劉占魁，張代娥，楊 軍，周玉東

（西部鉆探克拉瑪依鉆井公司，新疆克拉瑪依834009）

自激振蕩旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術(shù)應(yīng)用

劉占魁*，張代娥，楊 軍，周玉東

（西部鉆探克拉瑪依鉆井公司，新疆克拉瑪依834009）

自激振蕩旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具利用水力能量強(qiáng)化鉆頭沖擊力，同時(shí)，優(yōu)化井底流場(chǎng)并改善鉆頭和巖石受力狀況，不改變常規(guī)鉆進(jìn)方式，易于操作。介紹了自激振蕩旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具技術(shù)原理和技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)自激振蕩旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具相關(guān)使用要求進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。通過(guò)實(shí)例介紹了ZJXC-178及ZJXC-230兩種型號(hào)自激振蕩旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具在新疆油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，對(duì)比鄰井分析了機(jī)械鉆速提高的程度，對(duì)提高同類(lèi)井型或相近地質(zhì)條件下深井和難鉆地層機(jī)械鉆速具有借鑒意義。關(guān)鍵詞:井下工具；機(jī)械鉆速；技術(shù)應(yīng)用

近年來(lái)，伴隨著鉆井基礎(chǔ)理論研究的進(jìn)展和綜合技術(shù)的進(jìn)步，各種提速技術(shù)在提高鉆井速度方面都展現(xiàn)出了一定的效果。如以高壓水射流鉆井技術(shù)為基礎(chǔ)的井下增壓器和配備地面高壓泥漿泵的超高壓射流鉆井技術(shù)、以沖擊鉆井技術(shù)為基礎(chǔ)的空氣錘以及粒子射流鉆井技術(shù)等。一些適用的提速工具應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在一定程度上滿足了鉆井現(xiàn)場(chǎng)更優(yōu)、更快、更省的需求。自激振蕩旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井即是眾多提速技術(shù)之一。

1 技術(shù)原理和特點(diǎn)

研究表明，脈沖射流作用下巖石的主要破壞形式是卸載及射流沖擊產(chǎn)生的拉伸破壞，破巖效果優(yōu)于連續(xù)射流。脈沖射流破巖效果隨脈沖頻率的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，存在一個(gè)最優(yōu)頻率范圍，脈沖射流的速度、長(zhǎng)度和數(shù)量增大時(shí)，巖石的破碎效率迅速提高。此外，井底水力脈動(dòng)提高鉆速機(jī)理研究表明，鉆頭水眼之間形成的井底高壓區(qū)與低壓區(qū)并存，有利于巖屑啟動(dòng)。合理配置鉆頭水眼促使井底局部區(qū)域壓差增加，井底水力脈動(dòng)產(chǎn)生的周期性井底壓力變化，有利于巖屑清離井底。另外，沖擊振動(dòng)提高鉆速機(jī)理表明，沖擊和旋轉(zhuǎn)聯(lián)合作用利用了巖石抗剪能力低的特點(diǎn)，有利于巖石表面形成延伸程度不同的裂紋，是靜壓和動(dòng)載聯(lián)合作用下的破巖、是斜沖擊破碎巖石，巖石破碎是沖擊應(yīng)力波作用的結(jié)果。應(yīng)力波在巖石上的反射與透射，造成巖石的損傷，實(shí)現(xiàn)了輔助破巖。

在不增加地面機(jī)泵能力的條件下，利用水力能量或以水力能量驅(qū)動(dòng)井下工具輔助破巖，是目前提高深部地層鉆井速度的有效途徑之一。自激振蕩旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具是一種利用井底水力能量增強(qiáng)鉆頭沖擊力、優(yōu)化井底流場(chǎng)、改善鉆頭和巖石受力狀況的一種井下工具。自激振蕩旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術(shù)集成了水力脈沖鉆井技術(shù)和沖擊鉆井技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)沖擊載荷+強(qiáng)化井底凈化+改善巖石受力3種作用，依靠自激振蕩旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具提高機(jī)械鉆速。

