石油鉆井中旋沖鉆井技術(shù)的應(yīng)用探討

郭子楓，孟子豪，任博歡，孫豪

1.中國石油集團(tuán)渤海鉆探第四鉆井公司，河北滄州，062450；2.中國石油集團(tuán)渤海鉆探第二固井分公司，天津，300280；3.中國石油集團(tuán)渤海鉆探井下作業(yè)公司射孔作業(yè)部，河北滄州，062550

0 引言

旋沖鉆井在當(dāng)下油氣開發(fā)領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用，這種鉆井方法與傳統(tǒng)的鉆井設(shè)備相結(jié)合，通過對金剛石鉆頭周期性施加作用力，從而提高鉆進(jìn)速度和鉆井效率[1]。本文建立在前期旋沖鉆井研究的基礎(chǔ)上，依托前期旋沖鉆井的研究成果，綜述旋沖鉆井的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及其未來的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。進(jìn)而，介紹旋沖鉆井的基本原理與旋沖鉆井鉆具破巖的相關(guān)影響因素，最后對旋沖鉆井的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行舉例分析[2]。本文以川西鉆井現(xiàn)場為實(shí)例，分析其在特殊硬地層下的鉆進(jìn)效果，指導(dǎo)后續(xù)旋沖鉆井的實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)一步推廣旋沖鉆井工藝的實(shí)際價值。

1 旋沖鉆井技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

旋沖鉆井具有一般鉆井技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢，由于它的鉆進(jìn)效率較高，該技術(shù)誕生以來一直受到很多專家和學(xué)者的重視，并被很多大型石油公司所使用，主要用于探井、開發(fā)井、水平井鉆探等鉆井現(xiàn)場，極大地提高了鉆井隊的鉆井效率，也保證了鉆井的安全性[3]。旋沖鉆井的核心工具是沖擊裝置，在當(dāng)前國內(nèi)的旋沖鉆井沖擊工具中，常見的沖擊工具有液動和氣動兩種。此外，也有少量的氣液混合的動力裝置。

（1）液動旋沖鉆井技術(shù)。液動旋沖鉆井技術(shù)是由俄國工程師發(fā)明的，這種技術(shù)剛誕生時常有很多缺點(diǎn)，并不能廣泛應(yīng)用。例如，沖擊裝置單次沖擊功率較低、沖擊裝置沖擊作用較弱、裝置整體沖擊頻率較小，尤其是在硬地層的鉆井現(xiàn)場，該技術(shù)更難鉆進(jìn)，需要不斷地進(jìn)行技術(shù)突破[4]。現(xiàn)今，旋沖鉆井技術(shù)已經(jīng)取得了比較顯著的技術(shù)發(fā)展，國外有許多公司都已經(jīng)發(fā)展了該項技術(shù)，同時獲得了多項國家專利，大部分研究的是閥體沖擊裝置，這種沖擊裝置能夠在一定的液壓作用下，使裝置內(nèi)的鉆管與周緣介質(zhì)產(chǎn)生兩個方向的疊加作用力，從而提高懸沖鉆井的作用效果。同時，由于裝置彈簧快速伸縮回彈，提高了旋沖鉆井的頻率。我國的液動旋沖鉆井技術(shù)從建國以來不斷發(fā)展，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)基本技術(shù)自主化，已經(jīng)研制出多種不同類型的閥體旋沖鉆井沖擊裝置。

（2）氣動旋沖鉆井技術(shù)較液動旋沖鉆井技術(shù)有不同的技術(shù)特征，其適用的場景也與液動旋沖鉆井技術(shù)有較大的差別。整體上，氣動旋沖鉆井技術(shù)較液動旋沖鉆井技術(shù)的鉆井效率更高。由于氣體介質(zhì)的密度較小，在鉆井過程中所受的阻力相對液動鉆井技術(shù)也較小，所以，氣動旋沖鉆井技術(shù)鉆井速度較快[5]。根據(jù)氣體介質(zhì)的不同，我們可以把氣動旋沖鉆井技術(shù)分為空氣與氮?dú)饣旌香@井、氮?dú)忪F化鉆井、氣液發(fā)泡鉆井等分支，這些鉆井技術(shù)分支均可提高鉆井的效率，降低鉆井過程中的介質(zhì)密度和鉆進(jìn)阻力，保證鉆進(jìn)有效性。根據(jù)鉆井介質(zhì)循環(huán)順序的不同，我們可以將氣動旋沖鉆井分為正循環(huán)與反循環(huán)旋沖鉆井，其中正循環(huán)是將壓縮氣體從鉆桿的內(nèi)部管道注入，從鉆桿與套管的環(huán)狀管道排出，而反循環(huán)是從鉆桿與套管的環(huán)狀管道注入壓縮氣體，從鉆桿的內(nèi)部管道排出。不管是哪種循環(huán)方式，均可以提高鉆井效率。氣動旋沖鉆井技術(shù)最早起源于19世紀(jì)60年代，由意大利石油工程師發(fā)明而成，當(dāng)時的裝置稱之為氣動巖體破碎機(jī)。之后，經(jīng)過了一段時間的發(fā)展，工程師對該項技術(shù)不斷做出改進(jìn)，提高了在一定鉆壓條件下的鉆井效率，同時也實(shí)現(xiàn)了鉆頭在普通地層全鉆進(jìn)過程中，其磨損幾率達(dá)標(biāo)。目前，國外的相關(guān)公司已經(jīng)設(shè)計出了獨(dú)特的旋沖氣動鉆井工具。并且國內(nèi)大型油田也引進(jìn)了相關(guān)技術(shù)，并進(jìn)行了一定程度的改進(jìn)，形成了國產(chǎn)自主化的氣動旋沖鉆井工具。

