摘 要：中石化東北油氣分公司梨樹斷陷區(qū)塊在營城組、沙河組、火石嶺地層可鉆性差、巖性較致密、局部含礫嚴重，并且沙河子組局部層位巖石硬度達到7級，采用常規(guī)鉆井技術(shù)，存在的問題牙輪鉆頭效率低，壽命短；各種型號PDC鉆頭試用后效果不理想，通過采用旋沖鉆井技術(shù)平均機械鉆速提高了3.25倍；鉆井周期縮短，鉆井綜合成本大大降低。旋沖鉆井技術(shù)是在常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆井的基礎(chǔ)上，在鉆頭上方連接液動射流式?jīng)_擊器，在常規(guī)旋轉(zhuǎn)破巖的同時，沖擊器內(nèi)的沖錘對鉆頭施加高頻沖擊，通過沖擊作用對鉆頭齒下巖石造成強應(yīng)力集中，使巖石塑性降低，脆性增加，并迅速產(chǎn)生脆性破壞坑力，提高了破巖效率。

關(guān)鍵詞：鉆井 液動沖擊器 巖石力學(xué) 應(yīng)用效果 施工要點

中圖分類號：TE22 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（a）-0052-02

梨樹斷陷位于吉林省公主嶺市松遼盆地南部東南隆起區(qū)，地層自上而下為第四系，白堊系上統(tǒng)青山口組，白堊系下統(tǒng)泉頭組、登婁庫組、營城組、沙河子組；中國石化在該區(qū)擁有礦權(quán)面積1835.91 km2，油氣資源當量3.55億t，已探明油氣當量7383.68萬t，占東北分公司總探明儲量的46%，具有重要的資源戰(zhàn)略地位。但由于該區(qū)塊登婁庫組及以下地層鉆井效率較低，鉆井周期較長；鉆井成本較高，并且直接影響建產(chǎn)進度，在本區(qū)塊開展旋沖鉆井技術(shù)提速提效勢在必行。

1 射流式液動沖擊器工藝特點

國內(nèi)外理論研究與實踐已經(jīng)證明，使用合理的沖擊器參數(shù)，在適宜的沖擊振動作用下，可以有效地消除井底鉆頭及鉆具的有害粘滑振動，極大地改善鉆頭工作狀態(tài)，使PDC鉆頭由切削巖石為主轉(zhuǎn)變?yōu)榍邢?沖擊破碎，從而在泥漿循環(huán)介質(zhì)條件下發(fā)揮PDC鉆頭優(yōu)勢，減少起下鉆次數(shù)降低鉆井成本，縮短鉆井周期。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)，能夠滿足配合牙輪和PDC鉆頭進行沖擊鉆井。

當采用沖擊回轉(zhuǎn)鉆進時，巖石受到鉆壓的作用，切屑刃將巖石表面局部壓碎，使破碎部分處于緊張的預(yù)壓應(yīng)力狀態(tài)，當受到來自液力沖擊器的周期性沖擊能量時，巖石強度降低（減小50～80%）、脆性增加（實驗表明 沖擊速度大于30 m/s時，巖石硬度和屈服極限影響顯著）。高頻脈沖使巖石顆粒處于震蕩狀態(tài)，此時巖石顆粒間以及原有細微裂隙處產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂紋沿結(jié)構(gòu)顆粒間擴張形成界間開裂而破碎。硬質(zhì)合金鉆頭鉆進脆性的堅硬巖石，利用沖擊動載破巖時，驟加的沖擊力使局部應(yīng)力集中，應(yīng)力還來不及重新分配就達到巖石的極限強度值，發(fā)生脆性破碎，沿硬地層面“打滑”效應(yīng)降低，因此更加容易被破碎，也有利于減弱井斜趨勢。

2 射流式液動沖擊器結(jié)構(gòu)性能參數(shù)

依據(jù)東北地區(qū)地層巖性分析，結(jié)合配套沖擊器PDC鉆頭特性，確定沖擊器輸出的沖擊力合理值為40～80kN，結(jié)合井眼直徑排量范圍（一般為26～30 L/s），通過對比分析結(jié)果，綜合考慮縮短行程對換向穩(wěn)定性的影響，選擇沖擊器活塞行程為15 mm、錘重45 kg、分流孔直徑為φ13 mm。根據(jù)下部地層硬度分級、抗壓強度，同時依據(jù)鉆頭的抗沖擊性能，確定沖擊器結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)如下表1所示。