自激振蕩旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具由上部接頭和中部自激振蕩器以及下部沖擊傳遞桿等組成。水力振蕩元件置于鉆頭上方的工具殼體內(nèi)部，水力振蕩元件調(diào)制生成脈沖射流作用于與鉆頭相聯(lián)的八方鉆頭傳遞桿上端。鉆井液流經(jīng)自激振蕩器，產(chǎn)生水力脈沖作用于沖擊傳遞桿，形成低幅高頻機(jī)械沖擊力傳遞至鉆頭，對(duì)鉆頭施加5～20kN、40Hz左右的周期性的機(jī)械沖擊作用力，使鉆頭承受的鉆壓產(chǎn)生波動(dòng)。由于振動(dòng)載荷可相對(duì)降低巖石的破壞強(qiáng)度，故可提高鉆頭破巖效果。鉆井液流經(jīng)自激振蕩器所產(chǎn)生的水力脈沖再向下傳遞，經(jīng)鉆頭水眼噴出，形成脈沖射流作用于井底，強(qiáng)化了井底清洗作用，改善了井底巖石受力狀況，提高了機(jī)械破巖效率。

與前期自激震蕩旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具不同，改進(jìn)型工具通過(guò)采用水電比擬的流體網(wǎng)絡(luò)理論模型對(duì)各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于脈沖射流頻率與壓力幅值進(jìn)行分析后，優(yōu)化了該工具的水力結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位，確定了上噴嘴與下噴嘴直徑比為1.2，腔徑與上噴嘴直徑比為2.4，腔長(zhǎng)與上噴嘴直徑比例為0.355。針對(duì)水力元件中一級(jí)振蕩腔及二級(jí)振蕩腔的下噴嘴端面受沖刷最嚴(yán)重的部位，采取流線型設(shè)計(jì)、硬質(zhì)合金局部加強(qiáng)、本體用碳氮共滲處理的合金鋼、耐高溫密封，耐溫210℃等強(qiáng)化措施，確保自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具壽命滿足施工需求。

技術(shù)特點(diǎn)：①與常規(guī)鉆進(jìn)方式相同，不改變現(xiàn)有工藝，對(duì)鉆頭和鉆具組合無(wú)特殊要求。②有利于改善底部鉆具組合力學(xué)特性，延長(zhǎng)鉆頭的使用壽命，提高鉆進(jìn)效率。③整套工具強(qiáng)度不低于鉆具的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。④采用優(yōu)化的水力結(jié)構(gòu)和高耐磨材料可使水力振蕩器壽命達(dá)到200h。與其它井下提速工具相比，自激振蕩旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具優(yōu)點(diǎn)：①采用優(yōu)化的自激振蕩式水力元件將調(diào)制的水力脈動(dòng)轉(zhuǎn)化為直接作用于鉆頭的機(jī)械沖擊力，能量利用率高，工具壓降小，約2MPa左右。②由自激振蕩水力元件產(chǎn)生的沖擊力具有小振幅、高頻率的特點(diǎn)，對(duì)鉆頭和地層的適應(yīng)性強(qiáng)。③結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高，壽命長(zhǎng)。工具參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 自激振蕩旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具參數(shù)

2 工具使用要求

鉆具組合：鉆頭+自激振蕩旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具+鉆具止回閥（或浮閥)+鉆鋌。①鉆具止回閥（或浮閥)根據(jù)實(shí)際確定，鉆具組合根據(jù)實(shí)際配置。②易憋跳鉆地層鉆進(jìn)時(shí)，加減震器減少鉆具疲勞破壞，同時(shí)改善鉆頭在井底的工作狀況。③如果使用鉆具單流閥，下鉆時(shí)應(yīng)按規(guī)定灌漿。

2.1 準(zhǔn)備

下入自激振蕩旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具前一趟鉆，起鉆時(shí)按照使用自激振蕩旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具推薦排量洗井、并記錄泵壓。起鉆至表層套管適當(dāng)位置時(shí)同樣循環(huán)記錄泵壓。下入自激振蕩旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具后在相同井深處重復(fù)上述過(guò)程、記錄泵壓，比較工具實(shí)際壓降，為后續(xù)鉆進(jìn)奠定基礎(chǔ)。此外，注意以下事項(xiàng)：①工具上下鉆臺(tái)戴好護(hù)絲，防止傷扣。②按照規(guī)定扭矩上扣。③坐好安全卡瓦，按照工具推薦值正常上扣和卸扣，不得在鼠洞內(nèi)操作。④涂絲扣油前清理干凈，確保絲扣螺紋和端面完好，并且確保絲扣油內(nèi)沒(méi)有雜質(zhì)后按常規(guī)涂絲扣油。⑤泥漿泵上水端濾清器和立管濾子完好，盡可能減少布條、塑料袋和橡膠塊等進(jìn)入。⑥使用牙輪鉆頭時(shí)，根據(jù)井下工況采用3個(gè)不等徑噴嘴，按大中小順序組裝，同時(shí)盡可能增大最大噴嘴和最小噴嘴直徑的差值。使用PDC鉆頭時(shí)，在綜合考慮防漏堵漏前提下確保鉆頭壓降。⑦入井工具絲扣需要定期探傷。

