穆國臣，張建龍，劉建華

(1.中國石化東北油氣分公司，吉林長春 130062;2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

旋沖鉆井技術(shù)在十屋30井的應(yīng)用

穆國臣1，張建龍2，劉建華2

(1.中國石化東北油氣分公司，吉林長春 130062;2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

長嶺斷陷深層地層巖石可鉆性級(jí)值高，機(jī)械鉆速低，鉆井周期長，嚴(yán)重影響油氣勘探速度，提高深部地層鉆井速度已成為該地區(qū)亟待解決的問題。分析了旋沖鉆井高效破巖原理，介紹了十屋30井開展旋沖鉆井提速情況，為今后開展相關(guān)的研究及提速實(shí)驗(yàn)提供了借鑒。

火成巖;旋沖鉆井;鉆速;松遼盆地

長嶺斷陷深層泉頭組、登婁庫組、營城組地層巖性致密，巖石硬度大、抗壓強(qiáng)度高，巖石研磨性強(qiáng)、可鉆性差、可鉆性級(jí)值高，部分地層可鉆性級(jí)值超過10級(jí)。鉆井過程中主要面臨機(jī)械鉆速低、建井周期長、鉆井成本高、勘探開發(fā)進(jìn)度慢等技術(shù)“瓶頸”問題。針對(duì)泉頭組以下地層提速提效問題，我們?cè)谑?0井試驗(yàn)了旋沖鉆井技術(shù)，并取得了較好的應(yīng)用效果，為開展提速鉆井配套技術(shù)研究提供了幫助。

1 十屋30井概況

十屋30井是松遼盆地東南隆起區(qū)梨樹斷陷北部斜坡帶上的一口預(yù)探井，設(shè)計(jì)井深3800 m。采用三級(jí)井身結(jié)構(gòu)，鉆頭程序?yàn)?44.5 mm×200 m+311.2 mm×2010 m+215.9 mm×3800 m。鉆遇地層及巖性主要為砂巖、泥巖地層，在營城組發(fā)育安山巖等火成巖，深部地層隨著壓實(shí)及火山作用，巖石可鉆性級(jí)值高。營城組、沙河子組、火石嶺組巖性非常致密、堅(jiān)硬，研磨性強(qiáng)，機(jī)械鉆速低，可鉆性級(jí)值高，是本井提高機(jī)械鉆速的難點(diǎn)和重點(diǎn)，同時(shí)也是本井的主要目的層。提高機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期，縮短油氣層的浸泡時(shí)間，對(duì)于保護(hù)油氣層，實(shí)現(xiàn)勘探目的，意義十分重大。

2 旋沖鉆井高效破巖原理

普通旋轉(zhuǎn)鉆井是通過旋轉(zhuǎn)的方式剪切、磨蝕巖石，在鉆具的旋轉(zhuǎn)下，鉆頭處產(chǎn)生一橫向的回轉(zhuǎn)力，當(dāng)這一回轉(zhuǎn)力超過巖石的強(qiáng)度時(shí)，巖石產(chǎn)生破碎，隨著鉆頭的旋轉(zhuǎn)，鉆頭牙齒將破碎的地層剪切成巖石碎屑。轉(zhuǎn)速越高，回轉(zhuǎn)力越大。用PDC鉆頭完成的旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、復(fù)合鉆井、渦輪鉆井均屬于這類的鉆井。

當(dāng)巖石強(qiáng)度非常高時(shí)，在理論上講，必須產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力足夠大，且大大超過巖石的強(qiáng)度，才能達(dá)到比較好的破碎效率，但是如果巖石強(qiáng)度相當(dāng)高，單憑高轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的高回轉(zhuǎn)力并不能提高巖石的破碎效率。當(dāng)回轉(zhuǎn)力超過鉆頭固有的抗扭轉(zhuǎn)力而低于巖石抗壓強(qiáng)度時(shí)，鉆頭非但破碎不了巖石，自己反而遭到破壞。這類破巖方式由于主要是通過橫向的剪切、磨蝕作用破碎巖石，在縱向上雖然也受到上部鉆具壓力作用，使鉆頭吃入地層，使用牙輪鉆頭鉆進(jìn)也能產(chǎn)生縱向沖擊力，但這一沖擊力不足以破碎巖石硬度太高的地層，其縱向巖石破碎作用相對(duì)來說比較小。

