胡貴 孟慶昆 王向東 陶冶

中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院

空氣錘在油氣田“防斜打快”應(yīng)用中逐步成熟［1－3］，應(yīng)用范圍從傳統(tǒng)防斜提速開始向定向鉆井發(fā)展［4］。但也還存在鉆遇地層出水，空氣錘易出現(xiàn)輸出功率低或不工作的問題［5］及地層液體倒灌氣缸污染空氣錘問題。國(guó)內(nèi)外曾在泡沫介質(zhì)中應(yīng)用空氣錘鉆進(jìn)［6－7］，但主要限于淺地層，井底壓力較小，對(duì)空氣錘輸出功率影響程度較小。在油氣鉆井行業(yè)，由于井深大，使用霧化或泡沫后井底壓力相對(duì)純氣體高，對(duì)常規(guī)空氣錘輸出功率影響較大，有必要同時(shí)發(fā)展適應(yīng)于氣體（干氣）和霧化或泡沫（濕氣）鉆井介質(zhì)的泡沫錘技術(shù)。為此，筆者主要介紹了泡沫錘的研制背景、結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)以及在現(xiàn)場(chǎng)中的應(yīng)用效果。

1 泡沫錘研制背景

空氣錘在潮濕地層或出水地層鉆進(jìn)時(shí)，容易出現(xiàn)泥包鉆頭鉆具現(xiàn)象，封堵鉆具和井壁之間的環(huán)空，嚴(yán)重時(shí)可直接封堵住氣體通道，致使氣體鉆井無法正常鉆進(jìn)。遇到這種情況，只能轉(zhuǎn)換鉆進(jìn)工藝，根據(jù)出水量采用霧化鉆井、泡沫鉆井、充氣鉆井或鉆井液鉆進(jìn)等，以保證攜巖攜屑。但使用霧化鉆井或泡沫鉆井，常規(guī)空氣錘容易出現(xiàn)以下兩大問題：①輸出功率低或無輸出功率，導(dǎo)致空氣錘機(jī)械鉆速低或無法鉆進(jìn)；②井下液體倒灌空氣錘氣室污染氣缸導(dǎo)致空氣錘失效。

1.1 輸出功率降低

在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中，一旦發(fā)生地層出水，空氣錘首先是每米鉆時(shí)增加，嚴(yán)重時(shí)可出現(xiàn)無進(jìn)尺現(xiàn)象，隨后返出氣體潮濕。出現(xiàn)這種情況，現(xiàn)場(chǎng)一般先循環(huán)干燥，若干燥不成功則轉(zhuǎn)化為霧化或泡沫鉆井。介質(zhì)轉(zhuǎn)換對(duì)空氣錘的輸出功率影響更大，每米鉆時(shí)會(huì)進(jìn)一步降低，直至出現(xiàn)無進(jìn)尺現(xiàn)象。

根據(jù)空氣錘的結(jié)構(gòu)及工作原理［8］可知，實(shí)現(xiàn)其能量交換和轉(zhuǎn)化過程的關(guān)鍵是空氣錘后氣室在充盈的鉆井介質(zhì)時(shí)具有一定的壓縮量，保證活塞位移大于前氣室泄壓所需要的最小距離，實(shí)現(xiàn)前后氣室的能量交換。當(dāng)鉆井介質(zhì)轉(zhuǎn)化為霧化或泡沫后，需在注入氣體中同時(shí)添加一定量的水及發(fā)泡劑，以保證攜巖。當(dāng)注入一定量的液體后，會(huì)導(dǎo)致以下問題：①輸入介質(zhì)的可壓縮性降低，或稱輸入介質(zhì)可壓縮成分的體積分?jǐn)?shù)降低；②環(huán)空中鉆井介質(zhì)當(dāng)量密度提高，空氣錘背壓增加，導(dǎo)致空氣錘后氣室的可壓縮性降低。

本文參考文獻(xiàn)［5］分析了空氣錘在泡沫鉆井介質(zhì)條件下的工作性能，認(rèn)為泡沫介質(zhì)不可壓縮成分等同于減小了后氣室的初始體積，同時(shí)泡沫鉆井時(shí)井底壓力增加會(huì)降低活塞的行程，影響其能量交換過程，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致空氣錘無輸出功率；針對(duì)此問題提出了綜合優(yōu)化后氣室初始體積、優(yōu)化尾管結(jié)構(gòu)尺寸、優(yōu)化動(dòng)力單元間隙的技術(shù)建議。

1.2 地層液體倒灌

空氣錘遇水后除輸出功率降低外，還會(huì)出現(xiàn)地層液體倒灌問題。即在鉆井介質(zhì)（氣體、霧化或泡沫）停止循環(huán)時(shí)，如接換單根（立柱）時(shí)，地層液體流入井筒，因不能及時(shí)上返而在井底積聚，達(dá)到一定量時(shí)可通過鉆頭中心孔進(jìn)入氣缸，并攜帶一定的井下巖屑、粉塵或地層臟污。這些巖屑粉塵臟污在水的作用下極易粘貼在氣缸內(nèi)壁和活塞上，當(dāng)送氣恢復(fù)循環(huán)鉆進(jìn)時(shí)，如不及時(shí)排出，則會(huì)卡死活塞或者加速氣缸和活塞的磨損。