2.2 鉆進(jìn)

鉆進(jìn)過(guò)程中，確保機(jī)泵工作狀態(tài)良好，此外，注意以下事項(xiàng)：①使用型號(hào)ZJXC-178工具時(shí)，推薦鉆井液排量大于32L/s，使用型號(hào)ZJXC-230工具時(shí)推薦排量大于50L/s。②均勻送鉆，憋跳及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，待憋跳現(xiàn)象消除后再逐步恢復(fù)正常鉆進(jìn)參數(shù)。③控制純鉆時(shí)間在200h。工具累計(jì)使用時(shí)間達(dá)到200h后，提鉆時(shí)檢查并更換損耗過(guò)大的零部件。鉆進(jìn)中若鉆井液密度超過(guò)1.45g/cm3，除密切關(guān)注泵壓和鉆時(shí)的變化外，適當(dāng)縮短工具井下使用時(shí)間。④當(dāng)出現(xiàn)泵壓異常、卡鉆、井涌或井漏等情況時(shí)立即執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)預(yù)案。⑤定期檢查濾清器，發(fā)現(xiàn)異常立即更換。

2.3 起下鉆

①起下鉆過(guò)程中必須按照要求及時(shí)灌漿。②起鉆過(guò)程避免拔活塞，起鉆灌好鉆井液。③出現(xiàn)井下復(fù)雜情況，以井下安全為原則并立即執(zhí)行工程預(yù)案。④工具起出井口后認(rèn)真檢查工具，如果有損傷和裂紋，需要進(jìn)行更換。

3 現(xiàn)場(chǎng)使用案例

3.1 阜東15井應(yīng)用情況

阜東15井構(gòu)造位置位于準(zhǔn)噶爾盆地中央坳陷阜康凹陷東斜坡阜東5井西侏羅系齊古組巖性圈閉與阜東2井南侏羅系頭屯河組二段巖性圈閉。設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)?339.7mm表套×400m+?244.5mm技套×2500m+?139.7mm油套×3790m。為提高阜東15井三開(kāi)?215.9mm井眼白堊系吐谷魯群、侏羅系齊古組、頭屯河組地層鉆井速度，在2500～3547m井段使用了ZJXC-178自激振蕩旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具。白堊系吐谷魯群上部為巨厚層棕褐色泥巖、褐灰色砂質(zhì)泥巖；底部為綠灰色細(xì)砂巖、含礫中砂巖、砂礫巖互層。侏羅系齊古組主要為巨厚層紫紅色、棕紅色泥巖夾薄層灰色細(xì)砂巖、粉砂巖。頭屯河組巖性主要為灰綠色、綠灰色、灰色泥巖與灰綠色、灰色粉砂巖、細(xì)砂巖互層。

鉆進(jìn)中使用型號(hào)為FS2463BGX3的PDC鉆頭，鉆壓40～80kN、轉(zhuǎn)速65～90r/min、排量28L/s左右、泵壓18～21MPa，鉆井液密度1.54～1.60g/cm3。使用時(shí)間225h，平均機(jī)械鉆速4.65m/h。與鄰井相比，阜東15井機(jī)械鉆速較阜東10井提高21.7%。

3.2 JL2001井應(yīng)用情況

JL2001井自二?311.2mm井眼500m開(kāi)始使用型號(hào)ZJXC-230自激振蕩旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具，地層為白堊系吐谷魯群，侏羅系頭屯河組、西山窯組、三工河組、八道灣組。鉆進(jìn)井段500～2918m。使用的PDC鉆頭型號(hào)為M5568TG，排量48～50L/s、鉆井液密度1.18～1.26g/cm3。使用時(shí)間250h，平均機(jī)械鉆速9.67m/h。與鄰井相比，JL2001井平均機(jī)械鉆速較金201井提高51%。該井使用自激振蕩旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具井段淺、鉆井液密度低，鉆井液排量大，自激振蕩旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具提速效果明顯。

