尹慧博

(中國石油化工股份有限公司 石油工程技術(shù)研究院， 北京 100101)

沙特阿美油氣鉆井區(qū)塊Pre-Khuff層段為鉆井目的層，鉆井工作量逐年增加，根據(jù)相關(guān)資料，到2025年鉆井工作量預(yù)計增加50%。Pre-Khuff 層段通常在沙特區(qū)塊垂深為3 900至5 200 m之間，包括Unayzah、Jauf、Tawil、Sharawra和Saq等地層。這些地層主要為砂巖夾頁巖、石灰?guī)r、白云石、硬石膏和粉砂巖。“Unayzah”和“Jauf”這兩個主要含氣儲層的特征通常是硬砂巖和磨粒砂巖夾頁巖和粉砂巖?！癠nayzah”是最難鉆的巖層，其內(nèi)摩擦角在25°到60°之間，平均無側(cè)限抗壓強度為152 MPa，最高達315 MPa。該層段巖石硬度高、研磨性強，還伴隨掉塊、縮徑等井下復(fù)雜情況。采用渦輪或高速馬達配合孕鑲金剛石鉆頭鉆進時，容易發(fā)生卡鉆事故，采用TCI鉆頭也一直受到井下磨損、密封和軸承故障、崩齒和隨后的打撈作業(yè)等問題困擾，造成鉆井周期長，成本高[1-2]。因此，有必要在該層段引進有效的提速提效技術(shù)。液動射流沖擊器旋沖鉆井技術(shù)是解決硬地層機械鉆速低的有效技術(shù)手段之一，該技術(shù)用于使用液體(泥漿或清水)作為循環(huán)介質(zhì)鉆井提速。液動射流沖擊器在鉆具組合中通常裝在鉆頭上部，在鉆進過程中，當(dāng)鉆井液流經(jīng)該提速工具時，基于射流附壁原理，液體有規(guī)律的流經(jīng)工具內(nèi)部缸體的上腔和下腔，驅(qū)動活塞沖錘產(chǎn)生往復(fù)運動，在軸向?qū)︺@頭施加高頻動載沖擊，輔助鉆頭高效破巖。同時，有利于防止鉆頭憋卡或打滑，也有助于減少跳鉆等有害振動，進而延長鉆頭的使用壽命，提高鉆頭單次進尺，降低鉆井成本，縮短鉆井周期[3-6]。

1 ATN-1123井地層概況

Φ228.6 mm液動射流沖擊器應(yīng)用層段為Sudair和Khuff，對應(yīng)井深3 040～4 150 m，以白云巖、灰?guī)r及碳酸鹽為主，地層堅硬、研磨性強，在該鉆井區(qū)塊，該層段巖石抗壓強度平均為159 MPa，最小抗壓強度為69 MPa，最大抗壓強度達276 MPa。上部頁巖不穩(wěn)定，造成泥漿粘度增大，泥漿粘度達1.92。該層段采用井下馬達及其它井下動力工具提速效果不明顯，目前以常規(guī)鉆井為主。表1列舉了地層巖性、應(yīng)深度及相應(yīng)井段長度。

表1 射流沖擊器試驗井段地層巖性及深度情況

2 提速方案設(shè)計

2.1 鉆具組合及匹配鉆頭設(shè)計

2.1.1 鉆具組合設(shè)計

采用液動射流沖擊器旋沖鉆井提速技術(shù)，鉆具組合設(shè)計如下：

1)鉆頭+液動射流沖擊器+(MWD)+常規(guī)鉆具組合；

2)鉆頭+井下動力鉆具(螺桿)+液動射流沖擊器+MWD+常規(guī)鉆具組合；

3)鉆頭+液動射流沖擊器+井下動力鉆具(螺桿)+常規(guī)鉆具組合。

當(dāng)鉆井設(shè)計不使用井下動力鉆具時，首選第一種鉆具組合；當(dāng)鉆井設(shè)計中使用井下動力鉆具和MWD時，液動射流沖擊器置于動力鉆具和MWD之間，采用第二種鉆具組合；當(dāng)鉆井設(shè)計中不使用MWD時，可采用第三種鉆具組合，即液動射流沖擊器直接與鉆頭連接，上部接動力鉆具。鉆具組合中的鉆頭采用鉆井設(shè)計鉆頭或在原設(shè)計的基礎(chǔ)上優(yōu)選。

