嚴 康，李長城，張 媛，辛小亮，田山川，曹光福

(1.長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100； 2.中國石油新疆油田分公司勘探事業(yè)部，新疆 克拉瑪依 834000)

0 引言

在鉆井工程中，鉆井提速是永恒的主題，不僅是高效開發(fā)油氣藏、安全鉆井、提高單井產(chǎn)量和鉆探效益的迫切需要，同時也是提升我國鉆井工程技術(shù)服務(wù)核心競爭力的迫切需要。目前，國內(nèi)廣泛應(yīng)用的鉆井提速方法主要在鉆進工具、鉆井液體系和鉆進參數(shù)優(yōu)選上，其中鉆進工具有鉆頭和鉆柱。鉆頭提速上主要是通過優(yōu)選與地層巖石相匹配的鉆頭，鉆柱上通過安裝穩(wěn)定器、減震器、震擊器等各種輔助鉆井工具以提高鉆進過程的穩(wěn)定和縮短處理復(fù)雜的時間。在破巖和清巖上，脈沖式工作狀態(tài)是最為有效的方式之一。地層巖石在軸向沖擊力和徑向扭轉(zhuǎn)力下共同作用時，井底形成不連續(xù)和不均勻壓力分布，致使巖石破碎所需能量比單一作用力顯著降低。

為提高新疆油田探井機械鉆速整體水平，縮短鉆井周期，降低施工成本，采用“井下動力鉆具”和“破巖輔助工具”組合鉆進是經(jīng)濟、有效的提速提效技術(shù)。通過現(xiàn)場實際來評價多維沖擊鉆井工具在提速增效上的應(yīng)用前景，從而加快發(fā)展新疆油田提速技術(shù)。

1 多維沖擊鉆井技術(shù)

1.1 工作原理

多維沖擊工具結(jié)構(gòu)如圖1所示。該工具主要由自激振蕩式脈沖發(fā)生器、軸扭沖擊發(fā)生機構(gòu)、沖擊傳遞機構(gòu)組成[1-2]。自激振蕩式脈沖發(fā)生器位于該工具上部，當流體流入其腔室時，通過壓力的振蕩與反饋，將連續(xù)恒壓高速流體轉(zhuǎn)變成具有一定壓力波動的流體后繼續(xù)下行，進入軸扭沖擊發(fā)生機構(gòu)上部的腔室，對流入壓力的波動進一步放大，在近鉆頭附近形成周期性壓力波動，產(chǎn)生的壓力波動直接作用于沖擊桿端面，通過轉(zhuǎn)換機構(gòu)產(chǎn)生軸向和扭轉(zhuǎn)兩向沖擊力，并通過桿的運動將沖擊力傳遞至鉆頭，多維沖擊井底巖石[3-4]。與此同時，流體繼續(xù)向下傳遞，通過鉆頭水眼噴出，形成脈沖射流。

1-上接頭；2-套筒；21-限位臺階；22-限位凸起；23-套筒花鍵；3-水力元件；4、6、8-密封；5-膛線面；7-砧子；71-粗糙表面；72-工裝孔；9-下接頭；91-下接頭花鍵槽

圖1多維沖擊工具結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 技術(shù)優(yōu)勢

多維沖擊鉆井提速工具，其突出特點是聯(lián)合了軸向與扭轉(zhuǎn)方向的沖擊[5-6]，利用多維沖擊振動實現(xiàn)高效破巖、鉆井提速，其主要特點如下：

(1)在機械沖擊和水力脈沖共同作用下，可降低巖石強度[4]。

(2)在軸向沖擊[7]增加PDC鉆頭切削齒“吃”入地層深度的同時，扭轉(zhuǎn)沖擊[8-10]強化扭轉(zhuǎn)載荷傳遞，增加了巖石的破碎體積。

(3)沖擊載荷可抑制或減緩PDC鉆頭在破巖過程中的粘滑現(xiàn)象[11]，降低鉆頭泥包概率，延長了鉆頭使用壽命。

(4)多維沖擊工具可與普通PDC鉆頭和螺桿鉆具配合使用。

1.3 提速原理

(1)沖擊振動大體積破巖，提高破巖效率[7]。

軸向沖擊增加了鉆頭切削齒侵入地層深度，扭轉(zhuǎn)沖擊強化了扭轉(zhuǎn)載荷傳遞，增大巖石破碎體積。觀察同型號尺寸的PDC鉆頭所鉆出的巖屑(未經(jīng)篩網(wǎng)處理)，在軸扭沖擊共同作用下巖屑形狀規(guī)則且尺寸較大(見圖2)，表明聯(lián)合沖擊改變了PDC鉆頭的切削破巖方式，使得巖石以大體積破碎為主。

