自激振荡旋转冲击钻井技术应用

2015-12-19刘占魁张代娥周玉东

西部探矿工程 2015年8期

关键词：机械钻速技术应用

刘占魁，张代娥，杨军，周玉东

（西部钻探克拉玛依钻井公司，新疆克拉玛依834009）

自激振荡旋转冲击钻井技术应用

刘占魁*，张代娥，杨军，周玉东

（西部钻探克拉玛依钻井公司，新疆克拉玛依834009）

自激振荡旋转冲击钻井工具利用水力能量强化钻头冲击力，同时，优化井底流场并改善钻头和岩石受力状况，不改变常规钻进方式，易于操作。介绍了自激振荡旋转冲击钻井工具技术原理和技术特点，对自激振荡旋转冲击钻井工具相关使用要求进行了详细说明。通过实例介绍了ZJXC-178及ZJXC-230两种型号自激振荡旋转冲击钻井工具在新疆油田现场应用情况，对比邻井分析了机械钻速提高的程度，对提高同类井型或相近地质条件下深井和难钻地层机械钻速具有借鉴意义。关键词:井下工具；机械钻速；技术应用

近年来，伴随着钻井基础理论研究的进展和综合技术的进步，各种提速技术在提高钻井速度方面都展现出了一定的效果。如以高压水射流钻井技术为基础的井下增压器和配备地面高压泥浆泵的超高压射流钻井技术、以冲击钻井技术为基础的空气锤以及粒子射流钻井技术等。一些适用的提速工具应用越来越广泛，在一定程度上满足了钻井现场更优、更快、更省的需求。自激振荡旋转冲击钻井即是众多提速技术之一。

1 技术原理和特点

研究表明，脉冲射流作用下岩石的主要破坏形式是卸载及射流冲击产生的拉伸破坏，破岩效果优于连续射流。脉冲射流破岩效果随脉冲频率的增大呈现先增大后减小的趋势，存在一个最优频率范围，脉冲射流的速度、长度和数量增大时，岩石的破碎效率迅速提高。此外，井底水力脉动提高钻速机理研究表明，钻头水眼之间形成的井底高压区与低压区并存，有利于岩屑启动。合理配置钻头水眼促使井底局部区域压差增加，井底水力脉动产生的周期性井底压力变化，有利于岩屑清离井底。另外，冲击振动提高钻速机理表明，冲击和旋转联合作用利用了岩石抗剪能力低的特点，有利于岩石表面形成延伸程度不同的裂纹，是静压和动载联合作用下的破岩、是斜冲击破碎岩石，岩石破碎是冲击应力波作用的结果。应力波在岩石上的反射与透射，造成岩石的损伤，实现了辅助破岩。

在不增加地面机泵能力的条件下，利用水力能量或以水力能量驱动井下工具辅助破岩，是目前提高深部地层钻井速度的有效途径之一。自激振荡旋转冲击钻井工具是一种利用井底水力能量增强钻头冲击力、优化井底流场、改善钻头和岩石受力状况的一种井下工具。自激振荡旋转冲击钻井技术集成了水力脉冲钻井技术和冲击钻井技术的优势，通过冲击载荷+强化井底净化+改善岩石受力3种作用，依靠自激振荡旋转冲击钻井工具提高机械钻速。

自激振荡旋转冲击钻井工具由上部接头和中部自激振荡器以及下部冲击传递杆等组成。水力振荡元件置于钻头上方的工具壳体内部，水力振荡元件调制生成脉冲射流作用于与钻头相联的八方钻头传递杆上端。钻井液流经自激振荡器，产生水力脉冲作用于冲击传递杆，形成低幅高频机械冲击力传递至钻头，对钻头施加5～20kN、40Hz左右的周期性的机械冲击作用力，使钻头承受的钻压产生波动。由于振动载荷可相对降低岩石的破坏强度，故可提高钻头破岩效果。钻井液流经自激振荡器所产生的水力脉冲再向下传递，经钻头水眼喷出，形成脉冲射流作用于井底，强化了井底清洗作用，改善了井底岩石受力状况，提高了机械破岩效率。