2 旋沖鉆井模型及破巖影響因素

2.1 旋沖鉆井的模型

旋沖鉆井技術(shù)是在傳統(tǒng)鉆井技術(shù)的基礎(chǔ)上給鉆頭和鉆桿的軸向施加往復(fù)式的沖擊作用力，使鉆頭不僅具有旋轉(zhuǎn)式周緣破碎巖層的能力，也具有軸向往復(fù)的高頻破巖能力。這種鉆井方式能夠快速地?fù)羝朴操|(zhì)的巖層，提高破巖效率。根據(jù)旋沖鉆井的基本原理，我們可以構(gòu)建旋沖鉆井的相關(guān)模型（圖1）。該模型采用泥質(zhì)地層為模擬地層，選用PDC鉆頭為模型專用鉆頭。PDC鉆頭直徑為13mm，模型長為35mm，寬為15mm，高為5mm。通過繪制旋沖鉆井線性曲線，我們可以判斷模型在工作中對巖層施加的作用力[6]。通過實(shí)驗結(jié)果分析，我們發(fā)現(xiàn)，在鉆進(jìn)的過程中，模型周緣巖層受到較強(qiáng)的沖擊作用，會形成典型的破碎坑，由中央到四周破碎裂紋由塑性向脆性擴(kuò)展，最終大塊巖層破碎脫落。在模型鉆頭切削作用下，鉆頭附近的巖層呈塑性流動形變，大塊巖體未脫落。旋沖鉆井的鉆頭所施加的切削力可達(dá)到近900N，而常規(guī)鉆井作業(yè)的鉆頭切削力僅756N，所以旋沖鉆井技術(shù)可以顯著改變鉆具的受力狀態(tài)，保護(hù)切削鉆頭，并且使鉆頭鉆入地層更加容易，提高鉆進(jìn)效率，同時也可以保護(hù)鉆頭。在鉆具做功方面，常規(guī)的鉆具破巖做功較高，達(dá)145.2mJ/mm3，在旋沖鉆井作用下，鉆井破巖效率做功為127.4 mJ/mm3和127.8 mJ/mm3，均小于常規(guī)鉆井做功的功率，可見旋沖鉆井做功明顯小于常規(guī)鉆井做功。在較小的功率下，旋沖鉆井仍然能夠具有較大的破巖沖擊力，提高了破巖效率。通過對比不同旋沖鉆具在泥質(zhì)巖中的鉆進(jìn)情況，我們可以發(fā)現(xiàn)，不管是任何一種鉆井方式，均未形成明顯的大塊巖體破碎情況，在塑性泥質(zhì)巖層中兩種鉆頭均使泥質(zhì)巖發(fā)生塑性形變，呈流動性破碎，未對巖層的物理狀態(tài)造成太大的影響。

2.2 旋沖鉆井破巖影響因素

旋沖鉆井破巖效率的影響因素較多，主要可以分為鉆具鉆壓、鉆頭鉆速、鉆井泵壓等，下面將從這三個方面進(jìn)行簡單分析。

（1）在一般鉆井過程中，鉆具的轉(zhuǎn)壓會影響破碎巖石的破碎程度，旋沖鉆井的轉(zhuǎn)壓增高，鉆具機(jī)械鉆速也會增加，從而更快地破碎巖石，但是轉(zhuǎn)壓增加必然會導(dǎo)致轉(zhuǎn)頭磨蝕加速、損耗加快。所以，在旋沖鉆井過程中，工程師需要合理地設(shè)置旋沖鉆井轉(zhuǎn)壓值，避免鉆具在鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)較高的沖擊力和較高的頻率，使金剛石鉆頭過度磨蝕失效，增加鉆頭成本，也影響鉆井工期。隨著鉆井逐漸深入，鉆頭周緣的圍壓也會增加，給旋沖鉆井增加施工難度[7]。

