旋冲钻井在塔河工区深部硬地层的应用

程言东 辛建华

中石化华东石油工程有限公司六普钻井分公司 江苏镇江 212003

旋冲钻井在塔河工区深部硬地层的应用

程言东 辛建华

中石化华东石油工程有限公司六普钻井分公司 江苏镇江 212003

本文针对塔河油田油层埋藏深，地层硬，特别215．9mm井眼，机械钻速低问题，在旋冲钻井技术应用的基础上，对旋冲钻井破岩机理进行了描述，分析了钻压、转速、排量对冲击功、冲击频率的影响，阐述了旋冲钻井工具的工作机理，通过室内试验测试，确定了射流冲击器性能参数，进行了射流冲击器配套PDC钻头优选。突破性地应用射流冲击器与PDC钻头结合使用，为塔河油田深井钻井提速、提效提供了一种行之有效、安全可靠的钻井新工艺。

深井；射流冲击器；PDC钻头

目前，塔河工区油层埋藏深，井深普遍超过6000m，穿越多套地层，岩性变化频繁，砂砾岩地层对钻头损伤大，全井裸眼段长，4500m以深井段机械钻速低等难点。从该工区钻井施现况看，φ215.9mm井段地层较为难打，该井段地层的地层硬度达IADC4-7，岩石抗压强度：34-200MPa，变化范围较大，且地层软硬交错频繁，钻头在这种岩石中破碎起来非常困难，因此该井段的平均机械钻速较低、在整个钻井周期中占据时间最长，有较大的提速空间。

1.旋冲钻井技术简介

随着石油钻井技术的日益发展，勘探区域的不断扩大；井愈来愈深，地层年代愈来愈久远，岩石愈来愈硬，传统的旋转钻井方法愈来愈不能满足高速钻井的需要。在这种形势下，一种新型的钻井技术--旋冲钻井工艺技术诞生并发展起来了。在旋冲钻井中，钻头在旋转的同时通过冲击器对岩石产生高频动载冲击波，可有效提高破岩能力。

实现旋冲钻井技术的核心工具是液动射流式冲击器。射流式液动冲击器是以钻井液为工作介质，通过冲击器的射流元件产生按一定频率变化的射流，形成冲击器腔体内不同部位的压力变化从而推动活塞与冲锤上下往复运动，将流体能量转化为机械能量，并在钻头上施加冲击能，从而实现冲击与旋转联合破岩的工具。目前，中国石化石油工程技术研究院已成功研制了YSC-178型液动射流式冲击器，这种冲击器不影响钻井液的正常循环、工作性能稳定且冲击载荷可调可控，且循环压差较小（1-2Mpa），使用寿命较长（100小时以上），不工作时相当于一根短钻铤，可继续钻进，满足井下安全需要。不改变原钻具结构，可与井下动力钻具结合使用，特别对于深井硬脆性地层，提速效果明显。

2.塔河油田旋冲冲击器结构性能参数确定及PDC钻头选型

塔河地区石炭系-奥陶系地层φ215.9mm井段地层较为难打，该井段地层的地层硬度达IADC4-7，岩石抗压强度：34-200MPa，变化范围较大，且地层软硬交错频繁，钻头在这种岩石中破碎起来非常困难，平均机械钻速仅2m/h左右。

综合考虑塔河油田沙雅区块、托普台区块地层特点和PDC钻头的地层适应性，结合本区块钻井实践，对于石炭系及石炭系以下地层以压实性好的泥岩、灰岩为主，可钻性相对较差，推荐选择FX65DX3的PDC钻头，并采用双排齿设计，可有效降低载荷波动范围，进一步提高钻头使用安全。

3.旋冲冲击器+PDC钻头在塔河油田S116-3井、TP328X井的应用

3.1 S116-3井应用情况

S116-3井在库车县境内，该井设计井深6295m，为沙雅隆起阿克库勒凸起南斜坡带布置的一口评价井，目的层位：奥陶系中-下统鹰山组。因为该井首次进行冲击器与PDC钻头配合应用，为了既能保证S116-3井安全生产，又能保证实验效果，选取该井四开中完前100m井段进行试验应用，实际应用井段：5998.41-6086m（四开中完井深），地层为奥陶系上统桑塔木组、良里塔格组、恰尔巴克组。地层岩性主要为灰色泥岩、灰岩、棕红色泥岩。该井试验井段虽短，但由于钻穿多套地层，取得了较好的试验效果。同时验证了射流冲击器与PDC配合应用的可行性。旋冲钻进井段钻速与上部井段、下部井段，邻井相应井段对比情况见表1。

3.1.1 旋冲钻进钻具组合

钻具组合为：215.9mm FX65D+射流冲击器+配合接头+161.0mm无磁钻铤*1根+165.0mm钻铤*1根+212mm扶正器+165.0mm钻铤*14根+配合接头+127mm加重钻杆*9根+127mm钻杆+139.7mm钻杆

