而提高破巖效率[3-5]。實現(xiàn)旋沖鉆井的主要工具是液動沖擊器，一般裝在鉆頭上部，它是一種使用液體（泥漿或清水）作為動力，實現(xiàn)軸向產(chǎn)生高頻動載沖擊，徑向帶動鉆頭回轉(zhuǎn)切削復(fù)合破巖，提高破巖效率[6]。工具具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、啟動靈活、工作穩(wěn)定、沖擊載荷可調(diào)可控、循環(huán)壓降較小等特點，其井下工作壽命一般在100h 以上。液動射流沖擊器配合牙輪和PDC鉆頭使用，不影響鉆井液循環(huán)，適用于4級以上地層直井、定向井及水平井鉆井提速[6-8]。

靜73-21 井位于遼河油田沈陽采油廠沈84-安12區(qū)塊，為二開定向井，設(shè)計井深2649.35m，最大井斜30.39°，采用?139.7mm套管完井。針對該井存在的鉆時慢、定向困難等技術(shù)難題，結(jié)合本區(qū)塊的地層巖性特點，通過優(yōu)選鉆井參數(shù)以及鉆具組合，試驗應(yīng)用了射流式液動旋沖鉆井工具。現(xiàn)場應(yīng)用表明，旋沖鉆井技術(shù)在提高硬地層機械鉆速、縮短鉆井周期、降低鉆井綜合成本等方面都有較好效果。

1 旋沖工具結(jié)構(gòu)原理

采用?178mm 射流式液動旋沖鉆井工具，工具主要由上接頭、射流元件、液缸及活塞、沖錘、八方套、砧子等組成。沖擊器上、下接頭分別同鉆鋌和鉆頭連接，鉆井液循環(huán)時，沖擊器接觸井底即開始工作。利用射流元件附壁原理[6-8]，使鉆井液交替從缸體上下腔進出，從而使活塞上下運動，并帶動沖錘沖擊砧子，砧子可以在八方套內(nèi)上下滑動，砧子將沖擊能量傳遞給鉆頭，鉆壓和扭矩經(jīng)鉆鋌通過沖擊器筒體和八方套傳遞給鉆頭（見圖1）。沖擊功過大或者過小都達不到理想提速效果，必須優(yōu)選出最合適的沖擊功，才能減少鉆頭磨損和崩齒。因此結(jié)合應(yīng)用井實際地層和井段特點及匹配的鉆頭類型優(yōu)選確定旋沖工具的性能和參數(shù)。

2 工具性能參數(shù)確定

2.1 鉆具組合設(shè)計

液動射流旋沖鉆井技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用時，只需在原鉆具組合中增加射流式液動旋沖鉆井工具。由于旋沖工具在整個鉆具組合中的位置會直接影響鉆進效果，特別是定向階段，因此，很有必要針對特定井型和地質(zhì)情況進行鉆具組合優(yōu)選，以期達到最優(yōu)提速效果。鉆具組合的設(shè)計原則是：不改變原鉆具組合的序列；不影響井下儀器的工作及信號傳輸；最大限度發(fā)揮液動射流沖擊器的作用[9]。

當原鉆具組合中沒有螺桿等井下動力鉆具時，射流式液動旋沖鉆井工具可以直接與鉆頭連接，以最大限度發(fā)揮其沖擊能量，推薦鉆具組合：鉆頭+射流旋沖工具+（螺桿）+常規(guī)鉆具組合；當原鉆具組合中有彎螺桿等動力鉆具和MWD 等定向儀器時，常常將射流式液動旋沖鉆井工具放置在螺桿等動力鉆具與MWD之間，這樣既不會影響定向鉆進，又由于射流旋沖工具更加靠近鉆頭，能量損失較小，推薦鉆具組合：鉆頭+螺桿+射流旋沖工具+MWD+常規(guī)鉆具組合。

結(jié)合工具在靜73-21井應(yīng)用地層及配套PDC鉆頭性能和鄰井實鉆資料，入井鉆具組合確定如下：215.9mmPDC 鉆頭+172×1.25×212 螺桿+212 球扶+411×431 變扣+射流旋沖工具+411×410 浮閥+411×4A10 變扣+4A11×4A10 定位接頭+165mm 無磁鉆鋌 1根+165mm鉆鋌2根+4A11×410變扣+195mm防卡+加重鉆桿15根+127mm鉆桿。

