自激振蕩式?jīng)_擊鉆井工具在吉木薩爾地區(qū)的應(yīng)用

王海濤 ，張偉 ，王國斌 ，李君 ，代夢瑩

（1.長江大學(xué)，湖北 武漢 430100；2.中國石油新疆油田公司勘探公司，新疆 克拉瑪依 834000）

吉木薩爾凹陷位于準(zhǔn)噶爾盆地東部隆起，二疊系蘆草溝組致密油層在整個凹陷均有分布，存在上下2個“甜點”體，資源量豐富，勘探潛力大，是新疆油田重要的資源接替區(qū)域和“新疆大慶”建設(shè)的主戰(zhàn)場。但吉木薩爾凹陷蘆草溝組致密油埋藏較深，三疊系、二疊系地層膠結(jié)致密，研磨性強(qiáng)，可鉆性差，機(jī)械鉆速低，鉆井周期長，嚴(yán)重影響了該區(qū)域的勘探進(jìn)程。盡管脈沖空化射流鉆井、等離子通道鉆井、沖擊鉆井、粒子射流鉆井、超高壓噴射鉆井、控壓鉆井等技術(shù)可以提高鉆探效率［1-8］，但這些技術(shù)在現(xiàn)場應(yīng)用中均存在一定的不足［9］，如粒子射流鉆井技術(shù)設(shè)備復(fù)雜、投資大，超高壓噴射鉆井技術(shù)需要提供高壓泥漿泵。自激振蕩式?jīng)_擊鉆井工具綜合了沖擊振動鉆井［10］和脈沖鉆井［11］2 種技術(shù)的優(yōu)點，通過加載沖擊載荷改善巖石受力狀態(tài)，強(qiáng)化井底井場凈化，能夠有效地提高機(jī)械鉆速。為此，在吉木薩爾地區(qū)應(yīng)用了自激振蕩式?jīng)_擊鉆井工具，且提速效果顯著。

1 作用機(jī)理

1.1 工作原理

1）機(jī)械沖擊：該工具通過鉆頭驅(qū)動短節(jié)與鉆頭配合安裝，鉆井液高速流經(jīng)自激振蕩器，形成流體壓力脈動作用于沖擊傳遞桿，產(chǎn)生機(jī)械沖擊力傳遞至鉆頭，對鉆頭施加5～20 kN，40 Hz左右的低幅高頻周期性機(jī)械沖擊力，使鉆頭所承受的連續(xù)鉆壓產(chǎn)生波動，振動載荷可使巖石的破壞強(qiáng)度相對降低，從而提高破巖效果［12］。

2）水力脈沖：鉆井液高速流經(jīng)自激振蕩器，產(chǎn)生的流體壓力脈動向下傳遞，經(jīng)鉆頭水眼噴出，形成脈沖射流作用于井底，強(qiáng)化井底清洗，改善井底巖石的受力狀況，降低巖石破壞強(qiáng)度［13］。

1.2 技術(shù)特點［14］

1）工具結(jié)構(gòu)簡單，能量利用效率高，壓力損耗小，密封元件耐油、酸、堿，耐溫200℃，安全性和穩(wěn)定性高。2）自激振蕩式水力元件產(chǎn)生的“小振幅、高頻率”鉆頭沖擊力，使鉆頭對地層的適應(yīng)性增強(qiáng)，可有效防止PDC鉆頭黏滑和自鎖現(xiàn)象，有利于在非均質(zhì)地層鉆進(jìn)。3）工具對鉆頭和鉆具結(jié)構(gòu)沒有特殊要求，不改變現(xiàn)有鉆井工藝。4）采用優(yōu)質(zhì)耐沖蝕材料制成，水力振蕩工件工作壽命長。

1.3 使用要求

1）鉆進(jìn)時要求送鉆均勻，當(dāng)發(fā)現(xiàn)井底蹩跳較嚴(yán)重時，應(yīng)適當(dāng)減小鉆壓，待蹩跳現(xiàn)象消除后再逐漸增大鉆壓。2）盡可能使用無固相或低固相、低黏度鉆井液。3）當(dāng)發(fā)現(xiàn)鉆開地層中含有H2S等有害氣體可能會對井下工具損害時，在井控允許的情況下，及時把工具起至地面。4）如果使用牙輪鉆頭，推薦采用3個不等徑噴嘴，同時盡可能增大最大噴嘴和最小噴嘴直徑的差值，鉆頭水眼推薦按照圖1排列。

圖1 牙輪鉆頭水眼排列方式

2 現(xiàn)場應(yīng)用及效果

目前現(xiàn)場使用的工具規(guī)格一般有3種［14］，新疆油田主要使用JB-ZJXC-178和JB-ZJXC-230型號。自2011年以來，自激振蕩式?jīng)_擊鉆井工具在新疆油田的7大區(qū)塊共推廣應(yīng)用17井次，總進(jìn)尺9 216 m，平均機(jī)械鉆速6.08 m/h，整體提速36.80%；預(yù)探井共應(yīng)用7井次，總進(jìn)尺5 010 m，平均機(jī)械鉆速5.03 m/h，其中在吉木薩爾地區(qū)預(yù)探井共試驗應(yīng)用了4井次（JB-ZJXC-230型號），應(yīng)用井段的機(jī)械鉆速提高27.96%～110.61%（見表1）。該工具安全性和穩(wěn)定性高，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好［15］。

