索忠偉 王甲昌 張海平 李廣國 張仁龍 敬輝陽

（1.中國石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.華東石油局鉆井公司，江蘇鎮(zhèn)江 212003；3.中國石油天然氣管道局天津設(shè)計院，天津 300457）

旋沖鉆井在塔河工區(qū)超深井段的應(yīng)用

索忠偉1王甲昌1張海平1李廣國2張仁龍1敬輝陽3

（1.中國石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.華東石油局鉆井公司，江蘇鎮(zhèn)江 212003；3.中國石油天然氣管道局天津設(shè)計院，天津 300457）

為提高新疆塔河工區(qū)深部地層機械鉆速，在該區(qū)塊試驗應(yīng)用了旋沖鉆井技術(shù)。針對新疆塔河工區(qū)深部地層巖性特點和鉆頭選型情況，優(yōu)選出旋沖鉆井匹配鉆頭，優(yōu)化并確定出射流沖擊器結(jié)構(gòu)性能參數(shù)。使用改進(jìn)后射流沖擊器首先在塔河工區(qū)S116-3井中配合PDC鉆頭在超深井段進(jìn)行探索性應(yīng)用，驗證射流沖擊器+PDC鉆頭的可行性，應(yīng)用井深達(dá)6 086 m。隨之，在TP324井進(jìn)行了長井段現(xiàn)場應(yīng)用，實現(xiàn)了液動射流沖擊器與PDC鉆頭配合實質(zhì)性應(yīng)用。S116-3井應(yīng)用井段：5 998.41～6 086 m，TP324井應(yīng)用井段為6 151.65～6 912 m，總進(jìn)尺847.94 m，總純鉆時間314.02，機械鉆速同比提高32%～45%。S116-3、TP324井應(yīng)用結(jié)果驗證了該技術(shù)在深井超深井的提速效果及可靠性，為塔河工區(qū)深部地層探索了新的途徑。

旋沖鉆井；射流沖擊器；PDC鉆頭；超深井

旋沖鉆井技術(shù)是在旋轉(zhuǎn)鉆井的基礎(chǔ)上，增加一個沖擊器產(chǎn)生的高頻沖擊作用，使鉆頭承受周期性的沖擊載荷，實現(xiàn)沖擊載荷與靜壓旋轉(zhuǎn)聯(lián)合作用破碎巖石。由于在鉆進(jìn)過程中施加了高頻的沖擊載荷，使巖石形成體積破碎，從而提高鉆井速度， 特別在可鉆性級值4級以上、抗壓強度大于100 MPa的硬地層中鉆進(jìn)效果更佳。實現(xiàn)旋沖鉆井的主要工具是液動沖擊器，是一種以鉆井液為動力，直接在鉆頭上施加沖擊能，實現(xiàn)沖擊載荷與靜壓旋轉(zhuǎn)聯(lián)合破巖的工具。YSC-178型液動射流式?jīng)_擊器具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、啟動靈活、工作穩(wěn)定且適用范圍廣等優(yōu)點，不必改變現(xiàn)有的鉆井裝備。不受背壓影響，有利于深井鉆井。

近年來，基于黏滑振動理論，旋沖鉆井技術(shù)應(yīng)用于PDC鉆頭取得了突破性進(jìn)展，即利用沖擊振動發(fā)生工具減輕或消除有害黏滑振動對PDC鉆頭的影響，實現(xiàn)PDC鉆頭提速及提高進(jìn)尺。最具代表性的是阿特拉的TorkBuster扭力沖擊器、NOV公司的旋沖鉆具，中國石油大學(xué)研制的自激震蕩旋沖鉆井工具+PDC鉆頭也在試驗中取得了較好的效果，除扭力沖擊器為周向沖擊以外，另外2種技術(shù)均為軸向高頻溫和沖擊工具。實踐證明，使用合理的沖擊器參數(shù)，在適宜的沖擊振動作用下，可以有效消除井底鉆頭及鉆具的有害黏滑振動，改善鉆頭工作狀態(tài)，使鉆頭更平穩(wěn)地切削從而擴大鉆頭適用地層范圍，發(fā)揮PDC鉆頭鉆速高、進(jìn)尺多的優(yōu)勢，減少起下鉆次數(shù)，降低鉆井成本。射流式液動沖擊器作為一種參數(shù)調(diào)節(jié)范圍很寬的軸向沖擊振動發(fā)生工具，通過合理調(diào)整分流孔徑、沖擊行程、沖錘重量獲得合適的輸出參數(shù)，可配合PDC鉆頭進(jìn)行旋沖鉆井。

