陳曉勇

（湖南省礦產(chǎn)資源調(diào)查所，湖南 郴州 423000）

0 前言

鉆探施工中發(fā)生井內(nèi)事故在所難免，尤其在繩索取芯鉆探工藝中，繩索取芯工藝鉆桿與井壁間隙很小，通常在2～4mm，鉆具下部巖芯管的擴孔器上都沒有空隙。因此一旦發(fā)生事故，鉆具遺留井內(nèi)，而且處理事故的方式有限。為了避免報廢鉆井造成巨大的損失，該課題研究了如何結(jié)合運用震擊器和螺桿鉆具來處理井內(nèi)事故。

1 震擊器和螺桿鉆具的認識

1.1 震擊器

震擊器是一種典型的震擊類的解卡重要工具，但因為價格比較昂貴和行業(yè)交流欠缺的原因，導(dǎo)致在我們小口徑鉆探中幾乎很少用到震擊器。它一般用于油井中深井的砂卡、封隔器卡和落物卡等卡鉆事故。

工作原理：GS95型超級震擊器是通過錐體活塞在液缸內(nèi)的運動壓縮液體和鉆具被提拉貯能來實現(xiàn)上擊動作的。安裝在超級震擊器上方的鉆具被提拉時，超級震擊器的錐體活塞壓縮液體，由于錐體活塞與密封體之間的阻尼作用，為鉆具貯能提供了時間。當(dāng)錐體活塞運動到釋放腔時，隨著高壓液壓油瞬時卸荷，鉆具突然收縮，產(chǎn)生向上的動載荷，為被卡的鉆具提供巨大的打擊力。

震擊器的規(guī)格和性能參數(shù)見表1。

表1 震擊器規(guī)格性能參數(shù)表

1.2 螺桿鉆具

螺桿鉆具是一種井底動力鉆具，有許多突出的優(yōu)點，在繩索取芯鉆井中應(yīng)用最廣泛，也是在鉆井過程中常用的一種定向、造斜、糾偏工具。

工作原理如下：螺桿鉆具是一種把液體的壓力能轉(zhuǎn)換為機械能的能量轉(zhuǎn)換裝置。它是以泥漿為動力的一種井下動力鉆具。泥漿泵排出的高壓泥漿液流入旁通閥，使閥芯關(guān)閉，泥漿在馬達進出口處形成一定壓差，推動馬達的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并將扭矩和轉(zhuǎn)速通過萬向軸和傳動軸傳遞給鉆頭，達到鉆井的目的。

2 擊器和螺桿鉆具在頁巖氣鉆井中的結(jié)合運用

現(xiàn)結(jié)合2019年云南宣地1井頁巖氣鉆探施工項目中的事故處理過程來淺談液壓震擊器和螺桿鉆具的實際結(jié)合運用。

項目情況如下：云宣地1井是一口頁巖氣調(diào)查井，設(shè)計井深1680m，終井井徑95mm。井身結(jié)構(gòu)為五開結(jié)構(gòu)：194mm套管下至井深9m，168mm套管下至井深37.5m，146mm套管下至井深44.35m，114mm套管下至井深275m處，以下口徑為95mm。

井內(nèi)事故情況如下：在施工過程中，由于跑鉆導(dǎo)致鉆具滯留井內(nèi)，事后用89mm公錐進行處理，在上提時，因錐子錐得不夠牢固，再一次脫落，在反復(fù)脫落的過程中，鉆具多部位受損，在井內(nèi)形成喇叭狀貼緊井壁，使簡單的跑鉆事故變成了復(fù)雜的井內(nèi)事故。最后一次用公錐提鉆的過程中，鉆桿從679m處脫落，至此導(dǎo)致井內(nèi)遺留780m鉆桿，然后再也無法用此方法進行事故處理作業(yè)。事故處理作業(yè)處于僵局狀態(tài)。

綜上所述，目前井內(nèi)鉆具滯留的主要原因是鉆具受損后，緊貼井壁形成了較大的上提阻力，導(dǎo)致公錐反復(fù)脫落，強行硬拉只能使井內(nèi)情況變得更加復(fù)雜。根據(jù)井內(nèi)現(xiàn)狀，該文決定用石油鉆井中處理事故的一種常用處理工具液壓震擊器對剩余的井內(nèi)鉆具進行處理。當(dāng)滯留井內(nèi)鉆具所剩不多后再采用螺桿鉆具進行偏斜繞障的方式完成最后的鉆探工作量，達到完井的目的。

