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        液動(dòng)沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)應(yīng)用探討

        2020-06-30 02:53:56王檢軍
        石油和化工設(shè)備 2020年6期
        關(guān)鍵詞:鉆性液動(dòng)機(jī)械鉆速

        王檢軍

        (中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司國(guó)際工程公司, 四川 成都 610051)

        1 液動(dòng)沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)概述

        1.1 旋沖鉆進(jìn)技術(shù)原理

        旋沖鉆進(jìn)是在常規(guī)鉆具的基礎(chǔ)上,通過增加沖擊器而將旋轉(zhuǎn)和沖擊功能有效結(jié)合的鉆井技術(shù),在鉆進(jìn)過程中,沖擊器在鉆井液的驅(qū)動(dòng)下不斷產(chǎn)生高頻沖擊力并施加給鉆頭,使得鉆頭邊旋轉(zhuǎn)邊沖擊鉆進(jìn)。作為井底動(dòng)力機(jī)械的沖擊器通常與鉆頭或巖心管頂端連接,在鉆井液或高壓氣體的作用下推動(dòng)活塞并引發(fā)沖錘的上下運(yùn)用,鉆頭在沖錘的撞擊以及靜壓旋轉(zhuǎn)的綜合作用下達(dá)到破碎巖石的目的。與常規(guī)鉆井技術(shù)相比,旋沖鉆進(jìn)技術(shù)主要依靠鉆頭的沖擊壓力以及回轉(zhuǎn)刮削的綜合作用實(shí)現(xiàn)巖石破碎,對(duì)于脆性大、抗剪強(qiáng)度低的硬質(zhì)巖石,該技術(shù)基本為體積破碎而非研磨破碎,鉆進(jìn)效率較高;旋沖鉆進(jìn)沖擊破碎頻率高,破巖時(shí)間短,破碎效果不受硬巖巖性變化的影響,鉆頭也不會(huì)出現(xiàn)偏斜力矩,破巖效率高,成井規(guī)則,質(zhì)量有保證[1]。

        1.2 液動(dòng)射流沖擊器

        沖擊器是旋沖鉆進(jìn)技術(shù)的關(guān)鍵部件,旋沖鉆進(jìn)技術(shù)問世以來,各種類型的沖擊器不斷出現(xiàn)并應(yīng)用于石油鉆井領(lǐng)域。液動(dòng)射流沖擊器是我國(guó)研發(fā)的一種通過雙穩(wěn)射流元件進(jìn)行旋沖鉆進(jìn)控制的沖擊器,其主要以高壓水或鉆井液為動(dòng)力介質(zhì),性能穩(wěn)定、元部件少,能有效解決深孔硬質(zhì)地層鉆進(jìn)難題。按照驅(qū)動(dòng)介質(zhì)的不同,液動(dòng)沖擊器分為水力驅(qū)動(dòng)和高壓油驅(qū)動(dòng)兩種,石油鉆井領(lǐng)域則以水力驅(qū)動(dòng)液動(dòng)沖擊器為主,液動(dòng)沖擊器又包括閥式、射流式和射吸式等種類。

        圖1 液動(dòng)射流沖擊器

        液動(dòng)射流沖擊器通常由控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)及功率傳遞系統(tǒng)等部分構(gòu)成,見圖1,上下螺紋接頭分別與鉆鋌連接,沖擊器置于鉆鋌與鉆頭之間。通過鉆鋌等鉆具后鉆壓與扭矩經(jīng)由砧子和缸體傳遞至鉆頭,壓蓋上的分流孔設(shè)計(jì)能分流富余能量,不影響沖擊器正常作業(yè)。液動(dòng)射流沖擊器運(yùn)動(dòng)零件只包括活塞和沖錘,性能穩(wěn)定,活塞和沖錘在下行階段運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的加速度能提升單次沖擊功,由于存在分流通道,即便沖擊器不工作也不會(huì)出現(xiàn)憋泵,沖擊器運(yùn)行過程中,不存在閥門打開/關(guān)閉問題,其所產(chǎn)生的高壓水擊壓力小,能量損失少,也不存在溫度、圍壓、鉆井液密度等因素的影響,對(duì)于深井鉆進(jìn)較為適用。考慮到液動(dòng)射流沖擊器的技術(shù)優(yōu)勢(shì),其在地質(zhì)勘探、水文水井、石油鉆井、科學(xué)深鉆等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。

