液動(dòng)沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)應(yīng)用探討

王檢軍

（中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司國(guó)際工程公司， 四川 成都 610051）

1 液動(dòng)沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)概述

1.1 旋沖鉆進(jìn)技術(shù)原理

旋沖鉆進(jìn)是在常規(guī)鉆具的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加沖擊器而將旋轉(zhuǎn)和沖擊功能有效結(jié)合的鉆井技術(shù)，在鉆進(jìn)過(guò)程中，沖擊器在鉆井液的驅(qū)動(dòng)下不斷產(chǎn)生高頻沖擊力并施加給鉆頭，使得鉆頭邊旋轉(zhuǎn)邊沖擊鉆進(jìn)。作為井底動(dòng)力機(jī)械的沖擊器通常與鉆頭或巖心管頂端連接，在鉆井液或高壓氣體的作用下推動(dòng)活塞并引發(fā)沖錘的上下運(yùn)用，鉆頭在沖錘的撞擊以及靜壓旋轉(zhuǎn)的綜合作用下達(dá)到破碎巖石的目的。與常規(guī)鉆井技術(shù)相比，旋沖鉆進(jìn)技術(shù)主要依靠鉆頭的沖擊壓力以及回轉(zhuǎn)刮削的綜合作用實(shí)現(xiàn)巖石破碎，對(duì)于脆性大、抗剪強(qiáng)度低的硬質(zhì)巖石，該技術(shù)基本為體積破碎而非研磨破碎，鉆進(jìn)效率較高；旋沖鉆進(jìn)沖擊破碎頻率高，破巖時(shí)間短，破碎效果不受硬巖巖性變化的影響，鉆頭也不會(huì)出現(xiàn)偏斜力矩，破巖效率高，成井規(guī)則，質(zhì)量有保證[1]。

1.2 液動(dòng)射流沖擊器

沖擊器是旋沖鉆進(jìn)技術(shù)的關(guān)鍵部件，旋沖鉆進(jìn)技術(shù)問(wèn)世以來(lái)，各種類型的沖擊器不斷出現(xiàn)并應(yīng)用于石油鉆井領(lǐng)域。液動(dòng)射流沖擊器是我國(guó)研發(fā)的一種通過(guò)雙穩(wěn)射流元件進(jìn)行旋沖鉆進(jìn)控制的沖擊器，其主要以高壓水或鉆井液為動(dòng)力介質(zhì)，性能穩(wěn)定、元部件少，能有效解決深孔硬質(zhì)地層鉆進(jìn)難題。按照驅(qū)動(dòng)介質(zhì)的不同，液動(dòng)沖擊器分為水力驅(qū)動(dòng)和高壓油驅(qū)動(dòng)兩種，石油鉆井領(lǐng)域則以水力驅(qū)動(dòng)液動(dòng)沖擊器為主，液動(dòng)沖擊器又包括閥式、射流式和射吸式等種類。

圖1 液動(dòng)射流沖擊器

液動(dòng)射流沖擊器通常由控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)及功率傳遞系統(tǒng)等部分構(gòu)成，見(jiàn)圖1，上下螺紋接頭分別與鉆鋌連接，沖擊器置于鉆鋌與鉆頭之間。通過(guò)鉆鋌等鉆具后鉆壓與扭矩經(jīng)由砧子和缸體傳遞至鉆頭，壓蓋上的分流孔設(shè)計(jì)能分流富余能量，不影響沖擊器正常作業(yè)。液動(dòng)射流沖擊器運(yùn)動(dòng)零件只包括活塞和沖錘，性能穩(wěn)定，活塞和沖錘在下行階段運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的加速度能提升單次沖擊功，由于存在分流通道，即便沖擊器不工作也不會(huì)出現(xiàn)憋泵，沖擊器運(yùn)行過(guò)程中，不存在閥門打開(kāi)/關(guān)閉問(wèn)題，其所產(chǎn)生的高壓水擊壓力小，能量損失少，也不存在溫度、圍壓、鉆井液密度等因素的影響，對(duì)于深井鉆進(jìn)較為適用?？紤]到液動(dòng)射流沖擊器的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其在地質(zhì)勘探、水文水井、石油鉆井、科學(xué)深鉆等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。

