梨树断陷区块旋冲钻井技术应用研究

摘 要：中石化东北油气分公司梨树断陷区块在营城组、沙河组、火石岭地层可钻性差、岩性较致密、局部含砾严重，并且沙河子组局部层位岩石硬度达到7级，采用常规钻井技术，存在的问题牙轮钻头效率低，寿命短；各种型号PDC钻头试用后效果不理想，通过采用旋冲钻井技术平均机械钻速提高了3.25倍；钻井周期缩短，钻井综合成本大大降低。旋冲钻井技术是在常规旋转钻井的基础上，在钻头上方连接液动射流式冲击器，在常规旋转破岩的同时，冲击器内的冲锤对钻头施加高频冲击，通过冲击作用对钻头齿下岩石造成强应力集中，使岩石塑性降低，脆性增加，并迅速产生脆性破坏坑力，提高了破岩效率。

关键词：钻井 液动冲击器 岩石力学 应用效果 施工要点

中图分类号：TE22 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）02（a）-0052-02

梨树断陷位于吉林省公主岭市松辽盆地南部东南隆起区，地层自上而下为第四系，白垩系上统青山口组，白垩系下统泉头组、登娄库组、营城组、沙河子组；中国石化在该区拥有矿权面积1835.91 km2，油气资源当量3.55亿t，已探明油气当量7383.68万t，占东北分公司总探明储量的46%，具有重要的资源战略地位。但由于该区块登娄库组及以下地层钻井效率较低，钻井周期较长；钻井成本较高，并且直接影响建产进度，在本区块开展旋冲钻井技术提速提效势在必行。

1 射流式液动冲击器工艺特点

国内外理论研究与实践已经证明，使用合理的冲击器参数，在适宜的冲击振动作用下，可以有效地消除井底钻头及钻具的有害粘滑振动，极大地改善钻头工作状态，使PDC钻头由切削岩石为主转变为切削+冲击破碎，从而在泥浆循环介质条件下发挥PDC钻头优势，减少起下钻次数降低钻井成本，缩短钻井周期。射流式液动冲击器作为一种参数调节范围很宽的轴向冲击振动发生工具，通过合理调整分流孔径、冲击行程、冲锤重量获得合适的输出参数，能够满足配合牙轮和PDC钻头进行冲击钻井。

当采用冲击回转钻进时，岩石受到钻压的作用，切屑刃将岩石表面局部压碎，使破碎部分处于紧张的预压应力状态，当受到来自液力冲击器的周期性冲击能量时，岩石强度降低（减小50～80%）、脆性增加（实验表明 冲击速度大于30 m/s时，岩石硬度和屈服极限影响显著）。高频脉冲使岩石颗粒处于震荡状态，此时岩石颗粒间以及原有细微裂隙处产生应力集中，裂纹沿结构颗粒间扩张形成界间开裂而破碎。硬质合金钻头钻进脆性的坚硬岩石，利用冲击动载破岩时，骤加的冲击力使局部应力集中，应力还来不及重新分配就达到岩石的极限强度值，发生脆性破碎，沿硬地层面“打滑”效应降低，因此更加容易被破碎，也有利于减弱井斜趋势。

2 射流式液动冲击器结构性能参数

依据东北地区地层岩性分析，结合配套冲击器PDC钻头特性，确定冲击器输出的冲击力合理值为40～80kN，结合井眼直径排量范围（一般为26～30 L/s），通过对比分析结果，综合考虑缩短行程对换向稳定性的影响，选择冲击器活塞行程为15 mm、锤重45 kg、分流孔直径为φ13 mm。根据下部地层硬度分级、抗压强度，同时依据钻头的抗冲击性能，确定冲击器结构及性能参数如下表1所示。

钻具组合如下：φ215.9 mm牙轮/PDC+YSC-178射流冲击器+单流阀+411x4A10+φ158.8 mmDCx2根+φ215 mm扶正器+φ158.8 mmDCx19根+4A11*410+φ127 mmHWDPx6根+φ127DP+φ139.7 mmDP，射流式冲击器配套工具及配件如表2所示。

在旋冲钻井过程中，随转速增加破岩效率提高，但受地面设备和井下工具限制，转速一般选择60～90r/min。排量决定着冲击器的冲击功和冲击频率，随着泵排量Q的增加，冲击频率f和冲击功W均增加，破岩效率和机械钻速相应增加，推荐旋冲钻井工艺参数如表3。

3 现场应用效果

在十屋337井在进入营城组以后采用常规钻进工艺连续优选试验了3支PDC钻头，使用效果都不理想。为提高机械钻速，在2682～3475 m井段采用旋冲钻井技术。旋冲钻井技术在十屋337井该井段应用2套Φ165 mm射流冲击器，2支U513M钻头，先后入井4次，具体情况见表4。

钻具组合：215.9 mmPDC钻头（U513M）+射流冲击器+配合接头+161 mm无磁钻铤*1根+165mm钻铤*1根+212 mm扶正器+165 mm钻铤*14根+配合接头+127 mm加重钻杆*9根+127 mm钻杆+139.7 mm钻杆；钻井参数：钻压4～14 t；转速40～70 rpm；排量26～27 L/s；立压20～21 MPa。冲击器入井使用后，扭矩平稳，有效克服了钻井过程中的“粘滑”现象。增强了钻头的使用寿命，平均单只进尺达356.43 m。与PDC+螺杆复合钻井相比，钻进参数得到了强化，在Φ215.9 mm井眼中钻压达到了12～14 t，突破了常规PDC钻头不能加载高钻压的局限性。机械钻速提高显著，平均机械钻速达3.02 m/h，与本井之前常规钻进使用的PDC钻头相比，机械钻速提高185%。与邻井相同区块、相同井段4口井相比，营城组机械钻速平均提高150%，沙河子组机械钻速平均提高70%。