2.1 震擊器的運用

震擊器運用于事故處理前需要進行一些必要性測試。首先，檢查液壓油的情況，如果需要添加壓油，應(yīng)當(dāng)使震擊器處于拉開狀態(tài)，然后注入用L-HM32抗磨液壓油。

其次，在試驗架上用45kN的拉力進行拉壓試驗。此過程應(yīng)該均勻、平穩(wěn)、緩慢、無急跳和爬行現(xiàn)象，并反復(fù)進行三次。接著調(diào)定試驗架活塞桿空載運動速度為400～650mm/min，試拉3～5次，其震擊釋放力符合規(guī)定的標(biāo)定釋放力要求為合格。若不合格，就將產(chǎn)品拆卸檢查，排除故障后再重新試驗。

運用震擊器處理事故前，部分配件的加工如下。震擊器一般用于石油鉆井中，在頁巖氣和小口徑的鉆探施工中運用很少，因此扣型與我們現(xiàn)有鉆具扣型不匹配，在連接前首先加工對應(yīng)接頭。震擊器上部是API接頭螺紋，接頭類型NC26，按照（圖1）標(biāo)準(zhǔn)加工一個震擊器上部連接頭，接頭上部通過鉆桿接箍連接89mm鉆桿。震擊器下部再加工一個圓接箍，接箍上部為API接頭螺紋，下部接頭類型NC38的89mm鉆桿扣加工成上公下母的形式，上部連接震機器，下部連接89mm公錐。

圖1 震擊器上部絲扣加工圖

打撈鉆具的連接方式采用89mm鉆桿接箍（上公下母）+GS95震擊器接箍（上公下母）+89mm公錐。將連接好的打撈鉆具下入井內(nèi)，當(dāng)錐子到達678m左右后合上立軸，輕轉(zhuǎn)鉆機讓鉆具緩慢下行，當(dāng)錐子與事故頭觸碰后，采用逐步加壓的方式進行加壓旋轉(zhuǎn)，讓錐子與事故頭充分吻合。在操作中我們通常采用鉆機的受力狀態(tài)的改變來判斷是否連接牢固。對接操作完成后，即可進行震擊提拉鉆具。在鉆具提拉過程中，錐子與事故頭雖然連接，但在上提過程中無法受力迅速脫落。多次嘗試對接、提拉無果，錐子與事故頭無法穩(wěn)固連接，因此震擊器在本次打撈中發(fā)揮不了震擊作用，需要重新分析研判井內(nèi)情況，制定鉆具連接方案。失敗原因分析如下。錐子與事故頭充分接觸后，無法承受鉆機的上拉力，考慮事前用公錐反復(fù)處理落魚時已對事故頭造成嚴重劈裂，在鉆機加壓往下推移的過程中，錐子還沒有完全與事故頭吻合，GS95震擊器就已經(jīng)頂住了事故鉆桿，使打撈鉆具無法繼續(xù)下行，導(dǎo)致公錐與事故頭不能進行有效吻合。要達到充分連接的目的，打撈鉆具應(yīng)有足夠的下行距離，使公錐錐到事故鉆具體的完整部分，才有可能滿足鉆機的提拉力并抵抗住震擊器的瞬間震擊力。

針對井內(nèi)實際情況，現(xiàn)對打撈鉆具進行如下改良連接。第一次事故處理時GS95震擊器直接連接了89mm公錐，這種連接局限了錐子往下充分推動的行程，因GS95震擊器基本與事故鉆桿同徑，阻力點在震擊器下部，要解決這個問題只需要在震擊器下方連接一根6米長的50鉆桿，然后將89mm公錐連接到50mm鉆桿端，這樣連接后的錐子碰到事故鉆桿后往下推移的最大行程就達到了6米以上，于是就解決了錐子與事故頭不能充分連接的難題。在這個過程中需要加工一個圓接箍，接箍上部API接頭螺紋連接震擊器，下部連接普通50mm鉆桿，圓接箍按上公下母的形式設(shè)計加工。改良后的具體連接方式為89mm鉆桿接箍（上公下母）+GS95震擊器接箍（上公下母）+50mm普鉆鉆桿接箍（上公下母）+89mm公錐。