（2）鉆頭鉆速對破巖效率也有較大影響。在旋沖鉆井過程中，鉆井的鉆頭不間斷地旋轉(zhuǎn)，由于地面和井下工具的限制作用，鉆頭轉(zhuǎn)速一般保持70-140r/min，旋沖鉆井鉆頭保持高鉆速運(yùn)行可以提高周緣巖層破裂效率。工程師需要根據(jù)模型的模擬情況設(shè)置好破巖頻率與鉆頭鉆速之間的關(guān)系。經(jīng)過實(shí)驗驗證，試驗結(jié)果表明，沖擊頻率為15-20Hz時，鉆速可以取70-140r/min，在這個范圍下可以實(shí)現(xiàn)最合理的旋沖效能。

（3）旋沖鉆井的排量也會影響鉆井的效率。排量的大小對旋沖鉆井的沖擊裝置有很大影響，所以這個問題可以轉(zhuǎn)化為旋沖鉆井沖擊裝置的沖擊頻率與沖擊效果的影響問題。隨著排量不斷增加，沖擊裝置的沖擊頻率也在不斷地提高，二者是成正比的關(guān)系，進(jìn)而旋沖鉆井巖層破碎效率也不斷提高。

3 旋沖鉆井的實(shí)例應(yīng)用分析

當(dāng)前，旋沖鉆井在川西地區(qū)深部地層應(yīng)用較少，川西地區(qū)深部地層巖性致密，且?guī)r層巖性以火成巖、塊狀砂巖、粉砂巖、碳酸鹽巖為主，可鉆性較差。旋沖鉆井轉(zhuǎn)速慢、鉆進(jìn)效率低、施工時間長是該地區(qū)旋沖鉆井施工的重要障礙之一。在該地區(qū)常用的鉆具為鉆頭、沖擊裝置、接頭、回壓閥、鉆鋌、旁通閥、鉆桿、震擊器等裝置組合。由前文介紹的影響因素可知，影響旋沖鉆井的效率主要參數(shù)有鉆壓、鉆速和排量。根據(jù)川西地區(qū)現(xiàn)場實(shí)際，我們首先在C-1井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，首先選用該井兩個不同的排量進(jìn)行加壓。鉆具入井后，達(dá)到井深3008.5m時，鉆具鉆速較慢。經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)際分析，我們發(fā)現(xiàn)井下目的層存在大量的塊狀巖體，固體顆粒較大，且鉆頭受到部分磨蝕，在鉆頭前端存在比較明顯的沖蝕坑。經(jīng)過現(xiàn)場綜合評判，工程師認(rèn)定試驗效果未達(dá)到實(shí)際預(yù)期，在使用過程中，旋沖鉆具鉆頭部分失效，其失效前鉆頭鉆速為1.35m/h，相當(dāng)于普通牙輪鉆頭鉆井的1.25倍。

經(jīng)過對上述未達(dá)預(yù)期的問題進(jìn)行整改，我們將旋沖鉆井工具再次進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用，下入鉆具至井深4015.26m進(jìn)行試驗，在試驗的過程中不斷地調(diào)整鉆井相關(guān)參數(shù)，保障相關(guān)使用效果。當(dāng)鉆具鉆至4125.2m時，鉆速出現(xiàn)下降。此時，工程師迅速調(diào)整鉆壓，后期一段時間轉(zhuǎn)壓未見明顯變化。進(jìn)一步地，鉆具鉆速再次下降，轉(zhuǎn)壓也隨之下降，此時工程師繼續(xù)提高鉆壓，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。當(dāng)旋沖鉆具經(jīng)過不同的巖性時，例如從中砂巖轉(zhuǎn)入泥質(zhì)巖，鉆具鉆速會提高，但是總體來看，經(jīng)過工程師不斷地及時調(diào)整旋沖鉆井相關(guān)參數(shù)，旋沖鉆井前端的金剛石鉆頭基本未受到嚴(yán)重磨蝕。我們發(fā)現(xiàn)，旋沖鉆井在川西地區(qū)可以得到廣泛應(yīng)用。在鉆井過程中，我們需要及時調(diào)整相關(guān)參數(shù)，延長鉆頭的使用壽命，也可降低鉆頭使用成本。

4 結(jié)語

旋沖鉆井較常規(guī)鉆井有不可比擬的優(yōu)勢，由于它的鉆進(jìn)效率較高，該技術(shù)一直受到很多專家學(xué)者的重視。目前，旋沖鉆井主要可以分為液動旋沖鉆井技術(shù)和氣動旋沖鉆井技術(shù)。未來，旋沖鉆井將滿足更多鉆井現(xiàn)場的實(shí)際應(yīng)用，并且將會與計算機(jī)軟件系統(tǒng)相結(jié)合，建立旋沖鉆井模型，以符合更多的鉆井場景。旋沖鉆井的影響因素主要有三點(diǎn)，分別是鉆具鉆壓、鉆頭鉆速和鉆井泵壓等。經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)例分析，我們發(fā)現(xiàn)在川西地區(qū)旋沖鉆井也可進(jìn)行大范圍的應(yīng)用。在面對巖性復(fù)雜的地層時，工程師需要不斷調(diào)整轉(zhuǎn)壓，以穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，最終達(dá)到旋沖鉆井的實(shí)際效果，減少鉆具的鉆頭磨損。