程言東 辛建華

中石化華東石油工程有限公司六普鉆井分公司 江蘇鎮(zhèn)江 212003

旋沖鉆井在塔河工區(qū)深部硬地層的應(yīng)用

程言東 辛建華

中石化華東石油工程有限公司六普鉆井分公司 江蘇鎮(zhèn)江 212003

本文針對(duì)塔河油田油層埋藏深，地層硬，特別215．9mm井眼，機(jī)械鉆速低問(wèn)題，在旋沖鉆井技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，對(duì)旋沖鉆井破巖機(jī)理進(jìn)行了描述，分析了鉆壓、轉(zhuǎn)速、排量對(duì)沖擊功、沖擊頻率的影響，闡述了旋沖鉆井工具的工作機(jī)理，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試，確定了射流沖擊器性能參數(shù)，進(jìn)行了射流沖擊器配套PDC鉆頭優(yōu)選。突破性地應(yīng)用射流沖擊器與PDC鉆頭結(jié)合使用，為塔河油田深井鉆井提速、提效提供了一種行之有效、安全可靠的鉆井新工藝。

深井；射流沖擊器；PDC鉆頭

目前，塔河工區(qū)油層埋藏深，井深普遍超過(guò)6000m，穿越多套地層，巖性變化頻繁，砂礫巖地層對(duì)鉆頭損傷大，全井裸眼段長(zhǎng)，4500m以深井段機(jī)械鉆速低等難點(diǎn)。從該工區(qū)鉆井施現(xiàn)況看，φ215.9mm井段地層較為難打，該井段地層的地層硬度達(dá)IADC4-7，巖石抗壓強(qiáng)度：34-200MPa，變化范圍較大，且地層軟硬交錯(cuò)頻繁，鉆頭在這種巖石中破碎起來(lái)非常困難，因此該井段的平均機(jī)械鉆速較低、在整個(gè)鉆井周期中占據(jù)時(shí)間最長(zhǎng)，有較大的提速空間。

1.旋沖鉆井技術(shù)簡(jiǎn)介

隨著石油鉆井技術(shù)的日益發(fā)展，勘探區(qū)域的不斷擴(kuò)大；井愈來(lái)愈深，地層年代愈來(lái)愈久遠(yuǎn)，巖石愈來(lái)愈硬，傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)鉆井方法愈來(lái)愈不能滿足高速鉆井的需要。在這種形勢(shì)下，一種新型的鉆井技術(shù)--旋沖鉆井工藝技術(shù)誕生并發(fā)展起來(lái)了。在旋沖鉆井中，鉆頭在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)通過(guò)沖擊器對(duì)巖石產(chǎn)生高頻動(dòng)載沖擊波，可有效提高破巖能力。

實(shí)現(xiàn)旋沖鉆井技術(shù)的核心工具是液動(dòng)射流式?jīng)_擊器。射流式液動(dòng)沖擊器是以鉆井液為工作介質(zhì)，通過(guò)沖擊器的射流元件產(chǎn)生按一定頻率變化的射流，形成沖擊器腔體內(nèi)不同部位的壓力變化從而推動(dòng)活塞與沖錘上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將流體能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能量，并在鉆頭上施加沖擊能，從而實(shí)現(xiàn)沖擊與旋轉(zhuǎn)聯(lián)合破巖的工具。目前，中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院已成功研制了YSC-178型液動(dòng)射流式?jīng)_擊器，這種沖擊器不影響鉆井液的正常循環(huán)、工作性能穩(wěn)定且沖擊載荷可調(diào)可控，且循環(huán)壓差較小（1-2Mpa），使用壽命較長(zhǎng)（100小時(shí)以上），不工作時(shí)相當(dāng)于一根短鉆鋌，可繼續(xù)鉆進(jìn)，滿足井下安全需要。不改變?cè)@具結(jié)構(gòu)，可與井下動(dòng)力鉆具結(jié)合使用，特別對(duì)于深井硬脆性地層，提速效果明顯。