圖2 試驗井段與對比井段返出巖屑外觀

(2)有效控制扭矩波動，釋放鉆井參數(shù)，提高破巖能量[12]。

扭轉(zhuǎn)沖擊能夠增強扭矩傳遞，增大了PDC切削齒徑向破巖能力，減少了底部鉆具扭矩突變，有效地保護了鉆頭，并在一定程度上更好地釋放了鉆壓。扭矩波動曲線(圖3)表明，試驗井段扭矩波動在90 A附近小幅度波動，且鉆壓水平較高。而對比井段扭矩突變較多，對鉆具損害較大，且無法維持高鉆壓水平鉆進，制約了機械鉆速的提高。

圖3試驗井段與對比井段扭矩波動

(3)抑制粘滑振動，降低能量浪費，保護鉆頭，延長進尺[13]。

試驗井段鉆頭石炭系進尺總計445 m，鉆頭出井后切削齒基本完好，相鄰井段鉆頭石炭系進尺83 m，由于鉆速低且扭矩波動劇烈，出井后鉆頭磨損嚴重(見圖4)。

圖4 試驗井段所用鉆頭與對比井段所用鉆頭出井外觀

2 現(xiàn)場實際應(yīng)用

多維沖擊器在新疆多個油田鉆井中應(yīng)用(參見表1～3)，主要應(yīng)用地層為三疊系小泉溝群、二疊系梧桐溝組和石炭系，其中小泉溝群及梧桐溝組地層巖性以褐色泥巖、灰色砂礫巖為主，石炭系以凝灰?guī)r、安山巖為主，地層埋藏深且?guī)r石堅硬。通過應(yīng)用多維沖擊器，使得地層平均提速69.7%，其中三疊系小泉溝群及以上地層機械鉆速平均提高59.1%，二疊系梧桐溝組機械鉆速平均提高87.9%，石炭系機械鉆速平均提高81.45%。

表1 DX區(qū)塊多維沖擊器應(yīng)用情況

表2 XY區(qū)塊多維沖擊器應(yīng)用情況

表3 XY區(qū)塊常規(guī)鉆井數(shù)據(jù)

M5井在三開段使用3DXC-245和3DXC-178型多維沖擊工具(表1)，3DXC-245型入井一次，總進尺338 m，純鉆時間47.08 h，機械鉆速7.2 m/h；3DXC-178型入井2次，使用鉆頭1只，總進尺522 m，純鉆時間117.56 h，機械鉆速4.4 m/h。在堅硬地層破巖鉆進過程中，以較小鉆壓下(60～105 kN)實現(xiàn)了機械鉆速的較大幅度提高，在小泉溝群平均提速176.9%，在梧桐溝組平均提速118.6%，在石炭系平均提速80.3%。M5井通過在三開段梧桐溝組和石炭系地層應(yīng)用多維沖擊鉆井提速工具，成功避免在梧桐溝組褐色泥巖地層發(fā)生坍塌掉塊和石炭系粘附卡鉆。M5井實際鉆井周期84.7 d，按設(shè)計周期85 d及時完成。

DX503井在三開段使用多維沖擊工具，與同井同地層常規(guī)鉆進井段對比提速208.4%；與同區(qū)塊鄰井相比，在小泉溝群平均提速86.4%，在梧桐溝組平均提速116.9%，在石炭系平均提速60.6%。

M7井在二開全井段使用多維沖擊鉆井技術(shù)，平均機械鉆速18.3 m/h，同比M5井在二開井段使用成熟自激振蕩式鉆井技術(shù)平均機械鉆速19.1 m/h略微有所降低。M7井實際鉆井周期57.7 d，由于在二開段初期發(fā)生井漏復(fù)雜，較設(shè)計周期50 d晚7.7 d。

D12井在三開段，D14井在二開、三開段使用多維沖擊工具(表2)，D12井三開段同比D13井(表3)三開段提速168.4%，D14井三開段同比D13井三開段提速110.8%，D14井二開段同比D13井二開段提速35.3%。其中D12井實際周期78.1 d，較設(shè)計工期提前4 d完井；D14井實際周期74.6 d，較設(shè)計工期提前8.4 d完井；D13井實際周期107.8 d，較設(shè)計周期75 d晚32.8 d，除復(fù)雜耗時的5 d，三開段鉆速明顯低于設(shè)計。

3 結(jié)語

(1)多維沖擊鉆井提速工具有效地結(jié)合了軸向沖擊和扭轉(zhuǎn)沖擊，實現(xiàn)了多維高效破巖，從而提高了機械鉆速。

(2)PDC鉆頭在配合多維沖擊鉆井工具破巖的過程中得到了高效利用，能提高鉆頭的施工作業(yè)壽命。

(3)通過對多維沖擊鉆井工具輔助破巖機理的研究，在結(jié)構(gòu)上進行不斷優(yōu)化，是多維沖擊鉆井技術(shù)未來的研究方向和實現(xiàn)鉆井提速的重要途徑。