1 沖擊器性能參數(shù)確定

考慮沖擊器工作頻率過高會加速活塞的磨損，降低沖擊器工作壽命，在滿足沖擊器降低沖擊力的前提下，結(jié)合性能試驗結(jié)果，選擇活塞行程為15 mm，錘重45 kg，分流孔直徑13 mm。表1列舉了排量為25～30 L/s時對應(yīng)的沖擊器性能參數(shù)。

表1 沖擊器結(jié)構(gòu)參數(shù)及性能參數(shù)

依據(jù)沖擊器性能參數(shù)與排量關(guān)系曲線（圖1）可確定現(xiàn)場不同排量下對應(yīng)沖擊器沖擊功及沖擊頻率大小，為旋沖鉆井參數(shù)優(yōu)選提供了實驗依據(jù)。

圖1 沖擊器性能參數(shù)與排量關(guān)系曲線

2 鉆頭選擇

塔河地區(qū)志留系—奧陶系地層巖石強度34～200 MPa，變化范圍較大，上部井段抗壓強度相對較高。擬應(yīng)用井段地層硬度分級為IADC4-7，地層軟硬交錯綜合考慮托普臺地層特點和PDC鉆頭的地層適應(yīng)性，結(jié)合本區(qū)塊鉆井實踐，對石炭系及石炭系以下地層以壓實性好的泥巖為主，可鉆性相對較差，推薦選擇中等拋物線型、中等布齒密度、13～16 mm復(fù)合片、負(fù)前角20°或25°的胎體PDC鉆頭。另外，綜合考慮PDC鉆頭配合沖擊器使用，鉆頭須能夠承受一定沖擊力，采用熱穩(wěn)定性好、特別耐磨、耐沖擊的X3齒 ，單個金剛石復(fù)合片可承受60J以下的沖擊能。?215.9 mm FX65D鉆頭采用雙排齒設(shè)計，后排齒可有效降低載荷波動范圍，提高鉆頭安全。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 S116-3井

S116-3井在庫車縣境內(nèi)，為沙雅隆起阿克庫勒凸起南斜坡帶布置的一口評價井，設(shè)計井深6 295 m，為五開制直井，目的層位：奧陶系中—下統(tǒng)鷹山組。因為首次沖擊器與PDC鉆頭配合應(yīng)用，選取該井四開?215.9 mm井眼，在四開設(shè)計中完前100 m井段進(jìn)行探索性試驗應(yīng)用，實際應(yīng)用井段：5 998.41～6 086 m（四開中完井深），地層為奧陶系上統(tǒng)桑塔木組、良里塔格組、恰爾巴克組。地層巖性主要為灰色泥巖、灰?guī)r、棕紅色泥巖。鉆具組合為：?215.9 mm FX65D+YSC-178射流沖擊器+單流閥+411×4A10+?163mmDC×2根+?215 mm 扶正器+?163 mmDC×19根+4A11×410+?127 mmHWDP×6根+?127 mmDP。

