论文部分内容阅读
[摘 要]自激振荡式旋转冲击钻井工具是利用井底水力能量增强钻头冲击力，优化井底流场，提高井底岩屑的净化效果，改善岩石受力状况，从而达到提高机械钻速的目标。永938井沙三下至沙四上泥岩地层中对ZJXC-178型自激振荡式旋转冲击钻井工具进行了钻井试验，工具累计入井时间260 h，纯钻时间208.7 h，进尺983 m，平均机械钻速4.71 m/h。实验结果表明，与相同地层使用同类型钻头的邻井常规钻井相比，平均机械钻速提高35.9%；与同井相邻井段相比，平均机械钻速提高50.5%。
[关键词]自激振荡钻井工具；旋转冲击；机械钻速；现场试验；永938井
中图分类号：TE254 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）27-0609-02
随着我国钻井技术的不断进步，浅部地层油气资源得到了越来越高程度的开发，深层油气资源成为中国油气资源战略接替的重要领域。深井硬地层钻井存在钻速慢、钻井周期长、钻井成本高的难题，影响着石油钻探开发的整体效益，迫切需要发展高效破岩钻井方法，提高深部资源的钻探效率。
1 永938井工程地质情况
永938井是一口直评价井，构造位于济阳坳陷东营凹陷北部陡坡带永北鼻状构造较高部位，目的层位于沙四上，钻探目的是向西扩大永937井区沙河街组含油气范围。本井钻遇地层从上到下依次为新生界第四系平原组；新近系明化镇组和馆陶组；古近系沙河街组的沙二、沙三、沙四段及太古界前震旦系。
2 自激振荡式旋转冲击钻井工具
2.1 工作原理
自激振荡式旋转冲击钻井工具合理利用井底水力能量增强钻头冲击力，优化井底流场，改善岩石受力状况，达到提高机械钻速的目标。其在井下工作时会产生机械冲击与水力脉冲的作用[1]。机械冲击：钻井液高速流经自激振荡器，形成水力脉冲作用于冲击传递杆，产生低幅高频机械冲击力传递至钻头，对钻头施加5-20KN、40Hz左右的冲击力，提高钻头破岩效果；水力脉冲：钻井液高速流经自激振荡器所产生的水力脉冲在向下传递，经钻头水眼喷出，形成脉冲射流作用于井底，强化井底清洗，改善井底岩石的受力状况，降低岩石破坏强度[2]。自激振荡旋转冲击钻井工具结构原理示意图见图1，实物图见图2。
2.2 技术特点
（1）工具结构简化，安全性和稳定性高。
（2）采用优化的自激振荡式水力元件调制直接作用于钻头的冲击力，能量利用效率高，工具压力损耗小。
（3）由自激振荡式水力元件产生的钻头冲击力具有“小振幅、高频率”的特点，对钻头和地层的适应性强，可防止PDC 钻头黏滑和自锁现象，有利于在非均质地层钻进。
（4）密封元件耐油、酸、碱，耐温200 ℃。
（5）工具主体是用高性能合金钢制造，整体强度与钻具相当。自激振荡式水力元件采用优质耐冲蚀材料制成，寿命长。
（6）采用模块化设计，维护方便。
2.3 使用条件及规格型号
该工具安装在钻头上部，适用于PDC 和牙轮钻头，采用常规钻井参数和钻具结构，压力损耗约0.5 MPa，使用寿命超过200 h。一般情况下钻井工艺参数为：井深≤ 6 000 m，可用于直径152.4～406.4 mm 井眼，钻压40.0～140.0 kN，转速60～120r/min，排量20～60 L/s，泵压16～25 MPa，钻井液密度1.1～1.7 g/cm3。目前推广应用的自激振荡式旋转冲击钻井工具的规格型号见表2。
3 现场应用情况
永938井一开井深158 m，表层套管下深156.41 m；二开井深1839 m，技术套管下深1837.15 m；三开井深3873 m，技术套管下深3870.3 m。本井沙三下到沙四上，岩性以深灰色泥岩、灰质泥岩为主，沙四纯上亚段上部夹灰白色含砾砂岩，地层可钻性差。为了提高本井段机械钻速，在1849m～2832 m井段使用中国石油大学（华东）研制的JB-ZJXC-178型自激振荡式旋转冲击钻井工具提速。因更换钻头该工具在现场应用入井3次，累计入井时间260 h，其中工具纯钻时间208.7 h，进尺983m，平均机械钻速4.71m/h。
3.1 第1趟钻
本趟钻为三开第一趟钻，工具使用井段1849～2392 m，进尺543 m，工具纯钻时间100.7 h，平均机械钻速5.39m/h，因沙三下地层研磨性强，工具首次入井，考虑到井下安全和井身质量，起钻观察钻头和提速工具磨损情况。工具起出后结构完整，未见损伤，钻头磨损较小，无损坏现象，钻头入井前后图片如图3所示。