与前期自激震荡旋转冲击钻井工具不同，改进型工具通过采用水电比拟的流体网络理论模型对各结构参数对于脉冲射流频率与压力幅值进行分析后，优化了该工具的水力结构关键部位，确定了上喷嘴与下喷嘴直径比为1.2，腔径与上喷嘴直径比为2.4，腔长与上喷嘴直径比例为0.355。针对水力元件中一级振荡腔及二级振荡腔的下喷嘴端面受冲刷最严重的部位，采取流线型设计、硬质合金局部加强、本体用碳氮共渗处理的合金钢、耐高温密封，耐温210℃等强化措施，确保自激振荡式旋转冲击钻井工具寿命满足施工需求。

技术特点：①与常规钻进方式相同，不改变现有工艺，对钻头和钻具组合无特殊要求。②有利于改善底部钻具组合力学特性，延长钻头的使用寿命，提高钻进效率。③整套工具强度不低于钻具的设计强度。④采用优化的水力结构和高耐磨材料可使水力振荡器寿命达到200h。与其它井下提速工具相比，自激振荡旋转冲击钻井工具优点：①采用优化的自激振荡式水力元件将调制的水力脉动转化为直接作用于钻头的机械冲击力，能量利用率高，工具压降小，约2MPa左右。②由自激振荡水力元件产生的冲击力具有小振幅、高频率的特点，对钻头和地层的适应性强。③结构简单，稳定性高，寿命长。工具参数见表1。

表1 自激振荡旋转冲击钻井工具参数

2 工具使用要求

钻具组合：钻头+自激振荡旋转冲击钻井工具+钻具止回阀（或浮阀)+钻铤。①钻具止回阀（或浮阀)根据实际确定，钻具组合根据实际配置。②易憋跳钻地层钻进时，加减震器减少钻具疲劳破坏，同时改善钻头在井底的工作状况。③如果使用钻具单流阀，下钻时应按规定灌浆。

2.1 准备

下入自激振荡旋转冲击钻井工具前一趟钻，起钻时按照使用自激振荡旋转冲击钻井工具推荐排量洗井、并记录泵压。起钻至表层套管适当位置时同样循环记录泵压。下入自激振荡旋转冲击钻井工具后在相同井深处重复上述过程、记录泵压，比较工具实际压降，为后续钻进奠定基础。此外，注意以下事项：①工具上下钻台戴好护丝，防止伤扣。②按照规定扭矩上扣。③坐好安全卡瓦，按照工具推荐值正常上扣和卸扣，不得在鼠洞内操作。④涂丝扣油前清理干净，确保丝扣螺纹和端面完好，并且确保丝扣油内没有杂质后按常规涂丝扣油。⑤泥浆泵上水端滤清器和立管滤子完好，尽可能减少布条、塑料袋和橡胶块等进入。⑥使用牙轮钻头时，根据井下工况采用3个不等径喷嘴，按大中小顺序组装，同时尽可能增大最大喷嘴和最小喷嘴直径的差值。使用PDC钻头时，在综合考虑防漏堵漏前提下确保钻头压降。⑦入井工具丝扣需要定期探伤。

2.2 钻进

钻进过程中，确保机泵工作状态良好，此外，注意以下事项：①使用型号ZJXC-178工具时，推荐钻井液排量大于32L/s，使用型号ZJXC-230工具时推荐排量大于50L/s。②均匀送钻，憋跳及时调整钻进参数，待憋跳现象消除后再逐步恢复正常钻进参数。③控制纯钻时间在200h。工具累计使用时间达到200h后，提钻时检查并更换损耗过大的零部件。钻进中若钻井液密度超过1.45g/cm3，除密切关注泵压和钻时的变化外，适当缩短工具井下使用时间。④当出现泵压异常、卡钻、井涌或井漏等情况时立即执行现场工程技术预案。⑤定期检查滤清器，发现异常立即更换。

2.3 起下钻

①起下钻过程中必须按照要求及时灌浆。②起钻过程避免拔活塞，起钻灌好钻井液。③出现井下复杂情况，以井下安全为原则并立即执行工程预案。④工具起出井口后认真检查工具，如果有损伤和裂纹，需要进行更换。

3 现场使用案例

3.1 阜东15井应用情况

阜东15井构造位置位于准噶尔盆地中央坳陷阜康凹陷东斜坡阜东5井西侏罗系齐古组岩性圈闭与阜东2井南侏罗系头屯河组二段岩性圈闭。设计井身结构∅339.7mm表套×400m+∅244.5mm技套×2500m+∅139.7mm油套×3790m。为提高阜东15井三开∅215.9mm井眼白垩系吐谷鲁群、侏罗系齐古组、头屯河组地层钻井速度，在2500～3547m井段使用了ZJXC-178自激振荡旋转冲击钻井工具。白垩系吐谷鲁群上部为巨厚层棕褐色泥岩、褐灰色砂质泥岩；底部为绿灰色细砂岩、含砾中砂岩、砂砾岩互层。侏罗系齐古组主要为巨厚层紫红色、棕红色泥岩夹薄层灰色细砂岩、粉砂岩。头屯河组岩性主要为灰绿色、绿灰色、灰色泥岩与灰绿色、灰色粉砂岩、细砂岩互层。

