雙沖擊錘復合沖擊器在東海某區塊探井的提速應用

吳寒 張云飛

摘?要：東海海域某區塊探井前期作業中普遍存在深部平湖組地層機械鉆速偏低，不時出現鉆具遇阻卡鉆等問題。為提高該區塊鉆井效率，開展了雙沖擊錘復合沖擊器的適用性研究。雙沖擊錘復合沖擊器具有沖擊能量大、周向與軸向沖擊分配精準、沖擊頻率快等特點，在總結分析東海某區塊地層特性、巖石抗壓強度的情況下，優化了井身結構，采用雙沖擊錘復合沖擊器提速工具很好地解決了該區塊深部機械鉆速偏低、鉆頭磨損嚴重的難題。雙沖擊錘復合沖擊器在該區塊探井的應用結果表明：121/4"井段機械鉆速為35.9m/h，刷新該區塊121/4"井段最高機械鉆速紀錄；83/8"井眼機械鉆速為21.04m/h，相比前期鄰井平均機械鉆速提高97.2%，相比前期最高機械鉆速提高24.57%，創造了東海海域平湖組地層最高機械鉆速新紀錄。

關鍵詞：雙沖擊錘復合沖擊器；應用；機械鉆速；平湖組

東海海域平湖組研磨性差、薄夾層多、灰質含量重一直是困擾鉆井作業多年的問題，前期探井作業普遍存在機械鉆速偏低、鉆頭磨損嚴重，導致井眼浸泡時間長甚至出現電測儀器粘卡、鉆具遇阻卡鉆等復雜情況。近年來，隨著東海海域油氣勘探鉆井井深進一步加深，主要目的層由花港組、平湖組P2P3，逐漸變為現在的平湖組P6P9［1］，作業難度進一步加大，東海某區塊前期勘探機械鉆速慢、鉆井效率低的問題一直沒有得到有效解決，開展鉆井新裝備、新工藝的研究應用勢在必行。

1?雙沖擊錘復合沖擊器及其提速機理

井下沖擊器的基本原理是將地面泥漿泵提供的水力能量轉化為井下扭力或扭力與軸向沖擊能量，以利鉆頭破巖從而提高機械鉆速。

相對于常規復合沖擊器，雙沖擊錘復合沖擊器在結構上主要實現了三項重大創新，其一是采用上下雙錘設計，在同等水力參數條件下采用雙錘結構設計可使沖擊能量明顯提升，沖擊能量為單沖擊錘的2倍，可為鉆頭提供更高沖擊能量，大幅度提高破巖效率，尤其是在堅硬地層中顯著提高機械鉆速；其二是采用了能量分配裝置，將沖擊能量分成80%的周向沖擊和20%的軸向沖擊，同時給鉆頭施加高頻穩定的周向和軸向復合沖擊；其三是通過改進沖擊器內部流道，適當提高了沖擊頻率。在排量33L/S，清水介質條件下進行的沖擊頻率試驗結果表明，83/8"常規沖擊器沖擊頻率只有20Hz，而采用寬大流道設計的雙沖擊錘復合沖擊器的沖擊頻率有了明顯提升，沖擊頻率達到29Hz，為PDC鉆頭破巖及減小鉆進中鉆頭應力提供了有利條件。

常規鉆具組合鉆進時，PDC鉆頭吃入地層后，破巖應力需要上部鉆具能量積累超過臨界破巖應力，才能剪切破巖，此時能量瞬間釋放，反映到鉆臺面上就是扭矩大幅波動，鉆進中有黏滑現象，破巖效率較低［2］；扭力沖擊器主要是通過周向沖擊的形式破碎巖石，可改善破巖效率，一定程度獲得較高的機械鉆速［3］。復合沖擊器將鉆井液水力能量轉化成周向與軸向復合沖擊能量，為鉆頭提供穩定的沖擊力，使破巖應力迅速達到地層被剪切的臨界應力，大幅提高PDC鉆頭剪切效率，破巖應力和扭矩波動小，有利于鉆頭在井底均勻切削［4］。雙沖擊錘復合沖擊器提供的沖擊能量更高，周向與軸向沖擊能量分配更精準，沖擊頻率更快，破巖時鉆頭受到的應力更均勻、更平穩，因而在硬地層中采用雙沖擊錘復合沖擊器不僅可大幅提高機械鉆速，而且可有效延長PDC鉆頭的使用壽命，增加單只鉆頭的工作進尺。

