减振技术在博孜区块砾石层钻井的应用

2021-04-17万教育张瑞平田军武余丽彬

西部探矿工程 2021年5期

丁红，万教育，张明，张瑞平，田军武，肖凯，余丽彬

(1.西部钻探定向井技术服务公司，新疆乌鲁木齐830026；2.西部钻探巴州分公司，新疆库尔勒841006)

库车前陆冲断带克拉苏构造带上部地层为高陡构造，砾石层发育，厚度大且分布广，最厚达到5900m，分为未成岩段、准成岩段和成岩段。博孜区块巨厚砾石层，浅层砾岩厚度1500～2000m，未成岩段胶结疏松，砾石含量高，砾径大，最大达到340mm，对钻头与工具冲击破坏作用强；准成岩段压实程度增加，胶结程度趋于致密，可钻性差，研磨性强；成岩段砾石含量减少，地层压实，岩性变化快。新近系库车组、康村组和吉迪克组砾岩PDC 可钻性5～7 级，牙轮钻头4～6 级，可钻性极差，钻井过程中跳钻严重[1]。第四系至新近系吉迪克组地层总体上属于中—高硬度、低可钻性岩石。上部库车组、康村组至吉迪克组地层位于上部大尺寸井眼段，存在砾石层段长的特点。针对大尺寸井眼段大段砾石层钻柱振动严重问题，钻柱振动[2]在频繁剧烈地发生时会造成钻头损坏、钻具磨损加剧以及迅速的疲劳破坏，甚至于钻柱断裂破坏等事故，一旦钻柱断裂，在影响钻井施工效率的同时，还增加了施工成本。根据砾石层特征，应用减振工具，并配套优化钻具组合与参数等，进一步提高趟钻进尺与工具的使用寿命，对于预防钻具事故，实现快速优质钻井具有十分重要的意义。

1 钻柱损坏情况及原因分析

1.1 钻柱损坏情况

统计近1 年在博孜区块所钻两口井在第四系西域组、新近系库车组砾石层采用常规双稳定器钟摆钻具组合钻进情况，钻柱损坏主要为接头断裂、稳定器母扣断裂。其中BZ102-1 井钻柱损坏为变扣接头断裂；BZ104-2井钻柱损坏为两次稳定器母扣断裂。这两口井在砾石层钻柱损坏致钻具断裂发生具体经过如下：

BZ102-1井二开Ø444.5mm井眼在203.32～778m段使用双稳定器常规钟摆钻具组合钻进，钻进参数为钻压10～12t，转速80r/min，泵压7～11MPa，排量55L/s，615～778m 段钻进过程中，钻具憋跳严重，偶尔会有憋停转盘的情况出现，钻进至井深778.02m，泵压由8.2～10.8MPa 范围下降至5.6MPa，悬重由87t 下降至69t，扭矩由12kN·m 降至3kN·m，起钻完发现钻具从Ø203.2mm钻铤和Ø228.6mm钻铤之间的变扣母扣上段断裂，井底落鱼通过打捞成功。

BZ104-2 井二开Ø444.5mm 井眼在201～1206m段使用双稳定器常规钟摆钻具组合钻进，钻进参数为钻压6～10t，转速60～80r/min，泵压7～11MPa，排量48～50L/s，第一次钻柱损坏断钻具，二开钻进至井深1206m，泵压由12.9MPa 降至6.5MPa，悬重93t 降至82t，扭矩由12kN·m 降至6kN·m，循环起钻完发现上稳定器母扣距台阶面140mm处断裂，井底落鱼通过打捞成功；第二次钻柱损坏断钻具，钻进至井深1351m，泵压由10.8MPa降至6.7MPa，悬重由98t降至90t，扭矩由12kN·m降至6kN·m，循环起钻完发现下稳定器母扣距台阶面145mm处断裂，井底落鱼通过打捞成功。

另外，在新近系库车组砾石层使用垂钻工具进行垂直钻井[3]，钻进中钻柱损坏情况以BZ3-1X井趟钻为例，在Ø444.5mm 井眼270～621m 段使用“牙轮钻头+垂钻工具+MWD”组合形式钻进，钻进参数主要为钻压6～16t、转速50～70r/min、泵压8～14.5MPa、排量60～65L/s，高钻压钻进扭矩波动大，憋跳严重，趟钻工具起出后本体和巴掌磨损严重，牙轮钻头失效；高排量造成泥浆泵泵压高，泥浆泵缸套易刺漏，井下仪器易被冲蚀，工具易磨损；趟钻完成后需要现场更换钻头、垂钻工具下钻。

1.2 钻柱损坏因素分析

通过对现场情况的调查分析研究可知，钻进时的振动及砾石地层等因素可导致钻柱的损坏。钻柱在井下工作条件非常恶劣，受力状态十分复杂，所受载荷有拉压、弯曲、扭转、冲击等，大多数情况下这些力是交变载荷；另外，由于钻柱涡动可引起钻柱与井壁间的摩擦和高频撞击，当用牙轮钻头钻入这种地层时，由于岩层不均，钻柱跳动严重，使钻柱在很大的动态力下工作，导致钻柱发生振动疲劳破坏。钻柱在钻进时的振动是导致钻柱损坏的关键因素。钻柱剧烈振动给钻井作业带来的危害主要表现在：不能均匀地加钻压和施加扭矩，使钻头早期破坏，影响钻头寿命和钻速；加剧钻柱疲劳破坏，以钻柱组件连接部位最为严重，常发生刺扣、断裂事故等。

