李秋杰

(大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413)

1概述

松遼盆地北部徐家圍子斷陷是我國(guó)深層天然氣勘探的重點(diǎn)區(qū)域，斷陷構(gòu)造總體上具有四周高中間低，中部寬而深，南北窄而淺的特點(diǎn)，呈近南北向展布的“兩坳三隆”的構(gòu)造格局。松遼盆地北部火山巖儲(chǔ)層天然氣儲(chǔ)量占盆地天然氣總探明儲(chǔ)量的90%以上，揭示了火山巖天然氣藏在油氣資源中的重要地位及勘探遠(yuǎn)景。由于火山巖致密且研磨性極強(qiáng)，應(yīng)用常規(guī)PDC鉆頭存在鉆速低、進(jìn)尺少、頻繁起下鉆等問題，應(yīng)用效果不理想；使用牙輪鉆進(jìn)營(yíng)城組600m井段需牙輪鉆頭8～12只，平均單只鉆頭進(jìn)尺60m，機(jī)械鉆速1.26m/h，個(gè)別井段單只鉆頭進(jìn)尺不足15m，機(jī)械鉆速0.6～0.8m/h，鉆頭使用效率非常低。經(jīng)過(guò)對(duì)該區(qū)塊底層巖性分析，通過(guò)一系列技術(shù)措施，先后在徐深6-306井、徐深6-309井、徐深6-313井等3口井進(jìn)行了液動(dòng)旋沖工具提速試驗(yàn)，在鉆井提速方面取得了不錯(cuò)的進(jìn)展，在徐深6區(qū)塊初步形成了一套可行的鉆井提速技術(shù)。

2 液動(dòng)旋沖工具的結(jié)構(gòu)原理及特點(diǎn)

2.1 鉆井過(guò)程中的粘滑現(xiàn)象

在正常鉆井條件下，PDC鉆頭能連續(xù)地破碎剪切地層。用PDC鉆頭打堅(jiān)硬、固結(jié)地層時(shí)，通常沒有足夠的扭矩來(lái)破碎地層，從而使鉆頭瞬間停止轉(zhuǎn)動(dòng)。這時(shí)，扭矩能量就開始在鉆柱中聚集，鉆柱會(huì)像發(fā)條一樣扭緊，一旦達(dá)到剪切破碎地層所需的扭矩，鉆柱中的扭矩能量就會(huì)突然釋放出來(lái)，鉆頭將會(huì)以高于普通鉆頭的轉(zhuǎn)速破巖。這種猛烈變化運(yùn)動(dòng)被稱之為“粘滑”現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致鉆頭不能連續(xù)剪切地層，影響機(jī)械鉆速，導(dǎo)致鉆頭過(guò)早失效，也會(huì)縮短下部鉆具的使用壽命。

2.2 液動(dòng)旋沖工具工作原理

液動(dòng)旋沖工具產(chǎn)生的高頻的周向沖擊，附加高頻剪切力在鉆頭上，能夠有效地消除“粘滑現(xiàn)象”，保護(hù)鉆頭，提高破巖效率；同時(shí)，產(chǎn)生的高壓水力脈沖，能夠有效地提高巖屑運(yùn)移效率，減少巖屑重復(fù)切削，進(jìn)一步提高了機(jī)械鉆速。

2.3 液動(dòng)旋沖工具結(jié)構(gòu)（見圖1）

工具通過(guò)本體傳遞鉆機(jī)基礎(chǔ)動(dòng)力，動(dòng)力總成通過(guò)鉆井液的流體能量產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，沖擊總成產(chǎn)生高頻機(jī)械沖擊。

工具沖擊總成主要由凸輪組(上凸輪、下凸輪)、復(fù)位總成、鉆頭連接節(jié)組成(見圖2)，動(dòng)力系統(tǒng)帶動(dòng)上凸輪旋轉(zhuǎn)，與下凸輪接觸后產(chǎn)生順時(shí)針方向及垂直向下的沖擊力(如圖中箭頭所示方向)。順時(shí)針方向產(chǎn)生的高頻沖擊直接作用于鉆頭，實(shí)現(xiàn)了PDC鉆頭的復(fù)合切削。垂直向下的沖擊力通過(guò)復(fù)位機(jī)構(gòu)釋放，并回到初始狀態(tài)，完成一次沖擊及復(fù)位動(dòng)作。通過(guò)順時(shí)針方向附加的高頻沖擊，大大縮短了剪切巖石時(shí)的“蓄能”過(guò)程，消除了粘滑現(xiàn)象，保證了PDC鉆頭連續(xù)剪切地層。同時(shí)，每完成一次沖擊動(dòng)作，工具的過(guò)流面積即發(fā)生一次改變并產(chǎn)生高頻高壓水力脈沖，從而優(yōu)化了鉆頭流場(chǎng)（見圖3），提高了巖屑的運(yùn)移效率，進(jìn)一步提高了機(jī)械鉆速。