旋沖鉆井參數(shù)：鉆壓60～80 kN，轉(zhuǎn)速65～70 r/min，排量 26～28 L/s，立壓 20～22 MPa。鉆井液性能：密度 1.30 g/cm3，黏度 51 s，含砂量 0.1%。沖擊器入井共計87 h，純鉆41.02 h，進(jìn)尺87.59 m，采用旋沖鉆井較常規(guī)鉆井機械鉆速提高40%以上。沖擊器及鉆頭出井后均保持完好，可繼續(xù)使用。該井試驗井段雖短，但由于鉆穿多套地層，同時驗證了射流沖擊器與PDC配合應(yīng)用的可行性。在S116-3探索性應(yīng)用的基礎(chǔ)上，開展了TP324井長井段的應(yīng)用，TP324井選用鉆頭為S116-3井出井鉆頭。

3.2 TP324井

TP324井在沙雅縣境內(nèi)，位于TP313H井口東南116°47' 46"方位，平距1 888 m； TP39井南東60°9'23＂，平距 2 557m；TP311井東南172°25'37＂方位，平距2 815 m。設(shè)計井深7 035 m。旋沖應(yīng)用井段為6 151.65～6 912 m，地層為奧陶系桑塔木組、良里塔格組、恰爾巴克組。地層巖性主要為灰色泥巖、灰?guī)r、灰質(zhì)泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r、棕紅色泥巖。鉆具組合為：?215.9 mm FX65D+YSC-178射流沖擊器+單 流 閥+411×4A10+?163 mmDC×2根+?215 mm扶正器+?163 mmDC×19根+4A11×410+?127 mmHWDP×6根+?127 mmDP。

鉆井參數(shù)：鉆壓 30～80 kN，轉(zhuǎn)速 65～70 r/min，排量 26～28 L/s。鉆井液性能：1.35 g/cm3，黏度 57 s，含砂量＜0.2%。沖擊器入井井深為6 151.65 m。起鉆井深為6 912 m，因三開中完起鉆。旋沖鉆井上返巖屑顆粒較常規(guī)鉆井上返巖屑顆粒粒徑大，說明了旋沖鉆井有利于巖屑錄井，便于鑒別分析巖性，是地面實時判斷沖擊器是否正常工作的一個重要依據(jù)。

鉆進(jìn)至6 555 m進(jìn)行測斜，測斜點為6 550 m，測斜結(jié)果：井斜0.76°，方位為20.4°，溫度為122.78℃。測斜結(jié)果符合設(shè)計要求，說明旋沖鉆井在提高機械鉆速同時，可以保證井斜控制要求。

沖擊器使用井段6 151.65～6 912 m，鉆頭總進(jìn)尺760.35 m，總計入井時間351 h，純鉆時273.7 h，循環(huán)33 h；其中沖擊器正常工作井段為6 151.65～6 522 m，旋沖鉆井進(jìn)尺370.35 m，純鉆時113.1 h。沖擊器本體及鉆頭出井后保持完好，鉆頭新度為90%，可繼續(xù)使用。

TP324井旋沖鉆進(jìn)井段鉆速與上部井段、下部井段及鄰井相應(yīng)井段對比情況見表2。

表2 TP324井與鄰井及鄰井段鉆進(jìn)效果對比

綜合以上對比分析，可以看出，TP324旋沖鉆井井段平均機械鉆速較上部鄰井段提高35.7%，較下部鄰井段提高34.5%，與鄰井TP311、TP313H同井段平均機械鉆速相比分別提高32.9%、45.3%。

4 結(jié)論

（1）YSC-178射流沖擊器可應(yīng)用于6 000 m以深超深井鉆進(jìn)，工作可靠，為塔河工區(qū)深部地層提速提供了新的途徑。

（2）采用射流沖擊器在塔河奧陶系地層中進(jìn)行旋沖鉆進(jìn)，提速效果良好，與同井上下井段及鄰井相同井段相比提速32%～45%。

（3）旋沖鉆井鉆進(jìn)方式巖屑顆粒較大，有利于巖屑錄井。

（4）射流沖擊器配合PDC鉆頭使用，其有效工作壽命與PDC鉆頭使用壽命還不匹配，有必要進(jìn)行大幅度提高沖擊器工作壽命深入研究。

［1］ 馬清明，王瑞和.PDC切削齒破巖受力的試驗研究［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，30（2）：45-47.