從機(jī)械破巖方式來看，要提高長嶺斷陷地區(qū)巖石的破碎效率，必須在巖石破碎過程中產(chǎn)生橫向的回轉(zhuǎn)力的同時(shí)，產(chǎn)生縱向的沖擊力，從橫向及縱向同時(shí)破碎巖石，從而達(dá)到立體破巖效果，實(shí)現(xiàn)高效破巖。

旋沖鉆井主要通過沖擊器產(chǎn)生縱向沖擊來提高破巖效率。沖擊器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 液動(dòng)射流式?jīng)_擊器結(jié)構(gòu)

高壓液流從射流元件的噴嘴噴出，假如在附壁作用下先附壁于右側(cè)，高壓液流便由C輸出，進(jìn)入缸體的上部，推動(dòng)活塞下行。此時(shí)，與活塞連接的沖錘便沖擊砧子，因砧子與巖心管相連，沖擊能量便經(jīng)巖心管傳至鉆頭上，完成一次沖擊作用?；钊麤_程末了，上缸液壓升高，反饋訊號(hào)回到F控制孔，促使射流由C切換到E輸出，液流經(jīng)E進(jìn)入缸體下缸，推動(dòng)活塞上行，做返回動(dòng)作?；爻棠┝?，反饋訊號(hào)又回到D，將射流切換到開始位置，液流又從C輸出，進(jìn)入上缸，如此往返，實(shí)現(xiàn)沖擊作用。

旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井是一種將旋轉(zhuǎn)鉆井與沖擊鉆井相結(jié)合的一種破巖技術(shù)。與常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆井一樣在橫向受到鉆具旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的橫向回轉(zhuǎn)力及縱向鉆具質(zhì)量產(chǎn)生的壓力外，還受到一個(gè)縱向沖擊力，可以大幅度減低巖石強(qiáng)度，使巖石產(chǎn)生縱向裂縫，從而達(dá)到破巖的效果。

在旋沖鉆井鉆進(jìn)過程中，巖石受到的作用力有軸向鉆壓(W)、沖擊產(chǎn)生的交變載荷(F)以及鉆具旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的橫向回轉(zhuǎn)力(M)，巖石受力情況如圖2所示。

圖2 旋沖鉆井時(shí)巖石的受力情況

旋沖鉆井時(shí)鉆頭受力中的鉆壓W使鉆頭牙齒緊緊頂住巖石，保證有效能量作用到巖石上，達(dá)到更好的破巖效果;沖擊力F使巖石產(chǎn)生裂縫。沖擊力是由沖擊器產(chǎn)生的交變力，井底巖石在軸向壓力及沖擊作用下，強(qiáng)度降低50%～80%，沖擊器產(chǎn)生的沖擊力直接作用于鉆頭，沖擊效率高，其破巖效率是鋼繩沖擊鉆井的3～5倍，使井底堅(jiān)硬巖石更易于產(chǎn)生體積破碎，產(chǎn)生如圖2所示的縱向裂紋。鉆具旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力M是一個(gè)周向力，巖石產(chǎn)生裂紋后，巖石強(qiáng)度大大降低，回轉(zhuǎn)力使已經(jīng)降低強(qiáng)度的巖石被剪切、磨碎，并被循環(huán)的鉆井液帶走。在保證鉆頭牙齒不受損傷的條件下，沖擊力越大，井底巖石產(chǎn)生的裂紋越多，巖石強(qiáng)度降低越多，破巖效果越好，回轉(zhuǎn)力越大，越能將破碎的巖石及時(shí)清離井底，使下次沖擊直接面對(duì)新的地層，從而達(dá)到更好的破巖效果。

在長嶺斷陷地區(qū)，對(duì)于巖石硬度不高的地層，依靠較大的回轉(zhuǎn)力就能達(dá)到較高的破巖效率，但是對(duì)于巖石硬度高、巖石可鉆性級(jí)值高、巖石研磨性高的“三高”地層，單純依靠大的回轉(zhuǎn)力來剪切、磨蝕巖石，由于縱向鉆具壓力很難使鉆頭吃入更深的巖石，使得高轉(zhuǎn)速磨蝕巖石能力有限，巖石破碎效率低。如果硬地層鉆進(jìn)期間，既能產(chǎn)生縱向的沖蝕、沖擊效果，使巖石強(qiáng)度降低，產(chǎn)生縱向裂縫，又有橫向的回轉(zhuǎn)力，剪切、磨蝕強(qiáng)度已經(jīng)大大降低的破碎巖石，就能起到更高效的立體破巖效果。