2 泡沫錘結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1 結(jié)構(gòu)

和空氣錘［1］類似，研制的泡沫錘采用無閥式中心排氣結(jié)構(gòu)，并增加了防倒灌裝置。主要構(gòu)成部件有：后接頭、外套筒、逆止閥、配氣座、活塞、活塞缸、尾管、防倒灌裝置、鉆頭（圖1）。

圖1 PKQC180泡沫錘結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 特點(diǎn)

泡沫錘除具有空氣錘技術(shù)特點(diǎn)：①?zèng)_擊破巖提高機(jī)械鉆速，②高傾角地層糾斜防斜鉆進(jìn)，③耐井下150℃高溫外，還具備以下兩大技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1）可同時(shí)適用氣體（干氣）和霧化泡沫（濕氣）鉆井介質(zhì)。相比空氣錘，動(dòng)力單元（前后氣室、氣缸、活塞、尾管）結(jié)構(gòu)參數(shù)重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低濕氣時(shí)背壓增加對(duì)前后氣室能量交換過程的影響程度，提高其在泡沫介質(zhì)中的適應(yīng)性，適合注液量應(yīng)小于3L／s?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)，泡沫錘可先在氣體介質(zhì)中鉆進(jìn)，如遇地層出水需要轉(zhuǎn)化為霧化鉆進(jìn)或泡沫鉆井（注液量在推薦值范圍內(nèi)）時(shí)，不用起鉆調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)［8］，相比空氣錘對(duì)泡沫介質(zhì)具有更好的適應(yīng)性。

2）可防止井下液體倒灌。泡沫錘鉆頭部位增加了防倒灌裝置，如圖1所示。其工作原理為：泡沫錘正常工作時(shí)，裝置中閥體在重力和流體作用下處于下行位置，流體通道常開；當(dāng)接換單根（立柱）停止注氣循環(huán)時(shí)，井下流體侵入井筒。隨著流體的集聚，當(dāng)液面淹沒防倒灌裝置后，由于閥體當(dāng)量密度小于井下流體密度，閥體開始上行，并封閉流體通道，并隨著井下流體的繼續(xù)集聚，泡沫錘外部液面逐步上升，閥體上下壓差增加，密封性增加，從而達(dá)到防止倒灌的目的。相比一般的彈簧強(qiáng)制性防倒灌裝置，這種結(jié)構(gòu)金屬構(gòu)件少、不需要額外開啟壓力，同時(shí)不采用彈簧部件可提高裝置在高頻沖擊作用下的穩(wěn)定性。

2.3 性能參數(shù)

經(jīng)室內(nèi)測(cè)試，PKQC180型泡沫錘的性能參數(shù)如表1所示。

表1 PKQC180型泡沫錘性能參數(shù)表

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為驗(yàn)證泡沫錘在氣體和泡沫介質(zhì)條件下的適應(yīng)性，2012年8月在松遼盆地深層下白堊統(tǒng)泉頭組、登婁庫(kù)組開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)井位為肇深17井。

3.1 總體情況

松遼盆地深層登婁庫(kù)組、營(yíng)城組、沙河子組、侏羅系上統(tǒng)火石嶺組主要巖性為大段雜色、灰色砂礫巖夾黑色泥巖和少量煤層，以及大面積分布的層狀中酸性火山噴發(fā)巖，夾少量砂礫巖和凝灰?guī)r，成巖性好，研磨性強(qiáng)，巖石硬度高，常規(guī)鉆井機(jī)械鉆速低于1.5m／h［9］。為此開展了氣體鉆井試驗(yàn)，機(jī)械鉆速提高5倍以上，牙輪鉆頭進(jìn)尺增加2～3倍［10］，采用空氣錘鉆井相比氣體牙輪提速1倍以上［11］。但氣體牙輪鉆井提速幅度有限且存在井斜問題［11］，采用空氣錘提速可克服井斜問題卻常因鉆遇出水地層需轉(zhuǎn)換鉆井工藝而被迫終止鉆進(jìn)［9］。為此，新一輪欠平衡現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)考慮開展泡沫錘提速試驗(yàn)，增加沖擊鉆進(jìn)井段，同時(shí)檢驗(yàn)泡沫錘的輸出功率以及防井下液體倒灌能力。

3.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)井段為泉頭組一段至登婁庫(kù)組三段，主要巖性為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及粉砂巖。第二次開鉆鉆至泉頭組一段井深2 750m，第三次開鉆先采用 215.9 mm牙輪鉆頭進(jìn)行氣舉和循環(huán)干燥，并鉆進(jìn)新地層10 m后再下入泡沫錘，鉆具組合為：PKQC180－216＋430×410接頭＋ 178mm強(qiáng)制性箭型止回閥2只＋ 178mm鉆鋌＋ 210mm方接頭＋ 178mm鉆鋌＋ 210mm方接頭＋411×4A10接頭＋ 165mm鉆鋌＋411×4A10接頭＋ 127mm鉆桿。