2.塔河油田旋沖沖擊器結(jié)構(gòu)性能參數(shù)確定及PDC鉆頭選型

塔河地區(qū)石炭系-奧陶系地層φ215.9mm井段地層較為難打，該井段地層的地層硬度達(dá)IADC4-7，巖石抗壓強(qiáng)度：34-200MPa，變化范圍較大，且地層軟硬交錯(cuò)頻繁，鉆頭在這種巖石中破碎起來(lái)非常困難，平均機(jī)械鉆速僅2m/h左右。

綜合考慮塔河油田沙雅區(qū)塊、托普臺(tái)區(qū)塊地層特點(diǎn)和PDC鉆頭的地層適應(yīng)性，結(jié)合本區(qū)塊鉆井實(shí)踐，對(duì)于石炭系及石炭系以下地層以壓實(shí)性好的泥巖、灰?guī)r為主，可鉆性相對(duì)較差，推薦選擇FX65DX3的PDC鉆頭，并采用雙排齒設(shè)計(jì)，可有效降低載荷波動(dòng)范圍，進(jìn)一步提高鉆頭使用安全。

3.旋沖沖擊器+PDC鉆頭在塔河油田S116-3井、TP328X井的應(yīng)用

3.1 S116-3井應(yīng)用情況

S116-3井在庫(kù)車縣境內(nèi)，該井設(shè)計(jì)井深6295m，為沙雅隆起阿克庫(kù)勒凸起南斜坡帶布置的一口評(píng)價(jià)井，目的層位：奧陶系中-下統(tǒng)鷹山組。因?yàn)樵摼状芜M(jìn)行沖擊器與PDC鉆頭配合應(yīng)用，為了既能保證S116-3井安全生產(chǎn)，又能保證實(shí)驗(yàn)效果，選取該井四開中完前100m井段進(jìn)行試驗(yàn)應(yīng)用，實(shí)際應(yīng)用井段：5998.41-6086m（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。該井試驗(yàn)井段雖短，但由于鉆穿多套地層，取得了較好的試驗(yàn)效果。同時(shí)驗(yàn)證了射流沖擊器與PDC配合應(yīng)用的可行性。旋沖鉆進(jìn)井段鉆速與上部井段、下部井段，鄰井相應(yīng)井段對(duì)比情況見表1。

3.1.1 旋沖鉆進(jìn)鉆具組合

鉆具組合為：215.9mm FX65D+射流沖擊器+配合接頭+161.0mm無(wú)磁鉆鋌*1根+165.0mm鉆鋌*1根+212mm扶正器+165.0mm鉆鋌*14根+配合接頭+127mm加重鉆桿*9根+127mm鉆桿+139.7mm鉆桿

3.1.2旋沖鉆井參數(shù)

鉆井參數(shù)為：鉆壓6t，轉(zhuǎn)速65rpm，排量27L/s，立壓20.5MPa。泥漿性能：密度1.30g/cm3，粘度51s，失水4ml，泥餅厚度0.5ml，含砂量0.1%，PH值9，坂土含量32g/l。

3.2 TP328X井應(yīng)用情況

在S116-3井探索射流沖擊器+PDC應(yīng)用的基礎(chǔ)上繼續(xù)開展了在TP328X井的應(yīng)用。TP328X井旋沖鉆井應(yīng)用井段為5936.06-6025.49m，地層為奧陶系柯平塔格組。地層巖性主要為灰色泥巖與砂巖互層。鉆井參數(shù)：鉆壓6-8t，轉(zhuǎn)速70rpm，排量28-30L/s。泥漿比重為1.35g/cm3，粘度為55s。沖擊器總進(jìn)尺89.43m，總計(jì)入井時(shí)間143h，純鉆30.3h。正常鉆進(jìn)井段（5936-6008m）平均機(jī)械鉆速為4.1m/h，整個(gè)旋沖鉆進(jìn)井段平均機(jī)械鉆速3.12m/h，與上部相鄰井段（2.28m/h）相比機(jī)械鉆速提高36.8%，與最近的鄰井TP19X（2.31m/h）相比機(jī)械鉆速提高35.1%，PDC鉆頭出井仍然完好，新度為90%。再次證明了射流沖擊器配合PDC鉆頭的可行性與安全性。近期將在塔河油田繼續(xù)推廣應(yīng)用。旋沖鉆進(jìn)井段鉆速與上部井段、下部井段，鄰井相應(yīng)井段對(duì)比情況見表2。