鉆具組合如下：φ215.9 mm牙輪/PDC+YSC-178射流沖擊器+單流閥+411x4A10+φ158.8 mmDCx2根+φ215 mm扶正器+φ158.8 mmDCx19根+4A11*410+φ127 mmHWDPx6根+φ127DP+φ139.7 mmDP，射流式?jīng)_擊器配套工具及配件如表2所示。

在旋沖鉆井過程中，隨轉(zhuǎn)速增加破巖效率提高，但受地面設(shè)備和井下工具限制，轉(zhuǎn)速一般選擇60～90r/min。排量決定著沖擊器的沖擊功和沖擊頻率，隨著泵排量Q的增加，沖擊頻率f和沖擊功W均增加，破巖效率和機械鉆速相應(yīng)增加，推薦旋沖鉆井工藝參數(shù)如表3。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

在十屋337井在進入營城組以后采用常規(guī)鉆進工藝連續(xù)優(yōu)選試驗了3支PDC鉆頭，使用效果都不理想。為提高機械鉆速，在2682～3475 m井段采用旋沖鉆井技術(shù)。旋沖鉆井技術(shù)在十屋337井該井段應(yīng)用2套Φ165 mm射流沖擊器，2支U513M鉆頭，先后入井4次，具體情況見表4。

鉆具組合：215.9 mmPDC鉆頭（U513M）+射流沖擊器+配合接頭+161 mm無磁鉆鋌*1根+165mm鉆鋌*1根+212 mm扶正器+165 mm鉆鋌*14根+配合接頭+127 mm加重鉆桿*9根+127 mm鉆桿+139.7 mm鉆桿；鉆井參數(shù)：鉆壓4～14 t；轉(zhuǎn)速40～70 rpm；排量26～27 L/s；立壓20～21 MPa。沖擊器入井使用后，扭矩平穩(wěn)，有效克服了鉆井過程中的“粘滑”現(xiàn)象。增強了鉆頭的使用壽命，平均單只進尺達356.43 m。與PDC+螺桿復(fù)合鉆井相比，鉆進參數(shù)得到了強化，在Φ215.9 mm井眼中鉆壓達到了12～14 t，突破了常規(guī)PDC鉆頭不能加載高鉆壓的局限性。機械鉆速提高顯著，平均機械鉆速達3.02 m/h，與本井之前常規(guī)鉆進使用的PDC鉆頭相比，機械鉆速提高185%。與鄰井相同區(qū)塊、相同井段4口井相比，營城組機械鉆速平均提高150%，沙河子組機械鉆速平均提高70%。

4 施工要點

4.1 入井前的井眼準備及要求

（1）旋沖鉆井前要認真分析前一只鉆頭使用情況，確保井徑規(guī)則無縮徑、井底干凈、無落物，否則要通井處理。

（2）通井過程中注意摩阻變化，對易遇阻卡井段應(yīng)重復(fù)仔細劃眼，待上提下放無阻后方可通過，起鉆后仔細觀察鉆頭及扶正器磨損情況。

（3）校準綜合錄井參數(shù)儀，保持其在旋沖鉆井過程中處于良好工作狀態(tài)，并根據(jù)參數(shù)變化及時修正。

（4）在立管、泥漿泵上、排水安裝合適的濾網(wǎng)，定期檢查并清洗。endprint

4.2 鉆臺啟動試驗

（1）旋沖鉆井工具由旋沖鉆井工程師親自在現(xiàn)場指導(dǎo)組裝和地面測試。嚴格控制旋沖鉆具上扣扭矩。旋沖鉆具入井前在井口以小排量（正常鉆進排量的60%以內(nèi)）進行啟動試驗，并記錄立管壓力和排量。