        2 川渝地區(qū)地層特點(diǎn)

        川渝地區(qū)地層條件復(fù)雜,高溫與高密度共存,地層沉積時(shí)間長(zhǎng),上部推覆構(gòu)造的志留系和白堊系地層以礫巖、砂質(zhì)泥巖巖性為主,見表1。具有斜、硬、跳鉆、研磨性強(qiáng)、井況差異大等巖性特征,老地層存在嚴(yán)重的擠壓破碎情況,巖性均質(zhì)性差,井斜控制存在一定難度,井漏、井斜、斷鉆具等井下事故頻發(fā),川渝地區(qū)即使是構(gòu)造相同的地層可鉆性差異大,且可鉆性隨井深增加而變差。川渝地區(qū)特殊的地層條件增加了機(jī)械鉆速提升難度,導(dǎo)致鉆井周期延長(zhǎng)。對(duì)川渝地區(qū)威204H1-2井、威204H42井測(cè)井資料進(jìn)行地層可鉆性的測(cè)定結(jié)果表明,第三系地層可鉆性<5級(jí),硬度低,對(duì)鉆速影響不大,而白堊系、志留系和第四系地層可鉆性達(dá)6~9級(jí),硬度增加,鉆速降低。

        表1 川渝地區(qū)威204H1-2井地質(zhì)分層情況

        3 液動(dòng)沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)的應(yīng)用

        威204H1-2井位于內(nèi)江市資中縣境內(nèi)川渝地區(qū)盆嶺耦合構(gòu)造斜坡帶前緣,鉆井主要目的在于進(jìn)一步明確四川盆地耦合構(gòu)造斜坡帶威204H1-2井區(qū)塊T3-J2、Z-T2砂礫巖油藏分布的具體范圍,所開發(fā)的井主要為評(píng)價(jià)井和井型定向井。根據(jù)區(qū)域地層巖性分析可知,威204H1-2井存在較厚的推覆構(gòu)造志留系和白堊系地質(zhì)分層,地層傾角大且可鉆性差,不利于機(jī)械鉆速提升,地層礫石含量高,膠結(jié)致密,減震器的使用會(huì)引起嚴(yán)重的跳鉆;由于井斜超標(biāo),加壓鉆進(jìn)容易引發(fā)填井側(cè)鉆事故。相鄰?fù)?04H42井鉆進(jìn)過程中遇志留系井段,由于地層傾角大,單測(cè)點(diǎn)準(zhǔn)確度差,過大的鉆壓引發(fā)井斜超標(biāo),必須打水泥側(cè)鉆。φHJT637GL鉆頭鉆進(jìn)井段280.00450m,機(jī)械鉆進(jìn)均值1.75m/h,井斜和井深最大值分別為3.0°和475m。鉆井現(xiàn)場(chǎng)決定從220.00m開始使用YSC-178型液動(dòng)射流沖擊器,該型號(hào)射流沖擊器外徑210mm,長(zhǎng)3210mm,壓降設(shè)計(jì)值13.5MPa,沖擊頻率1135Hz,沖擊能19.85kJ,沖擊器鉆進(jìn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)詳見表2。

        表2 φHJT637GL鉆頭使用YSC-178型液動(dòng)射流沖擊器鉆進(jìn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

        425.06445.74 10-20 25 65 45 12.5 3.0 475 1.15 66 447.54646.60 7-40 20 65 45 12.5 2.25 370 1.15 70