表1 自激振蕩式?jīng)_擊鉆井工具應(yīng)用效果對比

2.1 吉251井

吉251井3 010～3 346 m井段應(yīng)用自激振蕩式?jīng)_擊鉆井工具提速，鉆遇燒房溝組、韭菜園組、梧桐溝組地層。鉆具組合：φ216 mm MCXT516-7鉆頭×0.23 m+自激振蕩式?jīng)_擊鉆井工具×1.46 m+φ159 mm鉆鋌×18.36 m+φ214 mm 穩(wěn)定器×1.59 m+φ159 mm 鉆鋌×202.05m+4A1×410 接頭（0.45m）+φ127mm 鉆桿×3109.31 m+411×410 接頭（0.63 m）+411×410 旋塞（0.50 m）+411×520接頭（0.49 m）+φ133 mm方鉆桿。鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓40～60 kN， 轉(zhuǎn)速 60 r/min， 排量 22 L/s， 泵壓 12～14 MPa。鉆井液密度為1.44～1.48 g/cm3。工具使用時間142 h，進(jìn)尺336 m，機(jī)械鉆速2.37 m/h，應(yīng)用井段平均鉆時為25 min/m，比鄰井吉25井平均鉆時31 min/m縮短19.35%（見圖2）。吉251井在燒房溝組地層使用牙輪鉆頭、PDC鉆頭的鉆速分別為1.21，1.30 m/h，相同地層使用自激振蕩式?jīng)_擊鉆井工具的井段鉆速達(dá)2.13 m/h，分別提速76.03%和63.85%。

2.2 吉33井、吉34井

吉33井、吉34井是位于準(zhǔn)噶爾盆地東部隆起吉木薩爾凹陷東斜坡區(qū)相鄰的2口預(yù)探井，完鉆井深相近，且為同一只鉆井隊伍施工，技術(shù)力量、機(jī)泵條件、地層巖性、鉆頭型號和鉆進(jìn)參數(shù)等均相同，相互對比性較強(qiáng)。

吉33井1 740～2 600 m井段應(yīng)用自激振蕩式?jīng)_擊鉆井工具提速，鉆遇頭屯河組、三工河組、八道灣組地層。鉆具組合：φ311 mm鉆頭×0.35 m+自激振蕩式?jīng)_擊鉆井工具×1.46 m+φ229 mm 鉆鋌×17.70 m+φ310 mm穩(wěn)定器×1.60 m+φ229 mm 鉆鋌×9.27 m+731×630接頭×0.48 m+φ203 mm 鉆 鋌 ×53.74 m+631×410 接 頭 ×0.46 m+φ178 mm 鉆鋌×108.62 m+φ127 mm 鉆桿×2 400 m+φ133 mm方鉆桿。所用鉆井液的密度為1.35～1.42 g/cm3。

吉34井2 201～2 668 m井段應(yīng)用自激振蕩式?jīng)_擊鉆井工具提速，鉆遇三工河組、八道灣組地層。鉆具組合：φ311 mm鉆頭×0.35 m+自激振蕩式?jīng)_擊鉆井工具×1.46 m+φ229 mm 鉆鋌×17.70 m+φ310 mm 穩(wěn)定器×1.60 m+φ229 mm 鉆鋌×9.27 m+731×630 接頭×0.48 m+φ203 mm 鉆鋌×53.74 m+631×410 接頭×0.46 m+φ178 mm 鉆鋌×108.62 m+φ178 mm 隨鉆震擊器×9.6 m+φ127 mm鉆桿×2 460 m+φ133 mm方鉆桿。所用鉆井液的密度為1.38～1.42 g/cm3。

選取1 740～2 201 m和2 600～2 668 m井段進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，工具應(yīng)用井段的機(jī)械鉆速分別提高11.20%和57.26%（見表2），提速效果明顯。同時，自激振蕩式?jīng)_擊鉆井工具具有一定的降斜效果，吉33井和吉34井工具應(yīng)用井段的井斜角均控制在1°以內(nèi)（見圖3）。

表2 吉33井、吉34井工具應(yīng)用效果對比

圖3 吉33井、吉34井實鉆井斜變化

3 結(jié)論

1）自激振蕩式?jīng)_擊鉆井工具能合理利用井底水力能量增強(qiáng)鉆頭沖擊力，優(yōu)化井底流場，改善鉆頭和巖石受力狀況，提高鉆頭破巖效果。

2）自激振蕩式?jīng)_擊鉆井工具與牙輪鉆頭和PDC鉆頭均可配合使用，性能穩(wěn)定，質(zhì)量可靠。

3）自激振蕩式?jīng)_擊鉆井工具可以滿足現(xiàn)場難鉆地層提速技術(shù)的需要，吉木薩爾地區(qū)應(yīng)用該工具后，機(jī)械鉆速有較大提高，鉆時和井斜也有明顯下降，應(yīng)用效果較好，建議在該區(qū)塊進(jìn)一步推廣使用。

4）該工具目前只應(yīng)用于直井段，具有一定的局限性，建議對自激振蕩式?jīng)_擊鉆井工具進(jìn)行開發(fā)研究，以滿足斜井段的現(xiàn)場作業(yè)需求。

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