松科2井带涡轮钻具取心钻进探索

2019-02-27王稳石张恒春曹龙龙

钻采工艺 2019年1期

闫家，王稳石，张恒春，许洁，曹龙龙

(中国地质科学院勘探技术研究所)

松科2井位于松辽盆地东南断陷区徐家围子断陷带宋站鼻状构造上，是我国目前设计钻孔最深的一口大陆科学钻探井，设计井深6 400 m；该井于2014年4月13日凌晨开钻，当前井深是5 922.58 m，四开已完井。主要钻探目的是通过科学钻探工程获取松辽盆地白垩纪地层原位、连续的岩心资料和地球物理参数，为松辽盆地及类似盆地的地球物理勘探树立科学“标尺”；填补完整和连续的白垩纪陆相沉积世界纪录和空白。

在松科2井施工中，针对该井井深、井内温度高、取心裸眼井段长等复杂问题[1]，研究应用了很多新工艺、新技术。涡轮钻具作为关键井下动力钻具，具有无橡胶零部件、无横向振动、耐高温(250℃～300℃)等特点，钻进过程中能改善井身质量，可实现安全、高效地钻进，在深井和超深井的应用备受关注[2-3]。松科2井利用涡轮钻具在大口径、深部地层井段实施取心钻进作业，克服了地层高温难题、有效提高取心钻进机械钻速，缩短了四开完井工期。

一、松科2井工程要点

1. 地质要求与井身结构

1.1 地质要求

(1)设计井深：6 400 m，Ø152 mm口径完井。

(2)目的层：嫩江组、营城组、沙河子组、火石岭组、松辽湖盆基底。

(3)取心井段： 1 074～1 134 m、1 185～1 245 m、2 865～6 400 m。

(4)岩心要求：岩心直径不小于90 mm、全井平均岩心采取率不小于95%。

(5)井斜要求：垂直开钻，完井井斜不大于11.4°，完钻水平位移不大于216 m。

1.2 井身结构

松科2井设计井身结构见表1。

表1 松科2井井身结构设计

2. 工程特点

(1)井深6 400 m，是我国目前最深的大陆科学探井，也是国际含油气沉积岩地层中实施最深的环境科学探井[4]。

(2)井温高。地温梯度(3.8～4.0)℃/100 m，完钻井底温度达到240℃～250℃，是我国从未有过、国际上也较少遇见的高温科学探井。

(3)裸眼时间长。长期的钻柱扰动、频繁起下钻的压力激动、沉积岩长期遭受浸泡等，维护井壁稳定、确保井眼质量非常关键。

(4)可借鉴参考的资料少、对泉头组以下性质缺乏认识，取心、钻进、护臂措施有待摸索。

3. 工程进展

截至2016年11月18日，松科2井四开取心钻进达井深5 922.58 m，顺利完钻。四开在Ø216 mm井眼中采用了“同径取心”、“涡轮钻取心”及“绳索取心”技术共进尺1 380.34 m，获取岩心1 285.13 m；期间，综合录井242 d，并完成1 285.13 m岩心的编录、扫描、浇筑；综合测井1次，获取了松科2井四开井段全面、完整、连续的测井数据；下Ø177.8×11.51 mm尾管1 539.86 m，完成四开固井。

二、涡轮钻具取心钻进应用

1.涡轮钻具结构及工作特点

作为一种井下动力钻具，涡轮钻具将钻井液的液压能转换为驱动钻头回转的机械能，从而达到钻头破岩功能，其主要组成部件包括涡轮节、齿轮减速器及支承节等[5]。涡轮节是动力部分，是实现能量转换的关键；齿轮减速器能按一定减速比降低涡轮钻具输出转速并按照相应比例提高输出扭矩；支承节用于承受水力载荷及钻压反作用力。涡轮钻具的整机通常由多节涡轮节与单根支承节或多根涡轮节联接齿轮减速器与单根支承节组装而成。

涡轮钻具属于轴流式水力机械，其输出性能的优劣取决于涡轮节中定子和转子的设计水平，而工作时间的长短由支承节中推力轴承的寿命决定[6]。涡轮钻具关键性能参数包括：扭矩M、功率N、压降p、效率η及转速n，其理论特性如图1所示。

图1 涡轮钻具理论特性曲线

2.松科2井涡轮钻具取心钻进的实施

2.1 钻具组合

三开涡轮取心钻进：

(1)Ø311孕镶金刚石钻头(内径214 mm)+Ø298 mm×11.35 m取心钻具+转换接头+Ø240 mm涡轮钻具(2根涡轮节)+Ø203 mm钻铤+Ø308 mm扶正器+转换接头+Ø177.8 mm钻铤+转换接头+Ø139.7 mm钻杆+方保接头+下旋塞阀。

(2)Ø311 mm孕镶金刚石钻头(内径214 mm)+Ø298 mm×11.35 m取心钻具+TRO240涡轮钻具(俄罗斯减速涡轮)+Ø308 mm扶正器+Ø203 mm钻铤+转换接头+Ø177.8 mm钻铤+转换接头+Ø139.7 mm钻杆+方保接头+下旋塞阀。

(3)Ø216 mm孕镶金刚石钻头(内径124 mm)+Ø194 mm×21.5 m取心钻具+转换接头×2+Ø240 mm涡轮钻具(2根涡轮节)+转换接头+Ø203 mm钻铤+转换接头+Ø177.8 mm钻铤+转换接头+Ø139.7 mm钻杆×1柱+滤网接头+Ø139.7 mm钻杆+方保接头+下旋塞阀。