圖1 液動(dòng)旋沖工具基本結(jié)構(gòu)

圖2 液動(dòng)旋沖工具工作原理

圖3 井下流場(chǎng)模擬

2.4 液動(dòng)旋沖工具基本參數(shù)

?178mm型液動(dòng)旋沖工具規(guī)格參數(shù)如下:適用井眼尺寸為 8-1/2″(?215.9mm)，使用排量30～34L/s，沖擊頻率45Hz，壓耗2.5MPa，上部扣型NC46，下部扣型NC46，總質(zhì)量270kg。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

徐深6-306井、徐深6-309井、徐深6-313井是大慶油田徐家圍子地區(qū)的3口開發(fā)井，平均設(shè)計(jì)井深3600m，完鉆層位為沙河子組。其中，營(yíng)城組主要巖性為雜色礫巖、流紋巖、深灰色安山巖、安山質(zhì)灰?guī)r深灰色晶屑凝灰?guī)r、灰白色流紋巖、雜色火山角礫巖；沙河子組上部以雜色砂礫巖為主，夾少量灰色粉砂巖，細(xì)砂巖與紫紅色泥巖和凝灰?guī)r，下部為流紋巖、火山角礫巖、熔巖及凝灰?guī)r等火山巖類。此類地層巖石堅(jiān)硬，研磨性強(qiáng)，可鉆性差，為解決單只鉆頭進(jìn)尺少、機(jī)械鉆速低等問題，特開展此次試驗(yàn)。

3.1 單鐘擺鉆具組合

結(jié)合液動(dòng)旋沖工具技術(shù)特點(diǎn)，運(yùn)用landmark軟件進(jìn)行鉆柱受力分析及井斜趨勢(shì)預(yù)測(cè)（見表1、圖4），設(shè)計(jì)了一套適用于液動(dòng)旋沖工具具有防斜、糾斜能力的單鐘擺鉆具組合。

單鐘擺鉆具組合：?215.90mmBIT×0.3m+?178.00mmDQY×1.66m+?178.00mm箭型止回閥×0.8m+?165.00mmDC×9m+?214.00mmSTB×1.5m+?178.00mmDC+?159.00mmDC+?127.00mmDP。

3.2 施工參數(shù)

表1不同初始井斜、鉆壓下造斜率[（°）/30m]

圖4 造斜率隨初始井斜、鉆壓變化曲線

鉆井參數(shù):鉆壓80～120kN，轉(zhuǎn)數(shù)70～90r/min，排量30～34L/s；泥漿體系為水基，密度 1.18～1.30g/cm3，粘度55～65s，含砂量小于0.5%。

3.3 施工效果分析

此次試驗(yàn)共施工3口井，6趟鉆，總進(jìn)尺3976m，平均單趟鉆進(jìn)尺662.65m，平均機(jī)械鉆速4.67m/h（見表2）。

臨井徐深6-106井共施工14趟鉆，平均單趟鉆進(jìn)尺91.25m，平均機(jī)械鉆速1.73m/h（見表3）。

與徐深6-106井常規(guī)鉆進(jìn)方式相比，單趟鉆進(jìn)尺提高了626%，機(jī)械鉆速提高了169%，單井減少起下鉆12次，縮短鉆進(jìn)周期約23.82d，提速效果顯著，降投資控成本效果明顯，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

井身質(zhì)量方面，應(yīng)用單鐘擺鉆具組合，井斜完全滿足設(shè)計(jì)要求，為后續(xù)完井作業(yè)提供了良好的井眼條件（見表2）。

4 結(jié)論及建議

表2 徐深6區(qū)塊3口井液動(dòng)旋沖工具應(yīng)用情況

表3 徐深6-106井鉆進(jìn)情況

（1）液動(dòng)旋沖工具能夠有效地消除“粘滑現(xiàn)象”，提高機(jī)械鉆速，保護(hù)鉆頭，提高單只鉆頭進(jìn)尺。

（2）單鐘擺鉆具組合具有較好的防斜糾斜能力，保證了井身質(zhì)量，為后續(xù)作業(yè)提供良好的井眼條件。

（3）液動(dòng)旋沖工具是近年來(lái)出現(xiàn)的新型鉆井工具,解決了PDC鉆頭復(fù)雜地層壽命短和機(jī)械鉆速低的難題,打破了對(duì)PDC鉆頭使用的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí),該工具的推廣應(yīng)用應(yīng)會(huì)拓展PDC鉆頭應(yīng)用的范圍,獲得更好的提速效果和經(jīng)濟(jì)效益。

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