博孜区块砾石层钻井，砾石含量高的地层多在Ø444.5mm大尺寸井眼的浅层分布，地质情况复杂，砾石层厚度不一，砾石大小不一，除了钻进过程中钻柱振动严重外，大尺寸井眼钻井为提高携岩能力，钻井排量一般较高，60L/s 以上高排量下钻井可能对钻具、仪器等井下工具具有较强的冲击、冲蚀和磨损作用，可能导致钻具疲劳损坏失效、刺漏、断裂等。另外，在转盘钻井时，通过转盘把一定的扭矩传递给钻柱，用于旋转钻柱和带动钻头破碎岩石，如果选择了不合适的转盘转速，使钻柱系统的工作转速没有避开临界转速范围，没有避免钻柱共振，会导致钻柱过早疲劳损坏；转速过快，钻柱会在井眼内摆动厉害，会加剧钻柱磨损。

2 减振工具工作原理及钻具组合

2.1 减振工具工作原理

2.1.1 多维冲击器

工具主要由水力元件振荡元件和多维冲击发生机构组成。其工作原理是钻井液经水力振荡元件调制生成脉冲射流，在经多维冲击发生机构转化为轴向冲击和扭转冲击。轴向冲击和扭转冲击协同作用，提高钻头的破岩钻井速度。流体脉动冲击，属于非刚性冲击，抑制了钻压及扭矩波动，具有缓冲减振作用。冲击载荷可抑制或缓解PDC 钻头在破岩过程中粘滑现象[4]，延长钻头寿命，增加钻头进尺，保证井下安全。

2.1.2 双摆工具

工具由陀螺外壳、稳定陀螺和耦合转子等组成，利用陀螺具有自稳性的特点，以加速度为动作衡量标尺，主动抑制因钻头切削岩层的跳动对钻杆产生的振动而带来的钻杆系各种涡动状态及振动。有效抑制钻头及钻柱的复杂运动状态，缓解井下振动，保护钻头和工具，延长其寿命，缓减“憋跳钻”现象，防止钻头、井下工具先期损坏，确保钻头牙齿对地层的持续吃入状态，提高有效钻进时效，从而提高切削效率。

2.1.3 减振器

减振器包括一个芯轴和外花键总成。该联锁装置允许在将旋转载荷转移至钻柱的同时控制向上和向下移动。减振器运用双向碟簧作用打破钻井作业中的振动载荷周期，使钻具适用一个范围更广的钻压。当轴向载荷产生时，碟簧组件能够有效吸收振动产生的能量，同时通过机械摩擦能消除部分振动力的作用，从而降低载荷，保护钻具[5]。

2.2 钻具组合的优化

根据博孜区块上部砾石层、钻具组合及井身质量要求等情况，钻具组合由双稳定器常规钟摆钻具组合、垂钻工具组合优化为“双稳定器常规钟摆钻具+减振工具”、“垂钻工具+减振工具”组合形式在现场试验应用，以缓解钻具在砾石层钻进中的疲劳损坏，延长使用寿命。从钻具组合功能上看，“垂钻工具+减振工具”组合形式更适宜于砾石层防斜、提速、提效的要求。

根据减振工具的工作原理、结构特征及参数要求，结合不同类型钻具组合形式，减振工具的安放位置也有所不同。多维冲击器通过液压缓冲作用，抑制了钻压及扭矩波动，一般安放在垂钻工具后面发挥作用。双摆工具是以加速度为动作衡量标尺，对钻头涡动进行抑制，因此一般双摆工具安放在PDC 钻头之后，减轻PDC钻头切削地层产生的跳动；有研究表明牙轮钻头的振动以钻铤的涡动为主，双摆工具则放置第一根钻铤后，或第一稳定器后，起到稳定钻铤作用，由此若使用垂钻工具，双摆工具安放在垂钻工具之后。含碟簧组件的减振器，一般安放于底部钻具组合所需要的位置，保护底部钻具组合和钻柱。

3 配套技术措施

当工具下入井底开始正常钻进时，需对钻压和转速进行合理匹配，以使工具性能得以完全发挥。钻进时要求送钻均匀，当发现井底憋跳较严重时，应适当减小钻压，待憋跳现象消除后再逐渐增大钻压。选择合适的钻井液性能及钻进排量，将钻碎的砾石颗粒带出。常规钻具钻井过程中，常出现扭矩施加不上和憋跳钻的现象，多维冲击器扭转方向上的高频冲击可以减小扭矩的波动，使钻柱扭矩顺利施加，通过观测钻柱扭矩波动以及井口转盘运转情况可以监测工具的工作情况。当钻井参数满足要求时，减振工具的压降在额定范围内，钻井过程中需要密切关注泵压的变化以监测工具的工作情况。减振器在现场无法调整，出井后，用水冲洗工具内径和外壁，重新安装护丝以便运输。

4 应用效果

截至目前，已在博孜区块3口井浅层砾石层段试验应用不同类型的减振工具及组合，从使用情况看，比常规钻具组合单趟钻进尺高，未发生明显钻具磨损及断裂情况，其中BZ17井使用双摆工具钻具组合在新近系库车组单趟钻进尺最高达到510.00m，纯钻时间达到270.00h，有效延长了钻头、钻具的使用时间；BZ3-3X井应用“国产垂钻+多维冲击器”组合单趟钻进尺达到328.00m，纯钻时间84.00h，与仅使用国产垂钻工具的钻具组合相比，既提高了机械钻速，也延长了垂钻工具使用时间；使用“PowerV+减振器”钻具组合单趟钻进尺达到210.00m，纯钻时间89.00h，趟钻纯钻时间比仅使用国产垂钻工具的钻具组合时间稍长8.71h，一定程度上起到了延长垂钻工具使用时间作用；BZ104-2 井使用“减振器+双稳定器常规钟摆钻具”组合，未再发生钻具断裂情况，单趟钻进尺及纯钻时间比使用双稳定器常规钟摆钻具组合钻进具有较明显的提高。见表1。