2 川渝地區(qū)地層特點(diǎn)

川渝地區(qū)地層條件復(fù)雜，高溫與高密度共存，地層沉積時(shí)間長(zhǎng)，上部推覆構(gòu)造的志留系和白堊系地層以礫巖、砂質(zhì)泥巖巖性為主，見(jiàn)表1。具有斜、硬、跳鉆、研磨性強(qiáng)、井況差異大等巖性特征，老地層存在嚴(yán)重的擠壓破碎情況，巖性均質(zhì)性差，井斜控制存在一定難度，井漏、井斜、斷鉆具等井下事故頻發(fā)，川渝地區(qū)即使是構(gòu)造相同的地層可鉆性差異大，且可鉆性隨井深增加而變差。川渝地區(qū)特殊的地層條件增加了機(jī)械鉆速提升難度，導(dǎo)致鉆井周期延長(zhǎng)。對(duì)川渝地區(qū)威204H1-2井、威204H42井測(cè)井資料進(jìn)行地層可鉆性的測(cè)定結(jié)果表明，第三系地層可鉆性＜5級(jí)，硬度低，對(duì)鉆速影響不大，而白堊系、志留系和第四系地層可鉆性達(dá)6～9級(jí)，硬度增加，鉆速降低。

表1 川渝地區(qū)威204H1-2井地質(zhì)分層情況

3 液動(dòng)沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)的應(yīng)用

威204H1-2井位于內(nèi)江市資中縣境內(nèi)川渝地區(qū)盆嶺耦合構(gòu)造斜坡帶前緣，鉆井主要目的在于進(jìn)一步明確四川盆地耦合構(gòu)造斜坡帶威204H1-2井區(qū)塊T3-J2、Z-T2砂礫巖油藏分布的具體范圍，所開(kāi)發(fā)的井主要為評(píng)價(jià)井和井型定向井。根據(jù)區(qū)域地層巖性分析可知，威204H1-2井存在較厚的推覆構(gòu)造志留系和白堊系地質(zhì)分層，地層傾角大且可鉆性差，不利于機(jī)械鉆速提升，地層礫石含量高，膠結(jié)致密，減震器的使用會(huì)引起嚴(yán)重的跳鉆；由于井斜超標(biāo)，加壓鉆進(jìn)容易引發(fā)填井側(cè)鉆事故。相鄰?fù)?04H42井鉆進(jìn)過(guò)程中遇志留系井段，由于地層傾角大，單測(cè)點(diǎn)準(zhǔn)確度差，過(guò)大的鉆壓引發(fā)井斜超標(biāo)，必須打水泥側(cè)鉆。φHJT637GL鉆頭鉆進(jìn)井段280.00450m，機(jī)械鉆進(jìn)均值1.75m/h，井斜和井深最大值分別為3.0°和475m。鉆井現(xiàn)場(chǎng)決定從220.00m開(kāi)始使用YSC-178型液動(dòng)射流沖擊器，該型號(hào)射流沖擊器外徑210mm，長(zhǎng)3210mm，壓降設(shè)計(jì)值13.5MPa，沖擊頻率1135Hz，沖擊能19.85kJ，沖擊器鉆進(jìn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)詳見(jiàn)表2。

表2 φHJT637GL鉆頭使用YSC-178型液動(dòng)射流沖擊器鉆進(jìn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

425.06445.74 10-20 25 65 45 12.5 3.0 475 1.15 66 447.54646.60 7-40 20 65 45 12.5 2.25 370 1.15 70

