王 濤，和鵬飛，王喜杰，嚴(yán)維鋒，袁則名

(1.中海石油〈中國〉有限公司上海分公司，上海 200335; 2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

當(dāng)前國際油價持續(xù)低迷，提速增效已成為降低鉆井成本的有效手段[1-3]。在東海某開發(fā)井上成功應(yīng)用的液力沖擊工具，有效緩解了深部地層鉆頭在井底的卡滑以及鉆具的振動狀況，在保證了定向井工具造斜率的同時，提高了機(jī)械鉆速，有效控制了井眼軌跡[4-6]。

1 技術(shù)現(xiàn)狀分析與難點分析

東海某區(qū)塊，自上而下依次揭開東海群、三潭組、柳浪組、玉泉組、龍井組、花港組和平湖組。鉆遇巖性主要以砂泥巖為主，砂泥互層較多，深部地層的巖性致密，抗研磨性強(qiáng)，地層抗壓強(qiáng)度高，部分區(qū)域抗壓強(qiáng)度>20300 psi(140 MPa)，內(nèi)摩擦角>50°，如圖1所示，同時多套地層含灰，可鉆性極差。本區(qū)塊井底最高溫度近190 ℃，且深部地層坍塌壓力較高。

東海開發(fā)井主要使用兩種鉆具組合：(1)PDC鉆頭+馬達(dá)+LWD/MWD；(2)PDC鉆頭+旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+LWD/MWD。

馬達(dá)可以提供較高的轉(zhuǎn)速輔助破巖，往往能夠保持較高的機(jī)械鉆速，但是由于深部地層溫度高，常規(guī)的馬達(dá)內(nèi)部橡膠件無法經(jīng)受高溫考驗，往往造成馬達(dá)橡膠損壞導(dǎo)致井下復(fù)雜情況發(fā)生，并且深部地層馬達(dá)滑動困難，不利于有效控制井眼軌跡。因此開發(fā)井在3000 m以深常用的鉆具組合為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具組合，正常情況下該鉆具組合可有效協(xié)助定向井工程師控制井眼軌跡，但是無法滿足深部地層提速的要求，同時鉆遇可鉆性極差地層，由于進(jìn)尺緩慢且井下工具震動嚴(yán)重，導(dǎo)致定向井工具工具面不穩(wěn)，全角變化率無法滿足設(shè)計要求，軌跡控制存在較大困難，如表1所示。

圖1 地層抗壓強(qiáng)度及內(nèi)摩擦角

表1 X2井深部設(shè)計軌跡與實際軌跡對比

在近3年的東海油氣田開發(fā)過程中，地層深度3500 m以深，平均機(jī)械鉆速僅為5.61 m/h。深部的低機(jī)械鉆速嚴(yán)重制約了深井、超深井的勘探開發(fā)進(jìn)程。

2 技術(shù)對策研究

井下動力鉆具包括螺桿馬達(dá)、渦輪鉆具以及其他的輔助破巖工具。輔助破巖工具主要有扭力沖擊器、水力振蕩器、橫扭矩提速工具、水力脈沖工具、旋轉(zhuǎn)馬達(dá)(重力錘)等。國內(nèi)海上鉆井中較為常用的有螺桿馬達(dá)、水力振蕩器、扭力沖擊器等，2005年左右也在不同油田嘗試了水力脈沖工具，但整體效果不理想。

液力沖擊工具屬渦輪動力復(fù)合重力錘破巖工具。如圖2所示，工具由外殼和內(nèi)部機(jī)構(gòu)組成。工具外殼的上端與上部鉆柱聯(lián)接，下端與鉆頭聯(lián)接，外殼的主要作用是固定和接裝工具的內(nèi)部機(jī)構(gòu)以及傳遞鉆壓和扭矩。工具的內(nèi)部機(jī)構(gòu)由三部分裝置組成，上部是渦輪裝置，主要作用是將鉆井液的液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)動的機(jī)械能；中間部分為傳動裝置，作用是將渦輪產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動機(jī)械能變速后傳遞給下部的敲擊裝置；下部為敲擊裝置，敲擊裝置中的重鐵在傳動軸的帶動下作旋轉(zhuǎn)運動，重鐵下部的斜面與擊座高頻撞擊，產(chǎn)生一定軸向和軸向的沖擊力，沖擊力通過擊座傳遞給外殼，再通過外殼傳遞給鉆頭，增加鉆頭的破巖能力，減少鉆柱的扭轉(zhuǎn)震蕩，達(dá)到幫助鉆頭破巖提高機(jī)械鉆速的目的。相比普通PDC鉆頭鉆進(jìn)，滑脫、卡鉆現(xiàn)象會成倍地減少，而且能極大地提高平均機(jī)械鉆速和鉆頭使用壽命。