3 十屋30井旋沖鉆井技術(shù)應(yīng)用

為提高機(jī)械鉆速，十屋30井進(jìn)入營城組以后，盡管優(yōu)選了鉆頭，但效果不理想。

三開2010～3800 m井段主要鉆遇登婁庫組、營城組、沙河子組、火石嶺組地層。2800 m以下是提高機(jī)械鉆速的關(guān)鍵井段。

使用旋沖鉆進(jìn)技術(shù)前，共使用6只牙輪鉆頭，鉆頭使用情況見表1所示，總體機(jī)械鉆速在1.01～1.18 m/h。在下部地層如果繼續(xù)使用牙輪鉆頭，機(jī)械鉆速會(huì)越來越慢。

表1 十屋30井旋沖鉆井技術(shù)使用前鉆頭使用情況

鑒于地層可鉆性極差，營城組優(yōu)選的MXLDS44CDX三牙輪鉆頭鉆速與常規(guī)鉆頭基本相當(dāng)，沒有達(dá)到預(yù)期效果;沙河子組采用HCD407ZX PDC鉆頭機(jī)械鉆速比常規(guī)鉆頭僅提高了9.3%，提高幅度不大。WHGE361P－6 PDC鉆頭與常規(guī)鉆頭基本相當(dāng)，也沒有達(dá)到預(yù)期效果。

自3234 m開始使用旋沖鉆井技術(shù)。下入旋沖鉆具組合前，在井口對(duì)YSC－178型液動(dòng)射流沖擊器進(jìn)行了井口測試，該型號(hào)沖擊器是通過在鉆具內(nèi)裝入專用射流元件，利用鉆井液產(chǎn)生往復(fù)沖擊的一種提高破巖效率的工具。測試試驗(yàn)排量為12 L/s，沖擊器工作正常。沖擊器測試正常后入井開始旋沖鉆井。

旋沖鉆井技術(shù)是將旋轉(zhuǎn)與沖擊有機(jī)地結(jié)合在一起的一種高效破巖方式。由于具有沖擊特性，使用該技術(shù)時(shí)必須引起足夠的注意。在十屋30井這樣泥質(zhì)含量高的地層鉆進(jìn)時(shí)，要保證鉆井安全，達(dá)到更好的提速效果，必須使用高轉(zhuǎn)速與大排量配合，鉆遇火山巖地層時(shí)必須選用合適的鉆井參數(shù)。如果使用旋沖鉆井技術(shù)時(shí)遇到憋鉆、扭矩異常波動(dòng)現(xiàn)象，應(yīng)立即上提鉆具，必要時(shí)應(yīng)立即起鉆更換鉆頭。

鉆進(jìn)期間逐漸加壓，摸索沖擊器與鉆壓在本井既定地層條件下的匹配性。鉆進(jìn)中逐漸發(fā)現(xiàn):保持鉆壓200～220 kN、轉(zhuǎn)速54～70 r/min、排量為31～33 L/s，提速效果比較明顯。由于鉆進(jìn)初期處于鉆井參數(shù)的摸索階段，且井壁掉塊較多，機(jī)械鉆速基本沒有提高，自3244 m開始，井壁掉塊逐漸較少，且已摸索到了與沖擊器匹配的鉆井參數(shù)，機(jī)械鉆速開始明顯增加。

旋沖鉆井鉆遇地層為灰色粉砂巖、灰黑色泥巖、灰綠色安山巖。3244～3281 m灰黑色泥巖、灰色粉砂巖段平均機(jī)械鉆速達(dá)到1.86 m/h，使用鉆頭為已經(jīng)入井使用過的MXL－DS44CDX鉆頭，與2844.35～2918.21 m營城組灰黑色泥巖、灰色粉砂巖段平均機(jī)械鉆速1.14 m/h相比，機(jī)械鉆速提高63.2% (如表2所示)。