四开涡轮取心钻进：

(1)Ø216 mm孕镶金刚石钻头(内径124 mm)+Ø194 mm×11.5 m/21.85 m取心钻具+KWL178涡轮钻具(2根涡轮节)+Ø177.8 mm钻铤+转换接头+Ø139.7 mm钻杆×1柱+滤网接头+Ø139.7 mm钻杆+方保接头+下旋塞阀。

(2)Ø216 mm孕镶金刚石钻头(内径124 mm)+Ø194 mm×21.85 m取心钻具+WL195涡轮钻具(1根涡轮节)+Ø177.8 mm钻铤+转换接头+Ø139.7 mm钻杆×1柱+滤网接头+Ø139.7 mm钻杆+方保接头+下旋塞阀。

2.2 涡轮钻具取心钻进效果

松科2井三开井段进行了4个回次Ø240 mm直径的国产常规涡轮钻具和俄罗斯减速器涡轮钻具取心试验，是国内首次尝试涡轮钻具在科学钻探深井中取心，在获得一定涡轮钻具钻井操作经验时也反映出钻进立压高、扭矩小的问题，分析主要原因是井内循环压降较大、Ø240 mm涡轮钻具无法在大排量下正常运转，三开涡轮钻具取心钻进效果见表2。其中，在40～60 L/s工作排量下，俄罗斯TRO240型减速器工作转速范围为135～205 r/min，工作扭矩4 162～9 365 N·m，耐温130℃；国产Ø240 mm涡轮钻具工作转速在250～500 r/min，工作扭矩4 120～9 270 N·m，可耐温250℃～300℃。受耐温性限制，俄罗斯TRO-240减速器涡轮钻具入井1回次，单回次取心效果略优于国产240涡轮钻具。

表2 松科2井三开涡轮钻取心技术指标

在松科2井四开井段自井深4 886.28 m后连续7个回次至井深5 028.12 m，螺杆钻具取心纯钻进时效由之前回次的1.17 m/h下降至0.50～0.60 m/h。分别从取心钻头结构和金刚石参数进行多次调整，效率均未有提升；在井深5 130.00 m采用螺杆+液动锤的井底驱动，效果不明显。因此，分别在井深5 028.12 m及5 175.96～5 905.43 m井段使用了勘探技术研究所自主研制的小排量高速全金属KWL178型涡轮钻具及中国石油大学(北京)研制的WL195型带减速叶轮涡轮钻具共进行15回次涡轮钻具取心试验，所用取心钻具为11.5 m和21.85 m单动双管钻具。统计分析松科2井相同层位采用螺杆钻具、螺杆钻具+液动锤、涡轮钻具及纯转盘驱动Ø194 mm取心钻具的取心效果对比如表3所示。

表3 松科2井四开涡轮取心技术指标对比

结果显示，在地层岩性基本相同、钻井液性能不变的基础上，松科2井四开中涡轮钻具取心钻进机械钻速最高可达1.33 m/h，是同地层螺杆钻具取心钻进机械钻速的2倍、纯转盘取心钻进机械钻速的2.5倍以上。同时，涡轮钻具取心钻进也表现出容易磨损岩心造成收获率偏低现象，图2是涡轮钻具所取岩心与螺杆钻具所取岩心对比情况。

2.3 涡轮钻具取心存在的问题

(1)在石油钻井中用于全面钻进的涡轮钻具在大陆科探井中驱动取心钻具进行“同径取心”钻进时泵压较高，不利于通过增大排量来增大涡轮钻具输出扭矩、功率。

(2)带减速器的涡轮钻具因含橡胶件不适应松科2井高温地层，但具有降低转速增大扭矩的特性，而国产常规涡轮钻具耐高温，但转速过高容易磨损岩心、加快扩孔器、钻头的磨损。

图2 涡轮钻具与螺杆钻具所取岩心

(3)松科2井所用取心钻具的单动机构主要零部件包括上接头、轴承腔、推力球轴承、心轴，如图3所示；在钻井液开式润滑条件下，推力球轴承无法适应涡轮钻具的高转速，单动性能失效造成取心钻具的岩心管内壁结垢，直接产生堵心效应。

图3 单动机构

三、涡轮取心钻进工艺改进方法

松科2井采用“大口径同径取心”能有效节约钻时及经济成本[7]，但要求钻井排量比同井况全面钻进所需排量小，在2 860～4 542.24 m井段Ø311 mm井眼中使用Ø298 mm取心钻具，控制排量Q≤40 L/s；在4 542.24～5 922.58 m段Ø216 mm井眼中使用Ø194 mm取心钻具，控制排量Q≤25 L/s。为避免出现Ø240 mm涡轮钻具取心过程中出现的“大排量、高泵压”现象，KWL178涡轮钻具设计额定工作流量为20 L/s，正常取心钻进使用流量范围为18～21 L/s，单节涡轮节可产生扭矩850～2 315 N·m。同时，为增强长筒取心钻具与涡轮钻具同轴旋转稳定性，在松科2井四开中为涡轮钻具配备了螺旋稳定器，有效改善了岩心的偏磨现象。

针对取心钻具的单动机构所产生转速与涡轮钻具的输出转速不匹配的问题，在实际应用中研制了带圆弧滚道轴承的单动机构，该机构所用推力轴承与涡轮钻具支承节配套使用的圆弧滚道轴承结构相同、作用原理一致，具有高转速、耐冲击的特性[8-9]。