钻具组合：Φ215.9 mm 4F-PDC钻头（水眼尺寸Φ11 mm ×4+Φ9 mm×2，胜利黄河钻井总公司管具公司生产）+ZJXC-178型自激振荡式旋转冲击钻井工具+回压凡尔+Φ177.8 mm钻铤×9根+Φ127 mm钻杆。
钻井参数：钻压40KN；排量31～32 L/s；立管压力11～12 MPa；转速68～78 r/min；钻井液密度1.14 g/cm3，黏度46～66 s。
3.2 第2趟钻
本趟钻钻头尝试使用大港中成产的型号为MD6651ZC的5FPDC钻头，在钻进过程中，机械钻速明显变慢，从返出岩屑观察分析所钻岩性为硬且致密的泥岩，基于泥岩岩石成分中含有较多的石英，其粒度很细，结构致密，表现为一般PDC切削齿很难切入，即使切入其深度也很小，切入泥岩后由于石英细颗粒的研磨，很快将切削具刃口磨钝，无法再行切削，表现为“打滑”不进尺。再加之泥岩具有弹性，切削具压入泥岩后产生的变形，往往被泥岩的弹性变形所恢复。故起钻更换牙轮钻头，改变破岩方式。
工具使用井段2392～2429 m，进尺37 m，工具累计纯钻时间119.6 h，本趟纯钻时间18.9 h，机械钻速1.96m/h。工具起出后结构完整，未见损伤，钻头磨损较小，无损坏现象（图4）。 钻具组合：Φ215.9mm MD6651ZC型5F-PDC钻头（水眼尺寸Φ16 mm×2+Φ14 mm×2+Φ12 mm×1，大港中成生产）+ ZJXC-178型自激振荡式旋转冲击钻井工具+回压凡尔+Φ177.8 mm钻铤×9根+Φ127 mm钻杆。
钻井参数：钻压30-40KN；排量32～33 L/s；立管压力12 MPa；转速68～78 r/min；钻井液密度1.14 g/cm3，黏度46～66 s。
3.3 第3趟钻
本趟钻下入HJT517GK型三牙轮钻头配合自激振荡式旋转冲击工具，工具使用井段2429～2832 m，进尺403 m，累计纯钻时间208.7 h，本趟钻纯钻时间90.1 h，机械钻速4.47m/h。因达到牙轮钻头使用寿命起钻。出井后工具结构完整，未见损伤，钻头磨损较小，轴承转动灵活，无损坏崩齿现象，入井前后图如图5所示。
钻具组合：Φ215.9 mm三牙轮钻头（水眼尺寸Φ9 mm×1+Φ11 mm×1+Φ14 mm×1，型号HJT517GK）+ ZJXC-178型自激振荡式旋转冲击钻井工具+回压凡尔+Φ177.8 mm钻铤×2根+Φ214 mm稳定器+Φ177.8 mm钻铤×7根+Φ165.0 mm钻铤×6根+Φ127 mm钻杆。
钻井参数：钻压120KN；排量31～32 L/s；立管压力15 MPa；转速67～74 r/min；钻井液密度1.14 g/cm3，黏度46～66 s。
4 对比分析
4.1 同井使用效果对比
自激振荡钻井工具和常规钻井（钻具组合：HJT517GK+165mm钻铤5柱+127mm钻杆）效果对比见表3，可以看出，在沙三下至沙四上地层中，使用自激振荡钻井工具井段平均机械钻速比常规钻井井段提高50.5%。
4.2 与邻井永937井相应井段对比
永937井与永938井位于同一区块，地层类似，沙河街地层岩性一致，具有较强的可比性。按照钻头类型相同、地层相同、井深相近的可比原则，与永937井沙河街组井段机械钻速进行了对比，结果显示，同为PDC钻头，使用工具后机械钻速提高30.7%，同为牙轮钻头，使用工具后机械钻速提高35.9%
5 结论与建议
（1）自激振荡式旋转冲击钻井工具结构简单，工作安全可靠，安装使用方便，不影响现有钻具结构，不会对钻井施工带来负面影响，可替代现有的钻头双母短节。
（2）根据距离最近、层位和井段相同、钻具结构和水力参数相同、钻头类型相同的可比原则，使用自激振荡式旋转冲击钻井工具的永938井与未使用该工具本井相邻井段及邻井相比，机械钻速均明显提高。
（3）永938井使用ZJXC-178型自激振荡式旋转冲击钻井工具3趟钻，累计纯钻时间209.7h，钻头均未出现严重磨损，工具可靠性强，改善了底部钻具组合力学特性，减小了钻头的损坏。
（4）建议选用耐冲击长寿命钻头并配套使用自激振荡式旋转冲击钻井工具，提速效果将更加理想。
参考文献
[1] 倪红坚，韩来聚，马清明，等.水力脉冲诱发井下振动钻井工具研究[J].石油钻采工艺，2006，28（2）：15-20.