（2）鉆具組合：方鉆桿+沖擊器+測試接頭+排漿管線。

（3）將沖擊器外缸、中接頭、外管、八方、砧子、測試接頭之間的絲扣大鉗上緊。

（4）將測試接頭連接排漿管線，并將排漿管線固定好。利用大鉤和方鉆桿的自重壓住沖擊器，確保試沖時沖擊器活接頭保持關(guān)閉。

（5）開泵，排量自10 L/s提高到18 L/s，觀察沖擊器工作情況。

（6）待沖擊器正常工作3～5 min，停泵，拆掉測試接頭，接上鉆頭準備入井。

4.3 下井操作技術(shù)要求

（1）在沖擊器入井前一趟鉆，起鉆前充分循環(huán)，確保井底干凈。

（2）開泵對泥漿池中的泥漿進行充分的循環(huán)，直至泥漿性能和正常鉆進時性能一致，開泵循環(huán)前，確認鉆桿濾清器已安裝到位。

（3）全程使用鉆桿濾清器，以防旋沖鉆具和鉆頭水眼堵塞。

（4）下鉆每25～30柱，向鉆具內(nèi)灌滿泥漿一次，灌漿要小排量（小于正常排量的60%）。

（5）按常規(guī)下鉆方式下鉆，下鉆時防止6 mm以上大顆粒石塊或堵漏材料等雜物帶入鉆具內(nèi)。沖擊器上下鉆臺必需操作平穩(wěn)，嚴防強烈碰撞。

（6）下鉆遇阻不超過50 kN，上下活動鉆具無效時，應(yīng)開單泵循環(huán)，慢慢劃眼通過，不得強下，盡量避免用鉆頭劃眼。

（7）下鉆至距井底5 m時開泵循環(huán)。

4.4 鉆進技術(shù)要點

（1）鉆頭距井底5.0 m 時開泵循環(huán)，井口有鉆井液返出時緩慢下放鉆具，清洗井底，以小鉆壓（10～40 kN）進行井底造型0.3～0.5 m，逐漸將排量開到設(shè)計值，司鉆可根據(jù)鉆時及扭矩變化在一定范圍內(nèi)調(diào)整鉆壓，使機械鉆速達到最高；

（2）正常鉆進時，送鉆要均勻，嚴防溜鉆，及時調(diào)整參數(shù)，時刻注意鉆壓、泵壓、鉆時及扭矩的變化情況，準確判斷鉆頭工作情況；

（3）鉆進中需停泵時，應(yīng)先上提鉆具不少于6 m，以防巖屑下沉而卡住鉆頭或旋沖鉆具。鉆壓和排量可以在安全的操作限度內(nèi)逐步增大，直到獲得最佳機械鉆速。旋沖鉆井工程師將提供最佳鉆井參數(shù)，正常鉆進中應(yīng)保持排量的穩(wěn)定；

（4）正常鉆進中，嚴格監(jiān)視泵壓、巖屑的變化，記錄井深、地層、鉆壓、轉(zhuǎn)速、排量和鉆時等資料；

（5）記錄試驗井段鉆速資料，與同地層上、下井段鉆速及鄰井相同巖性地層鉆速對比分析，為合理分析旋沖鉆井效果提供依據(jù)；

（6）旋沖鉆進時，泵壓較旋轉(zhuǎn)鉆進高2～4 MPa屬正常，若突然升高或降低較多應(yīng)根據(jù)具體情況決定是否起鉆。

4.5 起鉆操作要求

（1）當需換鉆頭、鉆達設(shè)計井深或者其他原因的起鉆，如果在裸眼段起鉆遇阻，應(yīng)該馬上下放，然后再慢慢上提。如果遇阻上提拉力仍增加，應(yīng)再次慢慢下放鉆具，并接上方鉆桿或者頂驅(qū)開泵慢慢倒劃眼；

（2）起鉆后，用高壓清水沖洗沖擊器內(nèi)部流道，直至清水流出，松開沖擊器所有絲扣，卸下沖擊器；

（3）將上接頭與外缸、外缸與中接頭卸開，拆開沖錘、活塞、缸體及射流元件，檢查缸體密封（側(cè)、端面）壓蓋密封，檢查元件噴嘴，控制道，看是否有堵塞、損壞等，如損壞需更換；

（4）卸開下接頭及八方套，打開砧子，檢查滑動密封；

（5）沖洗沖擊器各部件，所有絲扣和配合部分擦拭干凈，涂抹潤滑脂或其它常用防銹劑，然后重新組裝備。

5 結(jié)論

（1）旋沖鉆井技術(shù)能夠在研磨性強、巖石硬度較高地層提高機械鉆速；

（2）旋沖鉆井技術(shù)工藝結(jié)構(gòu)簡單，只需要在鉆頭上安裝一個高頻液動沖擊器，不需要增加其他任何配套設(shè)備，實用性可操作性較強；

（3）旋沖鉆井技術(shù)在梨樹斷陷火山巖成功應(yīng)用，為火山巖鉆井提速提供了有力保障，為中石化在深層火山巖儲層勘探開發(fā)建產(chǎn)提供支撐。

參考文獻

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