液動射流沖擊器在本井試驗井段設(shè)計鉆頭為PDC鉆頭，在此基礎(chǔ)上進行了進一步優(yōu)選，未設(shè)計井下動力鉆具，因此采用第一種鉆具組合。

2.1.2 匹配鉆頭優(yōu)選

結(jié)合本次試驗井段的巖石抗鉆特性及鉆頭選型原則，本次試驗優(yōu)選了M746PX-C為沖擊器配套試驗鉆頭。依據(jù)PDC鉆頭以單齒抗沖擊功及布齒情況，M746PX-C鉆頭總齒數(shù)60顆，其中承載軸向載荷的冠部齒共計49顆，單齒抗沖擊功為60 J，按照各切削齒承載載荷相同計算，冠部齒整體抗沖擊能力為49×10=490 J，滿足沖擊器最大沖擊功(335 J)設(shè)計要求。實際上，鉆頭復(fù)合片上軸向力的分布規(guī)律：內(nèi)錐部位大，向外減小。載荷最大部位承受載荷為平均載荷的1.8倍，單次沖擊的平均載荷位：335 J÷49=6.8 J，內(nèi)錐部位最大載荷：6.8 J×1.8=12.24 J，遠小于60 J。因此，從承受最大載荷的內(nèi)錐齒也是安全的。圖1為與沖擊器匹配鉆頭冠部齒軸向和徑向力的分布規(guī)律[7-11]。

圖1 鉆頭冠部齒軸向和徑向力的分布規(guī)律

從圖1可見，在只考慮沖擊載荷的情況下，所有PDC鉆頭冠部切削齒徑向受力為零，內(nèi)錐齒承受最大的沖擊力為1 kN，向外的齒受沖擊力逐漸減小。

M746PX-C鉆頭冠部齒軸向和徑向力分析結(jié)果表明，該鉆頭具有良好的抗沖擊性能?？砂踩休d最大的沖擊功，滿足旋沖鉆井參數(shù)設(shè)計要求。在此基礎(chǔ)上進一步分析了該鉆頭冠部各切削齒的扭矩分布規(guī)律，見圖2。

圖2 鉆頭冠部齒軸向和徑向扭矩的分布規(guī)律

從圖2可見，在沖擊載荷下，冠部各切削齒徑向上扭矩為零，軸向扭矩從內(nèi)向外逐漸增多，到中間部位，各切削齒扭矩增加到最大，最大值達105 N·m。此后，由中間向外，各切削齒扭矩逐漸減小，最外緣冠部切削齒扭矩為45 N·m。

2.2 旋沖鉆井參數(shù)設(shè)計

旋沖鉆井參數(shù)包括：排量、鉆壓、轉(zhuǎn)速、沖擊功(沖擊力)及沖擊頻率，即在常規(guī)鉆井參數(shù)的基礎(chǔ)上增加了沖擊器的性能參數(shù)(沖擊功和沖擊頻率)。通常情況下，常規(guī)鉆井參數(shù)保持原鉆井設(shè)計參數(shù)不變，沖擊功和沖擊頻率則依據(jù)擬應(yīng)用井段的巖石抗鉆特性(抗壓強度)確定。通過試驗分析，巖石的抗壓強度與破巖沖擊功存在匹配關(guān)系，巖石產(chǎn)生體積破碎需要一個最小的沖擊功，不同巖石體產(chǎn)生體積破碎所需要的最小沖擊功不同，存在一定的規(guī)律[12-13]，依據(jù)上述規(guī)律優(yōu)化沖擊功，沖擊頻率作為輔助設(shè)計參數(shù)，當(dāng)確定了沖擊功，相應(yīng)的確定出沖擊頻率。為滿足不同巖層破巖所需沖擊功，沖擊功設(shè)計為可調(diào)節(jié)的，通常采用改變沖錘的質(zhì)量、活塞運動的行程、分流孔的孔徑等方式調(diào)節(jié)。旋沖鉆井主要參數(shù)見表2。