表2 與常規(guī)鉆頭比較情況

自3282 m以深鉆遇可鉆性更差的安山巖地層，盡管鉆頭已使用了75 h，但機(jī)械鉆速仍然大幅度提高。整個(gè)118 m旋沖鉆井井段平均機(jī)械鉆速1.64 m/h。使用旋沖鉆井技術(shù)與優(yōu)選鉆頭機(jī)械鉆速對(duì)比情況如表3所示。

表3 旋沖鉆井與優(yōu)選鉆頭鉆速對(duì)比情況

表3中1a和1b為同一只鉆頭，該鉆頭在營城組已鉆進(jìn)了75 h，為了充分利用鉆頭，使用旋沖鉆井技術(shù)時(shí)將該鉆頭再次入井。從表3可以看出，雖然旋沖鉆井井段與優(yōu)選鉆頭井段相比，地層可鉆性更差，但比營城組機(jī)械鉆速提高了43.8%，比沙河子組鉆速提高了40.2%。

4 結(jié)論和認(rèn)識(shí)

(1)旋沖鉆井技術(shù)在十屋30井的成功應(yīng)用表明，在松南地區(qū)深部地層采用旋沖鉆井技術(shù)可以大幅提高機(jī)械鉆速。

(2)旋沖鉆井技術(shù)的應(yīng)用，只需在鉆頭上部安裝一個(gè)高頻液動(dòng)沖擊器，不需其它任何配套設(shè)備，不增加任何其它消耗，在應(yīng)用上簡單、方便、實(shí)用。

(3)旋沖鉆井技術(shù)在十屋30井先后在砂泥巖地層、火山巖地層中鉆進(jìn)，機(jī)械鉆速都得到了大幅度的提高，表明該技術(shù)對(duì)不同地層適應(yīng)性強(qiáng)，可應(yīng)用范圍廣。

(4)松南深層火山巖勘探開發(fā)被列為中國石化“十條龍”項(xiàng)目之一，火山巖鉆井提速對(duì)于加快火山巖勘探開發(fā)有著重要的意義。旋沖鉆井技術(shù)在十屋30井火山巖地層的成功應(yīng)用，為松南深層火山巖鉆井提速提供了新的思路，應(yīng)加快在火山巖地層的推廣應(yīng)用。

(5)旋沖鉆井技術(shù)在與鉆壓的匹配上，在不同地區(qū)、不同地層表現(xiàn)出的特性不同，需要進(jìn)行摸索、總結(jié)。

［1］黃志強(qiáng).沖旋鉆頭破巖機(jī)理仿真研究［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，(1).

［2］蔣宏偉，劉永勝，翟應(yīng)虎，等.旋沖鉆井破巖力學(xué)模型的研究［J］.石油鉆探技術(shù)，2006，34(1).

［3］王雷.旋沖鉆井技術(shù)在石油鉆井中的應(yīng)用［J］.鉆采工藝，2005，(1).

［4］林元華.沖旋鉆井鉆頭仿真模型的建立研究［J］.石油鉆探技術(shù)，2004，32(2).

［5］李國華.旋沖鉆井參數(shù)對(duì)破巖效率的影響研究［J］.石油鉆探技術(shù)，2004，32(2).

［6］林元華.沖旋鉆井技術(shù)鉆速仿真研究［J］.石油學(xué)報(bào)，2004，(5).

Application of Rotary Percussion Drilling Technology in SW30 Well

MU Guo-chen1，ZHANG Jian-long2，LIU Jian-hua2(1.SINOPEC Northeast Oil and Gas Branch，Changchun Jilin 130062，China;2.SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineering，Beijing 100101，China)

The high drillability grade，low penetration rate and long drilling cycle seriously affect the exploration speed in Changling deep fault depression.Analysis was made on the principle of efficient rock-breaking by rotary percussion drilling and the exploration speed improving situation.

igneous rock;rotary percussion drilling;drilling speed;SongLiao basin

TE242.7

B

1672－7428(2012)04－0024－03

2011－06－10;

2012－04－16

穆國臣(1979－)，男(漢族)，黑龍江黑山人，中國石化東北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院工程師，石油工程專業(yè)，從事鉆井工程技術(shù)研究工作，吉林省長春市和平大街660號(hào)，guochenmu@sina.com。