3.1.2旋冲钻井参数

钻井参数为：钻压6t，转速65rpm，排量27L/s，立压20.5MPa。泥浆性能：密度1.30g/cm3，粘度51s，失水4ml，泥饼厚度0.5ml，含砂量0.1%，PH值9，坂土含量32g/l。

3.2 TP328X井应用情况

在S116-3井探索射流冲击器+PDC应用的基础上继续开展了在TP328X井的应用。TP328X井旋冲钻井应用井段为5936.06-6025.49m，地层为奥陶系柯平塔格组。地层岩性主要为灰色泥岩与砂岩互层。钻井参数：钻压6-8t，转速70rpm，排量28-30L/s。泥浆比重为1.35g/cm3，粘度为55s。冲击器总进尺89.43m，总计入井时间143h，纯钻30.3h。正常钻进井段（5936-6008m）平均机械钻速为4.1m/h，整个旋冲钻进井段平均机械钻速3.12m/h，与上部相邻井段（2.28m/h）相比机械钻速提高36.8%，与最近的邻井TP19X（2.31m/h）相比机械钻速提高35.1%，PDC钻头出井仍然完好，新度为90%。再次证明了射流冲击器配合PDC钻头的可行性与安全性。近期将在塔河油田继续推广应用。旋冲钻进井段钻速与上部井段、下部井段，邻井相应井段对比情况见表2。

表1 S116-3旋冲钻井机械钻速与邻井机械钻速对比

表2 TP328X井与邻井及邻井段钻进效果对比

PDC钻头首次配合YSC-178射流冲击器的成功使用，拓宽了射流冲击器的应用范围，为塔河工区深井、超深井提高机械钻速提供了一个新的技术手段。

4.结论

（1）YSC-178射流冲击器在塔河工区深井、深超深井的应用，表明了该工具工作可靠，使用寿命超过100小时以上，同时能保证井身质量；

（2）采用射流冲击器在塔河奥陶系地层钻进，提速效果良好，与同井上下邻井段及邻井相同井段相比提速30%以上；

（3）旋冲钻井配合PDC钻头钻进方式切削的岩屑颗粒较大，有利于岩屑录井；

（4）还需进一步提高射流冲击器的工作寿命，使其有效工作寿命与PDC钻头使用寿命相匹配；

（5）射流冲击器结合PDC钻头使用还要继续探索应用，仍需继续优化钻头有较大提速空间，下一步准备运用5刀翼双排齿PDC钻头与冲击器结合使用，可获得更大提速空间。

[1]索忠伟，殷琨等．射流式液动锤内部动力过程的数学模型及仿真分析[J]．吉林大学学报(地球科学版)，2007，37(1)，200-203．

[2]徐小荷，余静．岩石破碎学[M]．北京：煤炭工业出版社，1987

[3]李梦刚，楚广川，张涛等．塔河油田优快钻井技术实践与认识[J]．石油钻探技术，2008，36(4)：18-21．

[4]屠厚泽，高森．岩石破碎学[M]．北京：地质出版社，1990

[5]张明勇．塔河油田长裸眼井快速钻井技术[J]．石油钻探技术，2004，32(1)：17-19．

程言东，男，江苏省徐州市人，高工，主要从事石油钻井技术研究及应用工作。

式中：为钻柱的抗拉强度，MPa。

正常钻进时钻柱的最大弯曲正应力为最大剪应力为。如若把这两项应力扩大n倍(n表示复合安全系数)，则由和决定的点就应该在椭圆范围内(含椭圆边界)：

因而钻柱在对称循环弯扭交变应力下的疲劳强度条件为：

6.2 不对称循环弯、扭交变应力作用下的强度条件

不对称循环状态更符合钻井实际所处应力状态，假设循环特征值r下，钻具的弯曲许用持久极限应力为：

由第三强度理论，并结合上式，可推得钻柱的扭转疲劳极限应力具有类似的计算公式：

式中：r为非对称应力循环特征值；为平均应力；σa、τa为应力幅；为材料对应力循环不对称性的敏感系数；为不变载荷许用应力，与材料屈服极限和静载安全系数有关。由此，与式14类同，可建立如下的强度条件：

7.结论

（1）给出了钻柱任一位置轴向力、剪切应力、弯曲应力的具体算法；

（2）应用经典强度理论，将钻柱各受力等效成当量应力，可计算平均应力及应力幅；

（3）以材料力学中的复合交变应力理论为基础，引入机械学疲劳强度计算方法，建立钻柱疲劳强度系数计算模型。

参考文献

[1]赵国珍等．钻井力学基础[M]

[2]章扬烈．钻柱运动学与动力学[M]．北京：石油工业版社，2001：3-28．

[3]张小柯，狄勤丰．钻柱涡动时弯扭组合交变应力下的强度计算[J]．天然气工业，2004；24(7)：49-57

[4]赵少汴，王忠保编著．抗疲劳设计[M]．北京：机械工业出版社，1997

[5]刘鸿文编．材料力学(下册)[M]．北京：高等教育出版社，1992

[6]章扬烈．一举多得的钻井技术措施—乳化钻井液的应用[J]．石油钻采工艺，1981；3(5)：52~59