钻进中使用型号为FS2463BGX3的PDC钻头，钻压40～80kN、转速65～90r/min、排量28L/s左右、泵压18～21MPa，钻井液密度1.54～1.60g/cm3。使用时间225h，平均机械钻速4.65m/h。与邻井相比，阜东15井机械钻速较阜东10井提高21.7%。

3.2 JL2001井应用情况

JL2001井自二∅311.2mm井眼500m开始使用型号ZJXC-230自激振荡旋转冲击钻井工具，地层为白垩系吐谷鲁群，侏罗系头屯河组、西山窑组、三工河组、八道湾组。钻进井段500～2918m。使用的PDC钻头型号为M5568TG，排量48～50L/s、钻井液密度1.18～1.26g/cm3。使用时间250h，平均机械钻速9.67m/h。与邻井相比，JL2001井平均机械钻速较金201井提高51%。该井使用自激振荡旋转冲击钻井工具井段浅、钻井液密度低，钻井液排量大，自激振荡旋转冲击钻井工具提速效果明显。

3.3 吉33井吉34井应用情况

吉33井构造位置为准噶尔盆地东部隆起吉木萨尔凹陷东斜坡区，钻探目标二叠系芦草沟组致密油藏。设计井身结构∅339.7mm表套×400m+∅244.5mm技套×2600m+∅139.7mm油套×3830m。为加快二开井段钻井速度，在1740～2600m井段使用了ZJXC-230自激振荡旋转冲击钻井工具。钻进地层为侏罗系头屯河组(灰色泥岩夹砂质泥岩及砂岩)、西山窑组(灰色、深灰色泥岩、泥质粉砂岩，细砂岩夹煤层)、三工河组(灰色、深灰色泥岩、泥质粉砂岩，下部为厚层细砂岩)、八道湾组(深灰色、灰色泥岩夹粉砂岩、细砂岩及煤层)、克拉玛依组(中厚层灰色泥质粉砂岩、细砂岩、粉砂岩不等厚互层)。PDC钻头型号DFS1604U，钻井液密度1.37～1.42g/cm3、排量48～50L/s。工具使用时间136h，平均机械钻速6.32m/h。与邻井相比，吉33井机械钻速较吉28井相同地层提高45%，自激振荡旋转冲击钻井工具提速效果明显。吉34井是该钻井队继吉33井后在该区块承钻的另一口井。井身结构：∅339.7mm表套× 500m+∅244.5mm技套×2930m+∅139.7mm油套× 3960m。为加快二开井段速度，在500～2201m井段使用了ZJXC-230自激振荡旋转冲击钻井工具，进尺1701m。钻进地层为新近系至侏罗系。PDC钻头型号与吉33井相同。排量48～52L/s。工具使用时间106h，平均机械钻速16.1m/h。与吉33井对应井段相比，机械钻速提高27.6%。两个井为同一只钻井队施工，技术力量、机泵条件、钻进地层的岩性以及使用的钻头型号和钻进参数等均相同，对比性较强，表明使用自激振荡旋转冲击钻井工具起到了提高机械钻速的效果。其它井应用情况见表2。

表2 自激振荡旋转冲击钻井工具应用情况

试验应用期间，自激振荡旋转冲击钻井工具累计在准噶尔盆地新疆油田的7个区块推广应用17井次，总进尺9221m，平均机械钻速6.11m/h，整体提速37%。单只工具现场应用纯钻时间达到250h，工具安全可靠，未出现问题。

总体上，自激振荡旋转冲击钻井工具可以改善井底净化效果，减少岩石重复破碎，返出的岩屑颗粒较通常情况粗。此外，在百202井等配合使用牙轮钻头钻进，机械钻速提高20%以上。说明自激振荡旋转冲击钻井工具与钻头及地层有良好的适应性，牙轮钻头及PDC钻头均可配合使用。此外，使用自激振荡旋转冲击钻井工具不影响钻进参数调整、井身质量合格。