表2 旋沖鉆井參數(shù)設(shè)計

3 現(xiàn)場應(yīng)用

ATN-1123井為一口評價井，設(shè)計井深5 880 m，Φ228液動射流沖擊器應(yīng)用井段3 316～3 963 m，該層段巖石抗壓強度在126～276 MPa，為Sudair和Khuff最硬的層段?，F(xiàn)場應(yīng)用采用上述提速方案，根據(jù)沙特Pre-Khuff高研磨性硬地層優(yōu)化了沖擊器性能參數(shù)沖擊功和沖擊頻率；依據(jù)巖石特性、鉆頭模擬分析優(yōu)選匹配鉆頭；通過水力參數(shù)計算，設(shè)計最優(yōu)排量、泵壓等參數(shù)。優(yōu)化了井下鉆具組合為：φ311.2 mm PDC PDC(M746PX-C)+浮閥 +Φ228射流沖擊器+扶正器+MWD+泥漿過濾短接+扶正器+鉆鋌+加重鉆桿+頂驅(qū)。實時跟蹤井下工況，及時調(diào)整鉆壓和轉(zhuǎn)速，優(yōu)選鉆壓100～140 kN，轉(zhuǎn)速100～140 rpm，排量45～50 L/s。

3.1 提速效果

Φ228液動射流沖擊器在ATN-1123井提速應(yīng)用，進尺647 m，工作時間103.5 h，鉆至3 963.25 m，中完起鉆，起鉆后沖擊器鉆臺試驗仍保持繼續(xù)工作，鉆頭新度98%。

表3列舉了ATN-1123井使用Φ228射流沖擊器旋沖鉆井機械鉆速與相鄰幾口井的機械鉆速對比情況。

表3 與鄰井機械鉆速對比表

從表3可見，使用Φ228射流沖擊器鉆進井段平均機械鉆速為9.40 m/h，較同層段鉆速最快鄰井平均機械鉆速(6.46 m/h)同比提高47%。較鄰井機械鉆速最高提高62%。

3.2 射流沖擊器使用情況分析

射流沖擊器在入井前和出井后分別進行了鉆臺啟動試驗。鉆臺啟動試驗按照既定的試驗方案進行。啟動試驗結(jié)果見表4。

射流沖擊器出井后鉆臺啟動結(jié)果表明，射流沖擊器井下工作103 h，仍然繼續(xù)工作，啟動排量為27 L/s，啟動壓力為2.1 MPa，在正常鉆井排量下工作正常。

表4 沖擊器鉆臺試沖工作情況

3.3 鉆頭使用情況分析

起鉆后，出井鉆頭新度在98%以上，圖3為出井后鉆頭各刀翼PDC齒磨損情況照片，照片中各刀翼PDC復(fù)合片未見明顯磨損，廠家對鉆頭評價為全新。較鄰井鉆頭的磨損情況有明顯的改善。

圖3 出井后鉆頭各刀翼PDC齒磨損情況

表5列舉了ATN-1123井與幾口鄰井相應(yīng)井段鉆頭純鉆時間、進尺及磨損情況。

從表5可見，與液動射流沖擊器配套鉆頭進尺647 m，鉆頭磨損最輕，驗證了采用液動射流沖擊器旋沖鉆井技術(shù)在提高機械鉆速同時，可有效增加單只鉆頭的進尺。

表5 本井及鄰井鉆頭使用情況對比

4 結(jié)論與建議

1)通過鉆具組合優(yōu)化設(shè)計，Φ228液動射流沖擊器匹配鉆頭優(yōu)選，以及液動射流沖擊器旋沖鉆井參數(shù)設(shè)計，在ATN-1123井12″井眼硬地層成功提速，與鄰井對比，平均機械鉆速同比提高了47%，為該區(qū)塊提速提供了有效的技術(shù)手段。

2)現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果證明，在高硬度、強研磨性地層，使用Φ228液動射流沖擊器，在不改變鉆井設(shè)計參數(shù)的情況下，改善了鉆頭井底破巖條件，在提高鉆井機械鉆速的同時，減少了鉆頭磨損，增加了鉆頭單次進尺。

3)基于液動射流沖擊器與PDC鉆頭直接配合的鉆具組合在ATN-1123應(yīng)用，其提速效果得到了充分的證明。如果在此基礎(chǔ)上增加其它動力鉆具(如螺桿等)，還需在鉆具組合和旋沖鉆井參數(shù)上進一步優(yōu)化，其在該區(qū)塊相應(yīng)地層的提速效果也有待進一步驗證。