表1 S116-3旋沖鉆井機(jī)械鉆速與鄰井機(jī)械鉆速對(duì)比

表2 TP328X井與鄰井及鄰井段鉆進(jìn)效果對(duì)比

PDC鉆頭首次配合YSC-178射流沖擊器的成功使用，拓寬了射流沖擊器的應(yīng)用范圍，為塔河工區(qū)深井、超深井提高機(jī)械鉆速提供了一個(gè)新的技術(shù)手段。

4.結(jié)論

（1）YSC-178射流沖擊器在塔河工區(qū)深井、深超深井的應(yīng)用，表明了該工具工作可靠，使用壽命超過(guò)100小時(shí)以上，同時(shí)能保證井身質(zhì)量；

（2）采用射流沖擊器在塔河奧陶系地層鉆進(jìn)，提速效果良好，與同井上下鄰井段及鄰井相同井段相比提速30%以上；

（3）旋沖鉆井配合PDC鉆頭鉆進(jìn)方式切削的巖屑顆粒較大，有利于巖屑錄井；

（4）還需進(jìn)一步提高射流沖擊器的工作壽命，使其有效工作壽命與PDC鉆頭使用壽命相匹配；

（5）射流沖擊器結(jié)合PDC鉆頭使用還要繼續(xù)探索應(yīng)用，仍需繼續(xù)優(yōu)化鉆頭有較大提速空間，下一步準(zhǔn)備運(yùn)用5刀翼雙排齒PDC鉆頭與沖擊器結(jié)合使用，可獲得更大提速空間。

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程言東，男，江蘇省徐州市人，高工，主要從事石油鉆井技術(shù)研究及應(yīng)用工作。

式中：為鉆柱的抗拉強(qiáng)度，MPa。

正常鉆進(jìn)時(shí)鉆柱的最大彎曲正應(yīng)力為最大剪應(yīng)力為。如若把這兩項(xiàng)應(yīng)力擴(kuò)大n倍(n表示復(fù)合安全系數(shù))，則由和決定的點(diǎn)就應(yīng)該在橢圓范圍內(nèi)(含橢圓邊界)：

因而鉆柱在對(duì)稱循環(huán)彎扭交變應(yīng)力下的疲勞強(qiáng)度條件為：

6.2 不對(duì)稱循環(huán)彎、扭交變應(yīng)力作用下的強(qiáng)度條件

不對(duì)稱循環(huán)狀態(tài)更符合鉆井實(shí)際所處應(yīng)力狀態(tài)，假設(shè)循環(huán)特征值r下，鉆具的彎曲許用持久極限應(yīng)力為：

由第三強(qiáng)度理論，并結(jié)合上式，可推得鉆柱的扭轉(zhuǎn)疲勞極限應(yīng)力具有類似的計(jì)算公式：

式中：r為非對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)特征值；為平均應(yīng)力；σa、τa為應(yīng)力幅；為材料對(duì)應(yīng)力循環(huán)不對(duì)稱性的敏感系數(shù)；為不變載荷許用應(yīng)力，與材料屈服極限和靜載安全系數(shù)有關(guān)。由此，與式14類同，可建立如下的強(qiáng)度條件：

7.結(jié)論

（1）給出了鉆柱任一位置軸向力、剪切應(yīng)力、彎曲應(yīng)力的具體算法；

（2）應(yīng)用經(jīng)典強(qiáng)度理論，將鉆柱各受力等效成當(dāng)量應(yīng)力，可計(jì)算平均應(yīng)力及應(yīng)力幅；

（3）以材料力學(xué)中的復(fù)合交變應(yīng)力理論為基礎(chǔ)，引入機(jī)械學(xué)疲勞強(qiáng)度計(jì)算方法，建立鉆柱疲勞強(qiáng)度系數(shù)計(jì)算模型。

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