將改良連接好的鉆具組合下入井內(nèi)，當(dāng)錐子下至井內(nèi)678米左右處，采用輕壓慢轉(zhuǎn)的方式進行對接，鉆具下到682米時，鉆機旋轉(zhuǎn)明顯受力，初步判斷錐子與事故頭吻合。為了確保震擊器充分閉合，用鉆機往鉆柱上施壓，使鉆柱傳遞到超級震擊器心軸上的壓力約3～4噸為宜。提鉆震擊時，應(yīng)把握好提鉆的速度和拉力，使鉆桿產(chǎn)生一定的彈性伸長度，然后剎住剎把，等待震擊器啟動震擊。因井下情況的不同，震擊所發(fā)生的時間會有差異，因此需要根據(jù)具體操作進行初步判斷，像這種井內(nèi)事故震擊后需要再一次震擊或者多次震擊才能產(chǎn)生明顯效果，因該井內(nèi)鉆具變形較為嚴重，第一次震擊后并無明顯效果，根據(jù)震擊器的工作原理，只能對井內(nèi)鉆具進行多次反復(fù)的震擊操作，來實現(xiàn)滯留井內(nèi)鉆具解卡的目的。

震擊器的效果分析如下。通過震擊器反復(fù)多次震擊后，滯留在井內(nèi)的780米鉆桿提上來546米。效果比較顯著，同時為下一步的事故處理奠定了良好的基礎(chǔ)。

2.2 螺桿鉆具的運用

通過GS95震擊器的反復(fù)震擊打撈，目前井內(nèi)仍遺留鉆桿234m，且鉆桿內(nèi)有之前處理事故脫落已損壞的可退式打撈矛，無法開展震擊打撈工作。此時，為了如期完成該項目的施工，可以采用螺桿鉆具偏斜繞障的方式完成后面的工作量，達到完井的目的。

目前，國內(nèi)外修井專家都一致把側(cè)鉆技術(shù)作為盡快解除井下事故行之有效的手段。且該次使用的螺桿鉆具側(cè)鉆技術(shù)適用范圍廣、可靠性高、對完井作業(yè)影響小，應(yīng)用廣泛，是常規(guī)的鉆井技術(shù)之一，因此該次采用螺桿鉆具繞障側(cè)鉆完井是比較理想的方案。

云宣地1井具備了側(cè)鉆施工的條件如下：1） 側(cè)鉆部位以上的裸眼井段巖性為粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖，砂質(zhì)含量高，巖石強度大，穩(wěn)定性高，能夠產(chǎn)生穩(wěn)定連續(xù)不斷的造斜力。2） 事故頭以上至側(cè)鉆點有足夠長度注入水泥塞，能避開原井眼的復(fù)雜情況對鉆新井眼的影響。3） 為避免井下地層壓力較低或較高而發(fā)生壓差卡鉆，故在側(cè)鉆過程中會重新調(diào)配鉆井液，并加入潤滑劑或用防卡鉆井液體以防止卡鉆。

該井的事故頭在1225米，要確保用1.25°的螺桿鉆具在偏斜的過程中有足夠的行程距離，當(dāng)鉆具到達井內(nèi)1225米處時，已經(jīng)成功開出新眼繞過障礙。首先，通過三角函數(shù)公式tan=/計算出到達井深1225米處時已經(jīng)完全開出心眼的理論長度為=2.8米，這里需要考慮井的自身傾斜度和實際偏斜鉆進中的誤差值及水泥塞的硬化強度等多方面的因素，結(jié)合理論數(shù)據(jù)并參考經(jīng)驗值，最后決定該次側(cè)鉆水泥塞長度設(shè)計為30m。

鉆頭選取：對巖石可鉆性5級以上的地層一般選用金剛石鉆頭。

鉆具選取：鉆具選取應(yīng)根據(jù)側(cè)鉆井眼軌道設(shè)計（包括井眼大小、井眼造斜率和井斜角的大?。┘暗貙拥能浻渤潭冗M行選擇。對一些側(cè)鉆點深、地層硬度大、井眼大、井下側(cè)鉆點處情況復(fù)雜的井，應(yīng)采取大彎度螺桿鉆具進行側(cè)鉆。云宣地1井側(cè)鉆點相對較淺，井下側(cè)鉆點處地層硬度適中、井眼小，井下情況簡單，故本次側(cè)鉆鉆具采用1.25°螺桿即可滿足側(cè)鉆要求。