3.3 吉33井吉34井應(yīng)用情況

吉33井構(gòu)造位置為準(zhǔn)噶爾盆地東部隆起吉木薩爾凹陷東斜坡區(qū)，鉆探目標(biāo)二疊系蘆草溝組致密油藏。設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)?339.7mm表套×400m+?244.5mm技套×2600m+?139.7mm油套×3830m。為加快二開(kāi)井段鉆井速度，在1740～2600m井段使用了ZJXC-230自激振蕩旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具。鉆進(jìn)地層為侏羅系頭屯河組(灰色泥巖夾砂質(zhì)泥巖及砂巖)、西山窯組(灰色、深灰色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，細(xì)砂巖夾煤層)、三工河組(灰色、深灰色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，下部為厚層細(xì)砂巖)、八道灣組(深灰色、灰色泥巖夾粉砂巖、細(xì)砂巖及煤層)、克拉瑪依組(中厚層灰色泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖不等厚互層)。PDC鉆頭型號(hào)DFS1604U，鉆井液密度1.37～1.42g/cm3、排量48～50L/s。工具使用時(shí)間136h，平均機(jī)械鉆速6.32m/h。與鄰井相比，吉33井機(jī)械鉆速較吉28井相同地層提高45%，自激振蕩旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具提速效果明顯。吉34井是該鉆井隊(duì)繼吉33井后在該區(qū)塊承鉆的另一口井。井身結(jié)構(gòu)：?339.7mm表套× 500m+?244.5mm技套×2930m+?139.7mm油套× 3960m。為加快二開(kāi)井段速度，在500～2201m井段使用了ZJXC-230自激振蕩旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具，進(jìn)尺1701m。鉆進(jìn)地層為新近系至侏羅系。PDC鉆頭型號(hào)與吉33井相同。排量48～52L/s。工具使用時(shí)間106h，平均機(jī)械鉆速16.1m/h。與吉33井對(duì)應(yīng)井段相比，機(jī)械鉆速提高27.6%。兩個(gè)井為同一只鉆井隊(duì)施工，技術(shù)力量、機(jī)泵條件、鉆進(jìn)地層的巖性以及使用的鉆頭型號(hào)和鉆進(jìn)參數(shù)等均相同，對(duì)比性較強(qiáng)，表明使用自激振蕩旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具起到了提高機(jī)械鉆速的效果。其它井應(yīng)用情況見(jiàn)表2。

表2 自激振蕩旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具應(yīng)用情況

試驗(yàn)應(yīng)用期間，自激振蕩旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具累計(jì)在準(zhǔn)噶爾盆地新疆油田的7個(gè)區(qū)塊推廣應(yīng)用17井次，總進(jìn)尺9221m，平均機(jī)械鉆速6.11m/h，整體提速37%。單只工具現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用純鉆時(shí)間達(dá)到250h，工具安全可靠，未出現(xiàn)問(wèn)題。

總體上，自激振蕩旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具可以改善井底凈化效果，減少巖石重復(fù)破碎，返出的巖屑顆粒較通常情況粗。此外，在百202井等配合使用牙輪鉆頭鉆進(jìn)，機(jī)械鉆速提高20%以上。說(shuō)明自激振蕩旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具與鉆頭及地層有良好的適應(yīng)性，牙輪鉆頭及PDC鉆頭均可配合使用。此外，使用自激振蕩旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具不影響鉆進(jìn)參數(shù)調(diào)整、井身質(zhì)量合格。

4 結(jié)論

(1)自激振蕩旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具可以滿足現(xiàn)場(chǎng)難鉆地層提速技術(shù)需要，操作簡(jiǎn)單適用性強(qiáng)。

(2)機(jī)泵能力是發(fā)揮自激振蕩旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具提速效果的保障，在綜合考慮井眼穩(wěn)定、井下復(fù)雜等條件下，鉆井液排量越大自激振蕩旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具提速效果越明顯。

[1]倪紅堅(jiān),韓來(lái)聚,馬清明,劉科峰.水力脈沖誘發(fā)井下振動(dòng)鉆井工具研究[J].石油鉆采工藝,2006,28(2)

[2]倪紅堅(jiān),馬清明,韓來(lái)聚,等.200420040906.8一種水力脈沖誘發(fā)井下振動(dòng)鉆井工具[P].2005-08-10.

TE242

B

1004-5716(2015)08-0048-03

2014-08-11

劉占魁（1965-），男（漢族），新疆石河子人，副教授，現(xiàn)從事鉆井科研開(kāi)發(fā)和新工藝新技術(shù)推廣應(yīng)用工作。