根據(jù)松遼盆地徐深氣田外圍的出水層定性判識(shí)標(biāo)準(zhǔn)［12］預(yù)測(cè)第1個(gè)水層為泉頭組一段2 769.8～2 770.8 m，出水量約8.3m3／h（表2）。實(shí)際泡沫錘下鉆到底后，即2 760m時(shí)循環(huán)清潔井底出現(xiàn)返出氣體潮濕，判斷水層提前溝通，但循環(huán)4h后，返出氣體干燥?，F(xiàn)場(chǎng)決定采用純氣體鉆進(jìn)，鉆進(jìn)參數(shù)與空氣錘相當(dāng)，轉(zhuǎn)速25r／min，鉆壓10kN，氣量140m3／min，扭矩5kN·m，立壓5.1MPa，鉆時(shí)不低于3～5min／m。

鉆至2 800.35m預(yù)測(cè)的第2個(gè)水層提前到達(dá)（表2），現(xiàn)場(chǎng)返出氣體潮濕。扭矩波動(dòng)較大，劃眼并循環(huán)1.5h后返出，繼續(xù)采用氣體鉆井，鉆時(shí)3～7min／m，與空氣錘相當(dāng)。

鉆至2 900m（2 870m進(jìn)入登婁庫(kù)組四段），扭矩開始發(fā)生波動(dòng)，預(yù)計(jì)鉆達(dá)第3個(gè)水層（表2）。2 914m接立柱后恢復(fù)鉆進(jìn)時(shí)返出氣體潮濕，判斷接換立柱時(shí)井下已經(jīng)出水。循環(huán)30min后粉塵返出，現(xiàn)場(chǎng)繼續(xù)采用氣體鉆井，鉆時(shí)3～15min／m。

表2 地層出水預(yù)測(cè)表

鉆至3 178.5m（3 030m進(jìn)入登婁庫(kù)組三段），返出氣體潮濕，觀察口伴有小細(xì)流，鉆遇前期未預(yù)測(cè)到的第四個(gè)水層。循環(huán)干燥8h后觀察口小細(xì)流無改善，現(xiàn)場(chǎng)決定轉(zhuǎn)為霧化泡沫鉆進(jìn)，注液量為0.8L／s，泡沫錘開始在泡沫介質(zhì)下工作，鉆壓10～40kN，轉(zhuǎn)速25 r／min，扭矩2～16kN·m，氣量120m3／min，液量0.8L／s，立壓3MPa，鉆時(shí)相比氣體條件下增加，為7～20min／m。鉆至3 192.58m后井壁失穩(wěn)，短起鉆具時(shí)發(fā)現(xiàn)遇卡，現(xiàn)場(chǎng)決定轉(zhuǎn)化為常規(guī)鉆井液鉆進(jìn)，并大力活動(dòng)鉆具解卡。泡沫錘起出后評(píng)價(jià)檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)氣室含有巖屑、未發(fā)現(xiàn)異常磨損現(xiàn)象。

3.3 試驗(yàn)分析及結(jié)論

本次試驗(yàn)井段：2 760～3 192.58m，共432.58m，純鉆時(shí)間40.53h，機(jī)械鉆速10.67m／h。其中氣體鉆井井段2 760～3 178.5m，共418.5m，純鉆37.36h，機(jī)械鉆速11.2m／h；霧化鉆井井段3 178.5～3 192.58m，共14.08m，純鉆3.17h，機(jī)械鉆速4.44m／h。受井壁失穩(wěn)影響，泡沫錘在霧化泡沫介質(zhì)中鉆進(jìn)井段較短，鉆速?zèng)]有發(fā)揮明顯優(yōu)勢(shì)，但相比常規(guī)鉆井機(jī)械鉆速提高2倍；氣體鉆井機(jī)械鉆速相比常規(guī)鉆井提高6.5倍，相比氣體牙輪鉆井［10］機(jī)械鉆速提高1倍。泡沫錘在氣體介質(zhì)中相比空氣錘輸出功率未降低。

試驗(yàn)共鉆遇4個(gè)水層，鉆進(jìn)過程中未發(fā)生流體、巖屑倒灌現(xiàn)象，氣室內(nèi)部未受污染，尤其是在鉆遇第3、第4個(gè)水層時(shí)，泡沫錘曾在井下停止流體循環(huán)未出現(xiàn)氣缸污染而失效現(xiàn)象，防倒灌裝置在井下工作可靠。

4 結(jié)論與建議

1）針對(duì)空氣錘在出水地層適應(yīng)性差的問題，研制了新型泡沫錘，能適應(yīng)氣體（干氣）和霧化泡沫（濕氣）鉆井介質(zhì)，具備防止井下液體倒灌的能力。

2）經(jīng)松遼盆地徐深氣田外圍的肇深17井開展的泡沫錘現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，泡沫錘輸出功率在氣體介質(zhì)中相比空氣錘未降低，在霧化泡沫介質(zhì)中相比于常規(guī)鉆井可提高機(jī)械鉆速2倍以上，可有效防止井下液體倒灌。

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