        在使用YSC-178型液動(dòng)射流沖擊器開泵鉆進(jìn)的過程中,未使用沖擊器的等效噴嘴直徑20.85mm,泵壓11.5MPa,使用沖擊器的鉆頭等效噴嘴直徑23.65mm,泵壓16.5MPa,高出壓降設(shè)計(jì)值。此外,無(wú)論是否使用液動(dòng)射流沖擊器,所有井段均存在不同程度的跳鉆情況,但在使用液動(dòng)射流沖擊器時(shí),泵壓下降趨勢(shì)呈明顯的階段性特征。使用液動(dòng)射流沖擊器的情況下,鉆壓、鉆頭轉(zhuǎn)速、排量等參數(shù)變化均處于沖擊器設(shè)計(jì)使用范圍,鉆壓基本維持在20-50kN。但是,在最后的單點(diǎn)測(cè)斜測(cè)點(diǎn),井斜和井深最大達(dá)3.0°和475m,主要原因在于,鉆壓減小雖然對(duì)鉆柱彎曲和井斜有抑制作用,但威204H1-2井由于使用的是φ220尺寸型號(hào)代替φ248尺寸的YSC-178型液動(dòng)射流沖擊器,導(dǎo)致鉆具柔性增加,對(duì)其加壓后所產(chǎn)生的側(cè)向力導(dǎo)致沖擊器鉆進(jìn)至425.06445.74m時(shí)井斜及井深測(cè)值已接近最大設(shè)計(jì)值。起鉆使用YSC-178型液動(dòng)射流沖擊器后,鉆頭鉆進(jìn)井段鉆速比未使用沖擊器鉆頭鉆速增加45%~85%。

        根據(jù)對(duì)威204H1-2井鉆進(jìn)情況的分析可知,沖擊器下井之初,機(jī)械鉆速僅提升3.5%左右,而隨著沖擊器的起出與未用井段相比,使用沖擊器的井段鉆速明顯加快,提升程度高達(dá)95%。值得注意的是,機(jī)械鉆速除了受鉆井參數(shù)影響外,還與地層巖性變化有直接關(guān)系[2],未使用沖擊器的鉆頭鉆進(jìn)井段巖性以紫紅-暗紫白云質(zhì)粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖為主;使用沖擊器的鉆進(jìn)井段巖性則以灰綠-綠灰為主并夾灰色白云質(zhì)粉砂巖和泥巖為主。

        通常而言,在鉆井參數(shù)未發(fā)生大幅度變化的情況下,鄰井巖性也不會(huì)出現(xiàn)太大變化,所以通過威204H1-2井鉆進(jìn)數(shù)據(jù)的對(duì)比可以得出,YSC-178型液動(dòng)射流沖擊器在威204H1-2井推覆體地層鉆井過程中的使用對(duì)機(jī)械鉆速有顯著提升作用,但由于所用沖擊器尺寸過小,導(dǎo)致井斜增大。

        4 結(jié)論

        通過對(duì)Y S C-1 7 8 型液動(dòng)射流沖擊器在威204H1-2井推覆體地層鉆井應(yīng)用的分析表明,沖擊器的應(yīng)用能顯著提升機(jī)械鉆速,但是為控制井斜,必須保證沖擊器尺寸的合理性。在液動(dòng)射流沖擊器使用過程中泵壓設(shè)計(jì)值明顯偏大,為提升射流沖擊器元件的工作效率和使用壽命,還必須進(jìn)一步探索沖擊器工作壓降降低的有效措施。理論分析和鉆進(jìn)實(shí)踐效果均表明,沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)破巖方式獨(dú)特,能有效提升鉆進(jìn)速度,避免復(fù)雜硬質(zhì)地層鉆進(jìn)可能出現(xiàn)的井斜問題,延長(zhǎng)鉆頭使用壽命,便于水平井和大位移井井底加壓的實(shí)現(xiàn)。

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