2.2 核心部件缸體設(shè)計

針對大多數(shù)射流旋沖工具試驗應(yīng)用過程中，缸體流道采用橡膠密封方式，密封很快失效，采用焊接方式構(gòu)成缸體流道，但焊縫在高壓交變壓力和沖擊振動下產(chǎn)生開裂，造成缸體失效，成為制約射流旋沖工具工業(yè)化應(yīng)用的瓶頸[10]。為解決上述問題，通過優(yōu)選高強度、高耐磨、高韌性材料，消除橡膠密封和焊接等老式工序，直接鑄造成型，并通過表面滲氮等一系列處理措施，有效提高了工具核心部件缸體的有效壽命。同時通過理論計算和數(shù)值模擬，優(yōu)化了射流旋沖工具水力結(jié)構(gòu)，最終標定了工具相關(guān)尺寸。在活塞運動過程中，缸體最大應(yīng)力點在缸體內(nèi)壁上，最大值為774.5MPa，小于缸體材料的屈服強度（1300MPa），數(shù)值模擬結(jié)果見圖2。

2.3 旋沖鉆井參數(shù)設(shè)計

旋沖鉆井參數(shù)主要包括：鉆壓、排量、轉(zhuǎn)速、沖擊功以及沖擊頻率等，即在原有鉆井參數(shù)的基礎(chǔ)上增加了旋沖鉆井工具的性能參數(shù)（沖擊功和沖擊頻率）。通常情況下，常規(guī)鉆井參數(shù)保持原鉆井設(shè)計參數(shù)不變，沖擊功和沖擊頻率則依據(jù)擬應(yīng)用井段的巖石抗鉆特性（抗壓強度）確定。通過試驗分析，巖石的抗壓強度與破巖沖擊功存在匹配關(guān)系，巖石產(chǎn)生體積破碎需要一個最小的沖擊功，不同巖石體產(chǎn)生體積破碎所需要的最小沖擊功不同，存在一定的規(guī)律[11-12]。根據(jù)上述規(guī)律可以通過改變沖錘的質(zhì)量與行程、活塞行程、分流孔徑的大小等方式得出最優(yōu)沖擊功，之后再確定沖擊頻率等參數(shù)。結(jié)合靜73-21 井鉆進特點，對射流旋沖工具性能參數(shù)進行了調(diào)整，并對調(diào)整后射流旋沖工具進行了系統(tǒng)性能測試。通過測試得出了工具結(jié)構(gòu)參數(shù)、沖擊力及沖擊功對射流旋沖工具工作性能的影響規(guī)律（如圖3 所示），為優(yōu)選旋沖鉆井參數(shù)提供了理論依據(jù)。

根據(jù)地質(zhì)設(shè)計及實鉆資料，確定在館陶組—沙河街組開展射流式液動旋沖鉆井工具現(xiàn)場試驗，該段地層巖性主要以含礫砂巖和細砂巖為主。現(xiàn)場泥漿泵排量在30～38L/s，考慮到工具破巖效果和對鉆頭的影響，確定射流旋沖工具結(jié)構(gòu)參數(shù)為（相關(guān)數(shù)據(jù)見表1）：外徑178mm，長2483mm，上接頭扣型API410，下接頭扣型API430；其性能參數(shù)為：沖擊功250～450J，沖擊頻率9～14Hz，沖錘長1003mm，沖擊液缸長210mm，壓耗1～3MPa，分流噴嘴10mm ×2。

表1 旋沖鉆井參數(shù)設(shè)計

3 旋沖鉆井技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用情況

3.1 工具鉆臺試沖

通過鉆臺試沖檢驗射流旋沖工具工作的穩(wěn)定性。射流旋沖工具上接一柱加重鉆桿，同時與方鉆桿接好，下接測試接頭，同時接好回水管線，將測試接頭坐穩(wěn)在轉(zhuǎn)盤上。開泵，記錄射流旋沖工具開始工作時的排量，此排量為射流旋沖工具啟動排量。之后逐漸提高排量，檢驗射流旋沖工具在不同排量下的工作情況，同時記錄其對應(yīng)排量下的泵壓。表2 為射流旋沖工具鉆臺試沖數(shù)據(jù)，工具壓耗情況見圖4。