在使用YSC-178型液動(dòng)射流沖擊器開(kāi)泵鉆進(jìn)的過(guò)程中，未使用沖擊器的等效噴嘴直徑20.85mm，泵壓11.5MPa，使用沖擊器的鉆頭等效噴嘴直徑23.65mm，泵壓16.5MPa，高出壓降設(shè)計(jì)值。此外，無(wú)論是否使用液動(dòng)射流沖擊器，所有井段均存在不同程度的跳鉆情況，但在使用液動(dòng)射流沖擊器時(shí)，泵壓下降趨勢(shì)呈明顯的階段性特征。使用液動(dòng)射流沖擊器的情況下，鉆壓、鉆頭轉(zhuǎn)速、排量等參數(shù)變化均處于沖擊器設(shè)計(jì)使用范圍，鉆壓基本維持在20-50kN。但是，在最后的單點(diǎn)測(cè)斜測(cè)點(diǎn)，井斜和井深最大達(dá)3.0°和475m，主要原因在于，鉆壓減小雖然對(duì)鉆柱彎曲和井斜有抑制作用，但威204H1-2井由于使用的是φ220尺寸型號(hào)代替φ248尺寸的YSC-178型液動(dòng)射流沖擊器，導(dǎo)致鉆具柔性增加，對(duì)其加壓后所產(chǎn)生的側(cè)向力導(dǎo)致沖擊器鉆進(jìn)至425.06445.74m時(shí)井斜及井深測(cè)值已接近最大設(shè)計(jì)值。起鉆使用YSC-178型液動(dòng)射流沖擊器后，鉆頭鉆進(jìn)井段鉆速比未使用沖擊器鉆頭鉆速增加45%～85%。

根據(jù)對(duì)威204H1-2井鉆進(jìn)情況的分析可知，沖擊器下井之初，機(jī)械鉆速僅提升3.5%左右，而隨著沖擊器的起出與未用井段相比，使用沖擊器的井段鉆速明顯加快，提升程度高達(dá)95%。值得注意的是，機(jī)械鉆速除了受鉆井參數(shù)影響外，還與地層巖性變化有直接關(guān)系[2]，未使用沖擊器的鉆頭鉆進(jìn)井段巖性以紫紅-暗紫白云質(zhì)粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖為主；使用沖擊器的鉆進(jìn)井段巖性則以灰綠-綠灰為主并夾灰色白云質(zhì)粉砂巖和泥巖為主。

通常而言，在鉆井參數(shù)未發(fā)生大幅度變化的情況下，鄰井巖性也不會(huì)出現(xiàn)太大變化，所以通過(guò)威204H1-2井鉆進(jìn)數(shù)據(jù)的對(duì)比可以得出，YSC-178型液動(dòng)射流沖擊器在威204H1-2井推覆體地層鉆井過(guò)程中的使用對(duì)機(jī)械鉆速有顯著提升作用，但由于所用沖擊器尺寸過(guò)小，導(dǎo)致井斜增大。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)Y S C-1 7 8 型液動(dòng)射流沖擊器在威204H1-2井推覆體地層鉆井應(yīng)用的分析表明，沖擊器的應(yīng)用能顯著提升機(jī)械鉆速，但是為控制井斜，必須保證沖擊器尺寸的合理性。在液動(dòng)射流沖擊器使用過(guò)程中泵壓設(shè)計(jì)值明顯偏大，為提升射流沖擊器元件的工作效率和使用壽命，還必須進(jìn)一步探索沖擊器工作壓降降低的有效措施。理論分析和鉆進(jìn)實(shí)踐效果均表明，沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)破巖方式獨(dú)特，能有效提升鉆進(jìn)速度，避免復(fù)雜硬質(zhì)地層鉆進(jìn)可能出現(xiàn)的井斜問(wèn)題，延長(zhǎng)鉆頭使用壽命，便于水平井和大位移井井底加壓的實(shí)現(xiàn)。