[2] 郭春华.水力脉冲空化射流钻井技术在TK1294井的应用[J].钻采工艺，2011，34（1）：99-100.
[关键词]自激振荡钻井工具；旋转冲击；机械钻速；现场试验；永938井
中图分类号：TE254 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）27-0609-02
随着我国钻井技术的不断进步，浅部地层油气资源得到了越来越高程度的开发，深层油气资源成为中国油气资源战略接替的重要领域。深井硬地层钻井存在钻速慢、钻井周期长、钻井成本高的难题，影响着石油钻探开发的整体效益，迫切需要发展高效破岩钻井方法，提高深部资源的钻探效率。
1 永938井工程地质情况
永938井是一口直评价井，构造位于济阳坳陷东营凹陷北部陡坡带永北鼻状构造较高部位，目的层位于沙四上，钻探目的是向西扩大永937井区沙河街组含油气范围。本井钻遇地层从上到下依次为新生界第四系平原组；新近系明化镇组和馆陶组；古近系沙河街组的沙二、沙三、沙四段及太古界前震旦系。
2 自激振荡式旋转冲击钻井工具
2.1 工作原理
自激振荡式旋转冲击钻井工具合理利用井底水力能量增强钻头冲击力，优化井底流场，改善岩石受力状况，达到提高机械钻速的目标。其在井下工作时会产生机械冲击与水力脉冲的作用[1]。机械冲击：钻井液高速流经自激振荡器，形成水力脉冲作用于冲击传递杆，产生低幅高频机械冲击力传递至钻头，对钻头施加5-20KN、40Hz左右的冲击力，提高钻头破岩效果；水力脉冲：钻井液高速流经自激振荡器所产生的水力脉冲在向下传递，经钻头水眼喷出，形成脉冲射流作用于井底，强化井底清洗，改善井底岩石的受力状况，降低岩石破坏强度[2]。自激振荡旋转冲击钻井工具结构原理示意图见图1，实物图见图2。
2.2 技术特点
（1）工具结构简化，安全性和稳定性高。
（2）采用优化的自激振荡式水力元件调制直接作用于钻头的冲击力，能量利用效率高，工具压力损耗小。
（3）由自激振荡式水力元件产生的钻头冲击力具有“小振幅、高频率”的特点，对钻头和地层的适应性强，可防止PDC 钻头黏滑和自锁现象，有利于在非均质地层钻进。
（4）密封元件耐油、酸、碱，耐温200 ℃。
（5）工具主体是用高性能合金钢制造，整体强度与钻具相当。自激振荡式水力元件采用优质耐冲蚀材料制成，寿命长。
（6）采用模块化设计，维护方便。
2.3 使用条件及规格型号
该工具安装在钻头上部，适用于PDC 和牙轮钻头，采用常规钻井参数和钻具结构，压力损耗约0.5 MPa，使用寿命超过200 h。一般情况下钻井工艺参数为：井深≤ 6 000 m，可用于直径152.4～406.4 mm 井眼，钻压40.0～140.0 kN，转速60～120r/min，排量20～60 L/s，泵压16～25 MPa，钻井液密度1.1～1.7 g/cm3。目前推广应用的自激振荡式旋转冲击钻井工具的规格型号见表2。
3 现场应用情况
永938井一开井深158 m，表层套管下深156.41 m；二开井深1839 m，技术套管下深1837.15 m；三开井深3873 m，技术套管下深3870.3 m。本井沙三下到沙四上，岩性以深灰色泥岩、灰质泥岩为主，沙四纯上亚段上部夹灰白色含砾砂岩，地层可钻性差。为了提高本井段机械钻速，在1849m～2832 m井段使用中国石油大学（华东）研制的JB-ZJXC-178型自激振荡式旋转冲击钻井工具提速。因更换钻头该工具在现场应用入井3次，累计入井时间260 h，其中工具纯钻时间208.7 h，进尺983m，平均机械钻速4.71m/h。
3.1 第1趟钻
本趟钻为三开第一趟钻，工具使用井段1849～2392 m，进尺543 m，工具纯钻时间100.7 h，平均机械钻速5.39m/h，因沙三下地层研磨性强，工具首次入井，考虑到井下安全和井身质量，起钻观察钻头和提速工具磨损情况。工具起出后结构完整，未见损伤，钻头磨损较小，无损坏现象，钻头入井前后图片如图3所示。
钻具组合：Φ215.9 mm 4F-PDC钻头（水眼尺寸Φ11 mm ×4+Φ9 mm×2，胜利黄河钻井总公司管具公司生产）+ZJXC-178型自激振荡式旋转冲击钻井工具+回压凡尔+Φ177.8 mm钻铤×9根+Φ127 mm钻杆。