2?東海某區塊地質概況與提速難點

2.1?地層特點及抗壓強度分析

東海某區塊位于孔雀亭氣田與武云亭氣田之間，油氣源充足，成藏背景好［5］。該區塊地層軟硬交錯頻繁，表層為較松軟的玉泉組及龍井組，花港組中部以上為軟—中硬地層，巖石抗壓強度13.79～41.37MPa；花港組下部、平湖組為硬—研磨性地層，巖石抗壓強度41.37～124.11MPa，局部硬夾層超過137.9MPa。花港組中下部含礫，易造成鉆頭沖擊損壞；平湖組頂部蓋層泥質膠結，局部含灰，鉆頭吃入困難［6］；平湖組底部地層抗壓強度突升，可鉆性差。

2.2?提速難點

表1所示為東海某區塊前期鉆井提速工具、機械鉆速等基本數據，該區塊均在花港組中部機械鉆速開始變慢，鉆頭磨損增加。1Sa井完鉆層位于平湖組P7，使用常規鉆具鉆進，鉆頭磨損最為嚴重，平均機械鉆速較低。其他井完鉆層位均為更深的平湖組P9，使用常規復合沖擊器基本能一趟鉆穿花港組地層進入平湖組，在花港組及平湖組都能保持一定的速度。2井巖石抗壓強度最大，使用常規復合沖擊器后也沒能達到理想的速度，但是能保持扭矩相對平穩，鉆頭磨損情況較好。1Sa井、2井采用馬達在花港組中鉆進鉆速較高，說明采用馬達在中硬地層中鉆進提速有一定效果，但在平湖組中鉆進鉆頭磨損嚴重、存在局部崩齒等問題，121/4"井段不能一趟完鉆，效率較低。采用扭力沖擊器在平湖組中鉆進提速效果欠佳，機械鉆速只有5.16m/h。總之，該區塊深部地層鉆進主要存在機械鉆速不高、崩齒現象嚴重、鉆井效率低等問題。

（1）花港組以前地層可鉆性好，但是到花港組下部后可鉆性明顯變差，地層抗壓強度突然抬升，且含礫，易造成鉆頭沖擊損壞，121/4"井段選擇攻擊性強的鉆頭難以一趟鉆完井，大多數鉆頭存在崩齒和嚴重磨損等現象，起下鉆頻繁，鉆井效率低。所以，上下地層鉆進如何做到有效兼顧以提高鉆頭壽命，實現一趟鉆工程難度很大。

（2）平湖組地層研磨性強、硬夾層頻繁，可鉆性差，泥巖致密，部分井段灰質膠結，尤其是頂部蓋層和底部泥巖段，鉆頭吃入困難，整體機械鉆速偏低甚至存在鉆頭無進尺等現象，如何讓鉆頭有效吃入地層以提高機械鉆速與鉆進效率是另一大難題。

3?雙沖擊錘復合沖擊器在東海某區塊3d井的應用

東海某區塊3d井是繼1、1sa、1sb及2井后設計的主要用于評價油氣儲藏規模、產能的一口定向探井，設計井深4422m，垂深4221m，最大井斜29.03°，目的層為平湖組P2P9，確定的完鉆原則是鉆穿平湖組P9目的層、留足口袋后完鉆。

提高鉆井機械鉆速、實現一趟鉆工程是一項系統工程，其中優化井身結構，采用新技術、新裝備尤為關鍵。

3.1?優化井身結構

根據地層特點、可鉆性及復合沖擊器的工作特性和前期使用經驗，優化井身結構是實現一趟鉆工程的關鍵所在。復合沖擊器在120小時內往往可靠性有保障，根據前期鄰井鉆進數據可優化井身結構。井眼設計過長則需要多趟鉆完成鉆進任務，起下鉆時間占比較高，效率較低；設計過短則浪費工具高效工作壽命，需要更多的井眼開次鉆至完鉆井深，成本較高。

實現一趟鉆工程需要合理的井身結構，對東海某區塊5000m左右探井而言，總體原則是171/2"井眼完成上部松軟地層高速鉆進，進尺設置約2200～2400m；121/4"井眼鉆穿花港組，進尺設置1500～2000m；83/8"井眼主要在目的層平湖組鉆進，設置進尺900m左右。3d井與1、1sa、1sb及2井臨近，根據上述井身結構的設計原則，確定3d井深部121/4"井段從2261m開始，至3535m結束，進尺1274m；83/8"井眼位于平湖組P2P9，進尺設置887m。

