索忠偉，尹慧博，張海平，白彬珍，陳 卓

(1．中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101;2．吉林大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130012)

0 引言

在油氣勘探開(kāi)發(fā)中，鉆井是必不可少的基本環(huán)節(jié)。旋沖鉆進(jìn)技術(shù)是當(dāng)前解決硬巖鉆進(jìn)難題最有效的技術(shù)方法之一，其與普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)相比能夠提高鉆進(jìn)效率30%以上。旋沖鉆井技術(shù)是傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)鉆井與沖擊鉆井相結(jié)合的一種鉆井方法。就是在旋轉(zhuǎn)鉆井的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)沖擊器產(chǎn)生的高頻沖擊作用，通過(guò)鉆頭把周期性的沖擊載荷作用在地層上，實(shí)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(guò)程中施加了高頻的沖擊載荷，使巖石形成體積破碎，從而提高了鉆井速度［1～3］。實(shí)現(xiàn)旋沖鉆井的主要工具是液動(dòng)沖擊器，它是一種以鉆井液為動(dòng)力，直接在鉆頭上施加沖擊能，實(shí)現(xiàn)沖擊載荷與靜壓旋轉(zhuǎn)聯(lián)合破巖的工具［4］。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、啟動(dòng)靈活、工作穩(wěn)定、沖擊載荷可調(diào)可控、循環(huán)壓降較小(2 MPa左右)等特點(diǎn)，其井下工作壽命一般在100 h以上，不工作時(shí)相當(dāng)于一根短鉆鋌，可轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)盤鉆井繼續(xù)鉆進(jìn)［5，6］。

意1井位于內(nèi)蒙古烏拉特后旗烏力吉蘇木西南約3.7 km，預(yù)探蘇一底部構(gòu)造圈閉、巴二上部和巴一頂部巖性圈閉含油氣情況，兼探蘇二上部構(gòu)造圈閉含油氣情況;了解蘇二上部、蘇一下部、巴二上部、巴一頂部?jī)?chǔ)層發(fā)育情況。該井鉆進(jìn)到3000 m后，鉆時(shí)持續(xù)變慢，國(guó)產(chǎn)鉆頭使用壽命較短，一般在40 h左右。采用進(jìn)口鉆頭，鉆頭壽命提高，但鉆時(shí)仍然很慢，在這種情況下，引進(jìn)了旋沖鉆井技術(shù)。

1 沖擊器結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)確定

選用YSC－178型射流沖擊器，射流沖擊器由射流元件、缸體組件、沖錘、砧子、八方套及外筒等主要部件組成。其工作原理為:依據(jù)射流附壁作用，當(dāng)高速流體流經(jīng)射流元件時(shí)產(chǎn)生有規(guī)律的附壁切換，使缸體中的活塞帶動(dòng)沖錘產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)，造成對(duì)砧子的高頻沖擊作用，砧子將該沖擊能量傳遞給鉆頭，提高鉆進(jìn)效率。沖擊功過(guò)小，提速效果不明顯，沖擊功過(guò)大，會(huì)加速鉆頭的磨損，甚至?xí)a(chǎn)生崩齒。因此，合理的確定沖擊器結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)有利于旋沖鉆井提速和井下安全。通過(guò)臺(tái)架性能測(cè)試得出了沖擊器結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)應(yīng)用井段的地層特點(diǎn)及配套鉆頭類型優(yōu)選出沖擊器性能參數(shù)。

根據(jù)地質(zhì)設(shè)計(jì)及上部井段實(shí)鉆資料，沖擊器鉆進(jìn)井段為巴音戈壁組二段，該地層巖性以泥巖為主，現(xiàn)場(chǎng)泥漿泵排量在25～28 L/s，考慮到?jīng)_擊器破巖效果和對(duì)鉆頭的影響，沖擊器沖擊功確定在140～264 J，沖擊器頻率確定在10～14 Hz之間。確定沖擊器結(jié)構(gòu)參數(shù)為:外徑178 mm，長(zhǎng)2480 mm，上接頭扣型410，下接頭扣型430;其性能參數(shù)為:排量25～28 L/s，沖擊功140 ～264 J，沖擊頻率10 ～14 Hz，沖擊器壓耗1～3 MPa，分流孔9 mm×2，錘重63 kg，行程55 mm。

2 旋沖鉆井技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

按照施工方案確定的旋沖鉆井參數(shù)，在意1井巴音戈壁組巴二段3675～3817 m井段應(yīng)用了旋沖鉆井技術(shù)提速，使用的鉆頭為HF637GHM牙輪鉆頭(見(jiàn)圖1)。