表2 鉆臺試沖數(shù)據(jù)記錄

鉆臺試沖結(jié)果表明：當排量為13L/s 時，射流旋沖工具正常啟動，隨著排量的提高，射流旋沖工具沖擊頻率和沖擊功相應(yīng)增大，試沖結(jié)果表明工具工作正常，可以下井進行應(yīng)用。

3.2 應(yīng)用情況及效果

按照施工方案確定的旋沖鉆井參數(shù)，在遼河沈84-安12 區(qū)塊靜73-21 井館陶組—沙河街組沙三段井段應(yīng)用了射流式液動旋沖鉆井提速技術(shù)，該井為二開定向井，設(shè)計井深2649.35m，垂深2403m，最大井斜30.39°，采用?139.7mm 套管完井，目的層為沙三四段，使用的鉆頭為M1955JA PDC 鉆頭（見圖5）。

本次現(xiàn)場試驗共應(yīng)用1套射流旋沖工具，工具整體進行了1井次的現(xiàn)場應(yīng)用。射流旋沖工具應(yīng)用井段為380～2049m，鉆遇地層巖性為灰白色砂巖、含礫砂巖、灰色泥巖與灰色中—厚層不等礫砂巖、含礫不等礫砂巖和中—細砂巖互層。鉆井參數(shù)為：鉆壓35kN，轉(zhuǎn)數(shù)70r/min+螺桿，排量38L/s；泥漿主要參數(shù)：密度1.19g/cm3，粘度45s。當鉆進至2049m鉆速變慢，考慮到鉆頭達到了正常鉆井情況下的使用壽命以及避免鉆頭掉齒，保持井底清潔等原因井隊決定起鉆。起出井鉆頭情況見圖6。鉆頭3 刀翼2 號和3 號切削齒有輕微崩齒，這主要是由于地層含礫造成的，與前面轉(zhuǎn)盤鉆井鉆頭崩齒情況相同（地層含礫造成），其他刀翼切削齒情況基本完好。

3.3 提速提效分析

工具入井試驗，井口試沖壓耗2.1MPa，從二開館陶組386m 累計鉆進至沙三段2049m，累計入井時間150h，累計鉆進進尺1663m，平均機械鉆速24.82m/h，相比靜69-A147等鄰井機械鉆速平均提高18.92%（見表3）。采用旋沖鉆井過程中工具工作正常，鉆進過程中扭矩平穩(wěn)，未出現(xiàn)憋、卡等現(xiàn)象，突顯了旋沖鉆井防粘滑、防憋卡的技術(shù)特點。同時，工具在定向段期間，工具面平穩(wěn)，容易定向，井下安全可靠起到了防托壓的效果，獲得井隊和定向方的認可，為下一步工具的深化研究夯實了基礎(chǔ)。

表3 與鄰井機械鉆速對比

由表3 可以看出：在靜73-21 井館陶組—沙河街組沙三段使用旋沖鉆井工具相比鄰井有較好的提速效果，驗證了使用射流式液動旋沖鉆井可以有效提高鉆井速度。通過此次應(yīng)用可知在正常鉆進條件下，使用液動射流旋沖鉆井技術(shù)，機械鉆速同比可以得到有效提升，為該區(qū)塊沙河街組深部地層鉆井提供了一種新的有效提速技術(shù)手段。

4 結(jié)論

（1）在深部中硬地層中，通過優(yōu)選合理的旋沖鉆井參數(shù)，有利于保護鉆頭，延長鉆頭的使用壽命，提高鉆進效率，降低鉆井成本。

（2）根據(jù)鉆具組合優(yōu)化旋沖鉆井參數(shù)，?178mm射流式液動旋沖鉆井工具匹配鉆頭優(yōu)選，在靜73-21 井?215.9mm 井眼成功提速，較鄰井機械鉆速平均提高了18.92 %，為該區(qū)塊實現(xiàn)提速提供了實踐經(jīng)驗。

（3）靜73-21井的應(yīng)用實踐證明，基于射流式液動旋沖鉆井工具與PDC 鉆頭及螺桿配合的鉆具組合在沈84-安12 區(qū)塊沙河街組中上部的應(yīng)用，其提速效果得到了充分的證明，在沙河街組以下地層提速效果還需進一步驗證。