綜上所述，該試驗的鉆具組合為89mm鉆桿+75mm螺桿（1.25°）+95mm金剛石鉆頭。

打水泥塞：按照計算出來的水泥塞的長度30米的標(biāo)準(zhǔn)進行注入，水泥漿液的比例按照1∶1的比例進行調(diào)配。根據(jù)井內(nèi)情況，使用高標(biāo)號水泥，采用水下灌注法注水泥塞，封隔住1195～1225m井段，并取樣檢測水泥的強度候凝48h，當(dāng)水泥的強度滿足要求后，調(diào)整好鉆井液的性能下鉆造斜。

側(cè)鉆造斜：螺桿鉆具下入井內(nèi)之前先對定位槽、旁通閥、馬達間隙幾個部位進行檢查。以上部位無任何異常后計算出螺桿馬達所需的泵壓。事故處理時，泥漿泵泵出的鉆井液路徑為立桿－水龍頭－鉆桿－螺桿鉆具（馬達）－通過鉆頭水眼及環(huán)空返回地面。在泥漿的循環(huán)過程中，泥漿本身的摩擦和鉆井液與管壁、井壁的摩擦及各局部流動造成的損失都會消耗一部分的能量，該能量損失通過壓力損失體現(xiàn)出來，然后把各部分的壓力損失累加，就可得出壓力損失之和。計算出總壓力損失后，這個數(shù)值可以作為泵壓的一個參數(shù)。其實這種計算壓力損失的方法太復(fù)雜，在實際運用中常采用另一種方法進行計算。操作中，只要將鉆具適當(dāng)提離井底約1m左右，把泥漿泵掛到檔位4（理論流量250L/min，理論壓力2.5MPa），主管壓力表上的讀數(shù)值為2.95MPa，那么這個數(shù)值就是總壓力損失值。得到壓力值后就可以開始進行側(cè)鉆造斜施工。將螺桿鉆具下入井內(nèi)施工前應(yīng)該保證鉆頭離井底約0.5米，啟動泥漿泵且知曉壓力表所顯示的數(shù)值，并與之前計算出來的壓力值進行比對，假如該數(shù)值比之前計算出來的壓力數(shù)值大，需要認真分析導(dǎo)致壓力過高的原因。出現(xiàn)這種情況有以下幾個方面的因素：第一，由鉆頭側(cè)鉆引起；第二，鉆頭水眼被堵或轉(zhuǎn)動軸被卡死，如果是這樣，此時循環(huán)壓力要比計算壓力高得多，就需要及時進行處理，才能繼續(xù)進行偏斜鉆進。假如循環(huán)壓力正常，則從側(cè)鉆點1195m處開始造斜。側(cè)鉆造斜開始時必須控制鉆時鉆壓及排量等重要參數(shù)，故側(cè)鉆造斜時盡量控制鉆壓在10kN內(nèi)，泵壓4～6MPa，排量145L/min，控制鉆速在0.1m/10min～0.1m/15min。當(dāng)側(cè)鉆偏斜鉆進進尺速度越來越緩慢時，說明鉆井軌跡已經(jīng)逐步由水泥塞往原始地層方向在鉆進。在鉆進至井深1220米或者1225米時，偏斜井深已經(jīng)鉆進完成，遠遠超過計算出來的偏斜深度。此時可以將鉆具換成正常鉆進的鉆具組合，即95mm鉆頭+95.5mm擴井器+95繩索取芯雙管鉆具+95mm繩索鉆桿+專用接頭+主動鉆桿進行取芯鉆進。通過偏斜后第一次取芯（圖2左）情況判斷，新鉆井還沒有完全形成，因此在后續(xù)的鉆進中還得將鉆進壓力控制在10kN以內(nèi)，以確保鉆具的運行軌跡沿著螺桿鉆具造斜的方向鉆進。當(dāng)提取的巖芯是完整新地層巖芯后（圖2右），證明造斜成功，此時可以調(diào)整正常鉆進參數(shù)鉆進。

圖2 巖芯

3 結(jié)語

該研究在云宣地1井事故的處理中充分將GS95液壓震擊器和1.25度的螺桿鉆具的功能進行有效組合使用，把該事故的損失降低到了最小，并如期完成了該項目的施工。在鉆井施工中多種工具的結(jié)合使用能在很大程度上提高事故處理的效率。各種大小鉆鉆井施工原理相通。所以石油鉆探中很多工具和方法同樣值得在小口徑鉆井施工中去學(xué)習(xí)和運用。