钻井参数：钻压40KN；排量31～32 L/s；立管压力11～12 MPa；转速68～78 r/min；钻井液密度1.14 g/cm3，黏度46～66 s。
3.2 第2趟钻
本趟钻钻头尝试使用大港中成产的型号为MD6651ZC的5FPDC钻头，在钻进过程中，机械钻速明显变慢，从返出岩屑观察分析所钻岩性为硬且致密的泥岩，基于泥岩岩石成分中含有较多的石英，其粒度很细，结构致密，表现为一般PDC切削齿很难切入，即使切入其深度也很小，切入泥岩后由于石英细颗粒的研磨，很快将切削具刃口磨钝，无法再行切削，表现为“打滑”不进尺。再加之泥岩具有弹性，切削具压入泥岩后产生的变形，往往被泥岩的弹性变形所恢复。故起钻更换牙轮钻头，改变破岩方式。
工具使用井段2392～2429 m，进尺37 m，工具累计纯钻时间119.6 h，本趟纯钻时间18.9 h，机械钻速1.96m/h。工具起出后结构完整，未见损伤，钻头磨损较小，无损坏现象（图4）。 钻具组合：Φ215.9mm MD6651ZC型5F-PDC钻头（水眼尺寸Φ16 mm×2+Φ14 mm×2+Φ12 mm×1，大港中成生产）+ ZJXC-178型自激振荡式旋转冲击钻井工具+回压凡尔+Φ177.8 mm钻铤×9根+Φ127 mm钻杆。
钻井参数：钻压30-40KN；排量32～33 L/s；立管压力12 MPa；转速68～78 r/min；钻井液密度1.14 g/cm3，黏度46～66 s。
3.3 第3趟钻
本趟钻下入HJT517GK型三牙轮钻头配合自激振荡式旋转冲击工具，工具使用井段2429～2832 m，进尺403 m，累计纯钻时间208.7 h，本趟钻纯钻时间90.1 h，机械钻速4.47m/h。因达到牙轮钻头使用寿命起钻。出井后工具结构完整，未见损伤，钻头磨损较小，轴承转动灵活，无损坏崩齿现象，入井前后图如图5所示。
钻具组合：Φ215.9 mm三牙轮钻头（水眼尺寸Φ9 mm×1+Φ11 mm×1+Φ14 mm×1，型号HJT517GK）+ ZJXC-178型自激振荡式旋转冲击钻井工具+回压凡尔+Φ177.8 mm钻铤×2根+Φ214 mm稳定器+Φ177.8 mm钻铤×7根+Φ165.0 mm钻铤×6根+Φ127 mm钻杆。
钻井参数：钻压120KN；排量31～32 L/s；立管压力15 MPa；转速67～74 r/min；钻井液密度1.14 g/cm3，黏度46～66 s。
4 对比分析
4.1 同井使用效果对比
自激振荡钻井工具和常规钻井（钻具组合：HJT517GK+165mm钻铤5柱+127mm钻杆）效果对比见表3，可以看出，在沙三下至沙四上地层中，使用自激振荡钻井工具井段平均机械钻速比常规钻井井段提高50.5%。
4.2 与邻井永937井相应井段对比
永937井与永938井位于同一区块，地层类似，沙河街地层岩性一致，具有较强的可比性。按照钻头类型相同、地层相同、井深相近的可比原则，与永937井沙河街组井段机械钻速进行了对比，结果显示，同为PDC钻头，使用工具后机械钻速提高30.7%，同为牙轮钻头，使用工具后机械钻速提高35.9%
5 结论与建议
（1）自激振荡式旋转冲击钻井工具结构简单，工作安全可靠，安装使用方便，不影响现有钻具结构，不会对钻井施工带来负面影响，可替代现有的钻头双母短节。
（2）根据距离最近、层位和井段相同、钻具结构和水力参数相同、钻头类型相同的可比原则，使用自激振荡式旋转冲击钻井工具的永938井与未使用该工具本井相邻井段及邻井相比，机械钻速均明显提高。
（3）永938井使用ZJXC-178型自激振荡式旋转冲击钻井工具3趟钻，累计纯钻时间209.7h，钻头均未出现严重磨损，工具可靠性强，改善了底部钻具组合力学特性，减小了钻头的损坏。
（4）建议选用耐冲击长寿命钻头并配套使用自激振荡式旋转冲击钻井工具，提速效果将更加理想。
参考文献
[1] 倪红坚，韩来聚，马清明，等.水力脉冲诱发井下振动钻井工具研究[J].石油钻采工艺，2006，28（2）：15-20.
[2] 郭春华.水力脉冲空化射流钻井技术在TK1294井的应用[J].钻采工艺，2011，34（1）：99-100.