圖1 新鉆頭

2．1 沖擊器的鉆臺(tái)試沖

通過(guò)鉆臺(tái)試沖檢驗(yàn)沖擊器工作的穩(wěn)定性。沖擊器上接一柱加重鉆桿，同時(shí)與方鉆桿接好，下接測(cè)試接頭，同時(shí)接好回水管線，將測(cè)試接頭坐穩(wěn)在轉(zhuǎn)盤上。開(kāi)泵，記錄沖擊器開(kāi)始工作時(shí)的排量，此排量為沖擊器啟動(dòng)排量。逐漸提高排量，檢驗(yàn)沖擊器在不同排量下的工作情況，同時(shí)記錄其對(duì)應(yīng)排量下的泵壓值。表1為沖擊器鉆臺(tái)試沖數(shù)據(jù)。

表1 沖擊器鉆臺(tái)試沖數(shù)據(jù)記錄

鉆臺(tái)試沖結(jié)果表明:當(dāng)排量12 L/s時(shí)，沖擊器正常啟動(dòng)，隨著排量的提高，沖擊器沖擊頻率和沖擊功相應(yīng)增大，試沖表明沖擊工作正常，可以入井。

2．2 旋沖鉆井的鉆進(jìn)情況

本次共計(jì)應(yīng)用2套沖擊器進(jìn)行了2井次的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

2．2．1 第一套沖擊器的應(yīng)用情況

第一套沖擊器應(yīng)用井段為3675～3753 m，鉆遇地層巖性為灰色和暗紫色泥巖。鉆井參數(shù)為:鉆壓160～180 kN，轉(zhuǎn)數(shù)60～75 r/min，排量25～28 L/s;泥漿主要參數(shù):密度1.35 g/cm3，粘度84～134 s，pH值10。沖擊器入井工作128 h，純鉆101 h，進(jìn)尺78 m，平均機(jī)械鉆速0.77 m/h。

起鉆原因:

(1)鉆頭達(dá)到了正常鉆井情況下的使用壽命;

(2)避免鉆頭掉齒，保持井底清潔。

旋沖鉆井第一趟起出井鉆頭情況見(jiàn)圖2。鉆頭2號(hào)輪第二圈牙齒有崩齒，與前面轉(zhuǎn)盤鉆井鉆頭崩齒情況相同(地層含礫造成)，其他牙輪牙齒情況基本完好。

圖2 第一趟鉆出井鉆頭

2．2．2 第二套沖擊器的應(yīng)用情況

第二套沖擊器應(yīng)用井段為3753～3817 m，地層巖性為灰色和暗紫色泥巖。鉆井參數(shù):鉆壓160～180 kN，轉(zhuǎn)數(shù)60～75 r/min，排量 25～28 L/s;泥漿主要參數(shù):密度1.35 g/cm3，粘度84～134 s，pH 值10。沖擊器入井工作時(shí)間118 h，純鉆時(shí)間84 h，進(jìn)尺64 m，平均機(jī)械鉆速0.76 m/h。

起鉆原因:

(1)鉆速下降明顯，最后1 m鉆時(shí)達(dá)到122 min;

(2)鉆頭達(dá)到了正常鉆井情況下的使用壽命。

旋沖鉆井第二趟起出井鉆頭情況見(jiàn)圖3。鉆頭第二排齒崩齒較多，第二趟鉆地層含礫增多，有跳鉆現(xiàn)象，加劇了鉆頭的崩齒。

圖3 第二趟鉆出井鉆頭

2套沖擊器入井工作時(shí)間共計(jì)246 h，井下純鉆時(shí)間共計(jì)185 h，總進(jìn)尺142 m。

3 旋沖鉆井技術(shù)提速效果分析

3．1 鉆頭使用壽命和機(jī)械鉆速

對(duì)比了采用旋沖鉆井技術(shù)和轉(zhuǎn)盤鉆井鉆頭使用壽命及機(jī)械鉆速，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 旋沖鉆井與轉(zhuǎn)盤鉆井鉆頭壽命及鉆速對(duì)比

從表2可以看出，意1井使用的HF637GHM鉆頭機(jī)械鉆速總體偏低，隨著井深的增加，機(jī)械鉆速也逐漸變慢。嘗試了休斯牙輪鉆頭，鉆頭壽命提高，但鉆時(shí)更慢。

使用旋沖鉆井技術(shù)，提速效果顯著:

(1)在相近地層情況下，旋沖鉆井平均機(jī)械鉆速較上部相鄰井段使用休斯牙輪鉆頭平均機(jī)械鉆速提高42%，較下部相鄰井段提高20%;

(2)應(yīng)用旋沖鉆井2趟鉆進(jìn)尺142 m，比相鄰井段使用同型號(hào)鉆頭轉(zhuǎn)盤鉆井4趟鉆進(jìn)尺132 m多10 m，節(jié)省2趟鉆的時(shí)間，節(jié)約2只鉆頭。

3．2 經(jīng)濟(jì)效果

在使用相同型號(hào)鉆頭情況下，應(yīng)用旋沖鉆井2趟鉆進(jìn)尺142 m，而常規(guī)鉆井4趟鉆進(jìn)尺132 m，少用2個(gè)鉆頭，節(jié)約9萬(wàn)元，少下2趟鉆，節(jié)省輔助時(shí)間2天，節(jié)約20萬(wàn)元。應(yīng)用旋沖鉆井技術(shù)取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和綜合效果。

3．3 綜合提速提效分析

表3列舉了旋沖鉆井與轉(zhuǎn)盤鉆井相鄰井段鉆井參數(shù)。從表3可見(jiàn)，旋沖鉆井鉆壓和轉(zhuǎn)速較常規(guī)鉆井低，旋沖鉆井主要是靠沖擊動(dòng)載破巖，這有利于減少對(duì)鉆頭的磨損和疲勞破壞，進(jìn)而延長(zhǎng)鉆頭的使用壽命。轉(zhuǎn)速選擇較低，是根據(jù)地層情況和沖擊器的破巖效果綜合考慮。轉(zhuǎn)速越低鉆頭的磨損也會(huì)相應(yīng)減少。因此，提高了鉆井的破巖效率，相同地層、同型號(hào)鉆頭情況下，應(yīng)用旋沖鉆井技術(shù)單只鉆頭進(jìn)尺較常規(guī)鉆井提高97%。

表3 旋沖鉆井與轉(zhuǎn)盤鉆井相鄰井段鉆井參數(shù)對(duì)比

4 沖擊器井下工作壽命分析

2套沖擊器出井后，第一套沖擊器出井為節(jié)省時(shí)間未進(jìn)行鉆臺(tái)試沖?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)束后拆開(kāi)分析，內(nèi)部活塞有表面磨損，活塞上端面及沖錘錘頭有明顯的打擊痕跡，變形一方面可以反映沖擊器在井下長(zhǎng)時(shí)間的工作情況，另一方面也反映了工具在材料和加工工藝等方面仍需要繼續(xù)改進(jìn)?；钊隙伺c沖錘下端產(chǎn)生較小的變形不會(huì)影響工具的性能參數(shù)，但若變形量較大，則行程增大，沖擊功增大，沖擊頻率減小，將偏離原設(shè)計(jì)的性能參數(shù)。工具也隨之加速磨損，壽命降低，甚至?xí)斐蓪?duì)鉆頭的破壞。因此，活塞和沖錘的加工材料、加工工藝尚需進(jìn)一步改進(jìn)。

第二套沖擊器起鉆后進(jìn)行了鉆臺(tái)試沖，試沖結(jié)果:當(dāng)排量提至18 L/s，沖擊器啟動(dòng)，啟動(dòng)排量增大，工作頻率較入井前鉆臺(tái)試沖明顯降低。起鉆后鉆臺(tái)試沖證明，沖擊器起鉆前在井下仍正常工作。工具拆開(kāi)后，沖擊器內(nèi)部零件的使用情況與第一套情況基本相同。兩套射流沖擊器本體完好，均可以繼續(xù)使用。證明工具在該區(qū)塊配合牙輪鉆頭壽命是匹配的。

5 結(jié)論

(1)2套沖擊器使用壽命均達(dá)到了100 h以上，旋沖鉆井機(jī)械鉆速比常規(guī)鉆井機(jī)械鉆速高42%;

(2)旋沖鉆井應(yīng)用井段，泥漿粘度在84～134 s，驗(yàn)證了射流沖擊器對(duì)泥漿粘度良好的適應(yīng)性;

(3)在中硬地層中，通過(guò)采用合理的旋沖鉆井參數(shù)，有利于保護(hù)鉆頭，延長(zhǎng)鉆頭的使用壽命，降低鉆井成本;

(4)意1井的應(yīng)用實(shí)踐證明，旋沖鉆井技術(shù)在白音查干區(qū)塊提速效果顯著，具有繼續(xù)推廣應(yīng)用的價(jià)值。

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