圖2 液力沖擊工具示意圖

3 現(xiàn)場應(yīng)用與效果分析

3.1 現(xiàn)場應(yīng)用

為解決旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向深部地層提速問題，在X4H井的4064～4239.79 m創(chuàng)新使用一種新的鉆具組合：PDC鉆頭+液力沖擊工具+旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具，在鉆頭與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具之間加裝一支液力沖擊工具。具體鉆具組合為：12in PDC鉆頭+8 in液力沖擊工具+9 in旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+8in LWD+8in MWD工具+8 in無磁鉆鋌+8 in過濾短節(jié)+8 in隨鉆震擊器+變扣接頭+5in加重鉆桿×14根+5in鉆桿若干。自2788.74 m至12in井眼中完，鉆井參數(shù)基本一致：鉆壓30～150 kN，轉(zhuǎn)速80～150 r/min，排量4100～4300 L/min。

3.2 效果分析

3.2.1 扭矩對比

使用液力沖擊工具與沒有使用的井段扭矩曲線對比如圖3所示。可以看出，在使用該工具之前，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具組合的扭矩波動范圍為12～24 kN·m，波動范圍較大，使用該工具以后，鉆進(jìn)期間扭矩波動明顯小于上部井段，主要集中在15～20kN·m，且扭矩絕對值也有所降低，使用前后降低扭矩波動的作用十分明顯。

圖3 扭矩分布圖

3.2.2 機(jī)械鉆速對比

X4H井第五趟鉆進(jìn)鉆具使用的鉆頭型號為百施特M1365(IADC代碼為M433)，未使用液力沖擊工具，累計進(jìn)尺119.65 m(斜深3944.35～4064 m，對應(yīng)垂深3791～3852 m)，累計平均機(jī)械鉆速僅2.27 m/h，尤其后期在灰質(zhì)含量很高的泥質(zhì)粉砂巖地層鉆進(jìn)期間機(jī)械鉆速僅0.5～1 m/h，最終因鉆速緩慢而起鉆，鉆頭磨損評價1-3-WT-A-X-I-NO-PR。

X4H井第六趟鉆進(jìn)使用的鉆頭型號為新速通ST635RS(IADC代碼為M223)，配合使用液力沖擊工具，到底后在灰質(zhì)含量很高的泥質(zhì)粉砂巖地層鉆進(jìn)期間速度較此前有明顯改觀，機(jī)械鉆速3～5 m/h，后續(xù)隨著地層變化機(jī)械鉆速最高達(dá)到15～20 m/h，該趟鉆總進(jìn)尺175.79 m(斜深4064～4239.79 m，對應(yīng)垂深3852～3916 m)，平均機(jī)械鉆速高達(dá)7.80 m/h，中完時機(jī)械鉆速尚有7～8 m/h。使用液力沖擊工具與上部沒有使用的井段平均機(jī)械鉆速對比如表2所示。

3.2.3 鉆具震動對比

表2 使用液力沖擊工具前后機(jī)械鉆速對比

在深井鉆井中，鉆具長度較長，下部容易粘滑、憋扭而出現(xiàn)鉆具轉(zhuǎn)速的瞬時釋放，這種情況下容易導(dǎo)致上下轉(zhuǎn)速不一致出現(xiàn)松扣等鉆具問題。一般在國內(nèi)海洋鉆井過程中，采用斯倫貝謝定向井測量工具中的Stick-Slip監(jiān)測鉆具的這種狀態(tài)[7-9]。在本井第四、五趟未使用液力沖擊工具，鉆進(jìn)期間Stick-Slip值較高(尤其是第四趟鉆進(jìn)期間因此而頻繁活動鉆具)，大大超過了轉(zhuǎn)速值的200%；而第六趟使用了液力沖擊工具，整體鉆進(jìn)過程Stick-Slip值均在100以內(nèi)，僅個別點較高(但未超過300)，通過數(shù)據(jù)，可判斷該工具可明顯降低井下鉆具的震動。

3.2.4 對軌跡控制的影響

液力沖擊工具對軌跡控制的影響主要體現(xiàn)在兩個方面：一是全角變化率的影響，二是整體井眼軌跡與設(shè)計的偏差。對比該井設(shè)計軌跡與實鉆軌跡(見表3)?？梢钥闯鍪褂靡毫_擊工具后，造斜率與設(shè)計相當(dāng)，通過定向井作業(yè)指令控制等手段，造斜率能夠滿足設(shè)計要求[10-12]。

表3 X4H井設(shè)計軌跡與實際軌跡數(shù)據(jù)對比

4 結(jié)論

(1)液力沖擊工具可有效降低鉆進(jìn)過程中的扭矩波動，有助于保護(hù)鉆頭。

(2)液力沖擊工具可有效降低鉆進(jìn)過程中定向井工具的震動，減少鉆頭在井底的卡滑現(xiàn)象。

(3)液力沖擊工具配合旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具使用，對工具的造斜率影響較低，能夠滿足定向井軌跡控制要求。

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