由于121/4"井眼抗壓強度中等，但含礫夾層多，重點在于提高鉆頭使用壽命，而83/8"井眼地層可鉆性差，主要注重提速。因此在合理的井身結構設計的加持下，要一趟鉆高效完成花港組或平湖組鉆進，需要合理選擇提速工具。

3.2?雙沖擊錘復合沖擊器在東海某區塊3d井的應用效果

為便于現場安裝應用、減少井下事故發生，將雙沖擊錘復合沖擊器與PDC鉆頭融為一體是一種行之有效的辦法，HPG635MI265P3、HPG636MI186P3型工具分別是適用于121/4"及83/8"井眼的雙沖擊錘復合沖擊一體化提速工具。在優化井身結構的前提下，先后采用這兩種工具完成了東海某區塊3d井深部地層的鉆進任務，其中121/4"井眼施加鉆壓100160KN，83/8"井眼施加鉆壓90130KN。3d井所有井段均一趟完鉆，鉆頭磨損輕微。表2為3d井深部鉆井基本數據，其中121/4"井段機械鉆速為35.9m/h，刷新該區塊121/4"井段最高機械鉆速紀錄；83/8"井眼機械鉆速為21.04m/h，相比前期鄰井平均機械鉆速提高972%，相比前期鄰井最高機械鉆速提高24.57%，創造了東海海域平湖組P2P9地層最高機械鉆速新紀錄。

為分析采用雙沖擊錘復合沖擊器提速以及保護PDC鉆頭的效果，對3d井83/8"井段扭矩進行了分解分析，發現鉆頭扭矩、鉆進扭矩、劃眼扭矩和啟動扭矩隨井深增加總體變化趨勢平穩且呈下降趨勢，鉆頭扭矩在3690m時最大，但也不超過20KN·m，鉆頭受力不大且相對均勻，利于延長鉆頭使用壽命。對比鄰井鉆參數據，3d井使用雙沖擊錘復合沖擊器提速，采用鉆壓最大，提高了鉆頭剪切效率與破巖應力，在高鉆壓下鉆頭扭矩不是最大且波動小，鉆頭受到的應力更加均勻平穩，在提高機械鉆速的同時延長了鉆頭壽命，是破東海鉆速紀錄、實現一趟鉆工程的關鍵。

4?結論

（1）雙沖擊錘復合沖擊器在東海某區塊3d井深部的提速應用結果表明，121/4"井段機械鉆速為35.9m/h，刷新該區塊121/4"井段最高機械鉆速紀錄；83/8"井眼機械鉆速為21.04m/h，創造了東海海域平湖組P2P9地層最高機械鉆速新紀錄。

（2）理論分析與實際應用結果均表明，雙沖擊錘復合沖擊器在中硬—硬地層鉆進中提高機械鉆速的同時可減少扭矩波動，有效保護鉆頭，有利提高單只鉆頭進尺，降低鉆井成本。

（3）提高鉆井機械鉆速、實現一趟鉆工程是一項系統工程，采用雙沖擊錘復合沖擊器提速需要優化井身結構、適當增大鉆壓等措施的配合。

參考文獻：

［1］杜明鋒.復合沖擊器提速機理及其在東海某區塊探井的應用［J］.中國石油和化工標準與質量，2021（20）：148149.

［5］何選蓬，程天輝，王學龍，等.塔里木地區復合沖擊器鉆井提速應用與實踐［J］.鉆采工藝，2018，41（1）：107109.

［3］陳波，馬志忠，和鵬飛，等.扭力沖擊器在海洋61鉆井提速中的應用［J］.石油工業技術監督，2021，37（8）：6667.

［4］柳貢慧，李玉梅，李軍，等.復合沖擊破巖新技術［J］.石油鉆探技術，2016（5）：1014.

［5］劉婷婷，蔣涔.西湖凹陷平湖組深層巖性圈閉刻畫方法研究——以孔南地區為例［J］.海洋石油，2022，42（2）：713.

［6］鄒德永，梁爾國.硬地層PDC鉆頭設計的探討［J］.設計計算，2004，32（9）：2831.

作者簡介：吳寒（1991—?），男，漢族，湖北荊州人，碩士，工程師，主要從事海洋鉆井技術工作。