［2］ 蔣宏偉，劉永盛，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）：13-15.

［3］ 陳志學(xué)，于文華，朱進(jìn)祖，等.液動沖擊鉆井技術(shù)在青西地區(qū)的試驗與應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2006，28（5）：19-21.

［4］ 張曉東，易發(fā)全，張強，等. PDC鉆頭與巖石相互作用規(guī)律試驗研究［J］. 江漢石油學(xué)院學(xué)報，2003，25（S1）：64-65 .

［5］ 黃志強，范永濤，魏振強，等. 沖旋鉆頭破巖機理仿真研究［J］. 西南石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，32（1） ：148-150.

［6］ 陶興華，張建龍，曾義金.石油旋沖鉆井技術(shù)研究及應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，1998，20（2）：27-30.

［7］ 屠厚澤，高森.巖石破碎學(xué)［M］.北京：地質(zhì)出版社，1990.

［8］ 陶興華.提高深井鉆井速度的有效技術(shù)方法［J］.石油鉆采工藝，2001，23（5）：4-8.

［9］ 索忠偉，曾義金，王治剛，等.基于虛擬儀器檢測系統(tǒng)測射流沖擊器性能參數(shù)［J］.石油機械，2008，36（8）：16-19.

［10］ 劉德順，李夕兵.沖擊機械系統(tǒng)的波動力學(xué)研究［J］.機械工程學(xué)報，1997，33（4）：104-106.

［11］ 陶興華.沖擊回轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向［J］.鉆采工藝，1996，19（1）：10-12.

（修改稿收到日期 2013-06-11）

Application of rotary percussion drilling on the super deep section in Tahe Field

SUO Zhongwei1, WANG Jiachang1, ZHANG Haiping1, LI Guangguo2, ZHANG Renlong1, JING Huiyang3
（1. SINOPEC Petroleum Engineering and Technology Research Institute,Beijing100101,China;
2. Drilling Company,EastChina Petroleum Administration Bureau,Zhenjiang212003,China;3. Tianjin Design Research Institute,CNPC Pipe Administration Bureau,Tanggu300457,China）

To improve the Rate Of Penetration(ROP) for drilling deep formations in Tahe Field, rotary percussion drilling technique was tested. According to the lithologic features and drilling bit type selection in the region, the fixed bit was selected, and the structural properties of jet impactor were optimized and fixed. The improved jet impactor was firstly put into usage in the super deep section of Well S116-3, combined with PDC bit, proving the feasibility of jet impactor+PDC bit, and the depth reached 6 086 m. As following,it was field applied on Well TP324, which realized the real application of the combination of jet impactor and PDC bit. As a result, the application depth range of Well S116-3 was 5 998.41～6 086 m, and it was 6 151.65～6 912 m for Well TP324, so the total penetration was 848.16 m. The total net drilling period was 314.02, and the ROP was increased by 32%～45%. The application on the two wells proved the effect and reliability of the technique in deep and super deep wells. It supplied novel way to develop Tahe deep formation.

rotary percussion drilling; jet impactor; PDC bit; super deep well

索忠偉，王甲昌，張海平，等. 旋沖鉆井在塔河工區(qū)超深井段的應(yīng)用［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（4）：44-46.

TE249

：A

1000–7393（2013） 04–0044–03

攻關(guān)項目：中國石油化工股份有限公司項目“新疆塔河工區(qū)YSC-178沖擊器推廣應(yīng)用”（編號：SG11044）。

索忠偉，1970年生。1994年畢業(yè)于長春地質(zhì)學(xué)院勘察工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事鉆井工程科研工作，博士，高級工程師。電話：010-84988125。E-mail：suozhongwei123@163.com。

〔編輯 薛改珍〕