4 施工要点

4.1 入井前的井眼准备及要求

（1）旋冲钻井前要认真分析前一只钻头使用情况，确保井径规则无缩径、井底干净、无落物，否则要通井处理。

（2）通井过程中注意摩阻变化，对易遇阻卡井段应重复仔细划眼，待上提下放无阻后方可通过，起钻后仔细观察钻头及扶正器磨损情况。

（3）校准综合录井参数仪，保持其在旋冲钻井过程中处于良好工作状态，并根据参数变化及时修正。

（4）在立管、泥浆泵上、排水安装合适的滤网，定期检查并清洗。endprint

4.2 钻台启动试验

（1）旋冲钻井工具由旋冲钻井工程师亲自在现场指导组装和地面测试。严格控制旋冲钻具上扣扭矩。旋冲钻具入井前在井口以小排量（正常钻进排量的60%以内）进行启动试验，并记录立管压力和排量。

（2）钻具组合：方钻杆+冲击器+测试接头+排浆管线。

（3）将冲击器外缸、中接头、外管、八方、砧子、测试接头之间的丝扣大钳上紧。

（4）将测试接头连接排浆管线，并将排浆管线固定好。利用大钩和方钻杆的自重压住冲击器，确保试冲时冲击器活接头保持关闭。

（5）开泵，排量自10 L/s提高到18 L/s，观察冲击器工作情况。

（6）待冲击器正常工作3～5 min，停泵，拆掉测试接头，接上钻头准备入井。

4.3 下井操作技术要求

（1）在冲击器入井前一趟钻，起钻前充分循环，确保井底干净。

（2）开泵对泥浆池中的泥浆进行充分的循环，直至泥浆性能和正常钻进时性能一致，开泵循环前，确认钻杆滤清器已安装到位。

（3）全程使用钻杆滤清器，以防旋冲钻具和钻头水眼堵塞。

（4）下钻每25～30柱，向钻具内灌满泥浆一次，灌浆要小排量（小于正常排量的60%）。

（5）按常规下钻方式下钻，下钻时防止6 mm以上大颗粒石块或堵漏材料等杂物带入钻具内。冲击器上下钻台必需操作平稳，严防强烈碰撞。

（6）下钻遇阻不超过50 kN，上下活动钻具无效时，应开单泵循环，慢慢划眼通过，不得强下，尽量避免用钻头划眼。

（7）下钻至距井底5 m时开泵循环。

4.4 钻进技术要点

（1）钻头距井底5.0 m 时开泵循环，井口有钻井液返出时缓慢下放钻具，清洗井底，以小钻压（10～40 kN）进行井底造型0.3～0.5 m，逐渐将排量开到设计值，司钻可根据钻时及扭矩变化在一定范围内调整钻压，使机械钻速达到最高；

（2）正常钻进时，送钻要均匀，严防溜钻，及时调整参数，时刻注意钻压、泵压、钻时及扭矩的变化情况，准确判断钻头工作情况；

（3）钻进中需停泵时，应先上提钻具不少于6 m，以防岩屑下沉而卡住钻头或旋冲钻具。钻压和排量可以在安全的操作限度内逐步增大，直到获得最佳机械钻速。旋冲钻井工程师将提供最佳钻井参数，正常钻进中应保持排量的稳定；

（4）正常钻进中，严格监视泵压、岩屑的变化，记录井深、地层、钻压、转速、排量和钻时等资料；

（5）记录试验井段钻速资料，与同地层上、下井段钻速及邻井相同岩性地层钻速对比分析，为合理分析旋冲钻井效果提供依据；

（6）旋冲钻进时，泵压较旋转钻进高2～4 MPa属正常，若突然升高或降低较多应根据具体情况决定是否起钻。

4.5 起钻操作要求

（1）当需换钻头、钻达设计井深或者其他原因的起钻，如果在裸眼段起钻遇阻，应该马上下放，然后再慢慢上提。如果遇阻上提拉力仍增加，应再次慢慢下放钻具，并接上方钻杆或者顶驱开泵慢慢倒划眼；

（2）起钻后，用高压清水冲洗冲击器内部流道，直至清水流出，松开冲击器所有丝扣，卸下冲击器；

（3）将上接头与外缸、外缸与中接头卸开，拆开冲锤、活塞、缸体及射流元件，检查缸体密封（侧、端面）压盖密封，检查元件喷嘴，控制道，看是否有堵塞、损坏等，如损坏需更换；

（4）卸开下接头及八方套，打开砧子，检查滑动密封；

（5）冲洗冲击器各部件，所有丝扣和配合部分擦拭干净，涂抹润滑脂或其它常用防锈剂，然后重新组装备。

5 结论

（1）旋冲钻井技术能够在研磨性强、岩石硬度较高地层提高机械钻速；

（2）旋冲钻井技术工艺结构简单，只需要在钻头上安装一个高频液动冲击器，不需要增加其他任何配套设备，实用性可操作性较强；

（3）旋冲钻井技术在梨树断陷火山岩成功应用，为火山岩钻井提速提供了有力保障，为中石化在深层火山岩储层勘探开发建产提供支撑。

参考文献

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[2] 陶兴华.德州石油钻井研究所旋冲钻井技术进入国际市场[J].石油钻探技术，2003，31（3）51-51.

[3] 王雷，郭志勤，张景柱，等.旋冲钻井技术在石油钻井中的应用[J].钻采工艺，2005，28（1）：8-10.

[4] 贺航史，配铭.液动冲击旋转钻井技术在石油钻井中的应用及发展[J].中国石油和化工标准与质量，2012，33（1）：270.endprint