液動(dòng)射流沖擊器+pdc鉆頭在塔里木盆地深部硬地層中的應(yīng)用

液動(dòng)射流沖擊器+pdc鉆頭在塔里木盆地深部硬地層中的應(yīng)用

塔河油田位于塔里木盆地北緣，資源豐富。這是中國(guó)第一個(gè)古生代地層中的大型氣田。2011年,塔河油田的探明儲(chǔ)量上升至10×108t油當(dāng)量,年產(chǎn)量達(dá)到730×104t。近年來(lái),塔河油田通過(guò)大力推廣“螺桿+PDC鉆頭”復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù),提速提效取得很好的效果。但在鉆遇古生界地層時(shí),特別在石炭系、志留系、奧陶系地層,由于地層巖性致密、硬度高,PDC鉆頭的機(jī)械鉆速相對(duì)較慢,說(shuō)明古生界地層(4500m以深地層)還有相當(dāng)大的提速空間。以往在石油鉆井中應(yīng)用射流沖擊器時(shí)都是與牙輪鉆頭配合使用,還未與PDC鉆頭配合使用過(guò),且應(yīng)用地層也大都是淺部可鉆性中硬以上地層,特別是在硬脆性地層中具有良好的提速效果。塔河油田深部地層除少量的火成巖井段采用牙輪鉆頭外,基本都是采用PDC鉆頭。為此,筆者針對(duì)塔河油田普通使用PDC鉆頭的實(shí)際情況,開(kāi)展了射流沖擊器+PDC鉆頭的理論與室內(nèi)試驗(yàn)研究,經(jīng)過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)與測(cè)試,最終確定了沖擊器結(jié)構(gòu)和性能參數(shù),并在S116-3井、TP324井和TP328X井進(jìn)行了應(yīng)用。1軸向沖擊振動(dòng)發(fā)生工具液動(dòng)射流沖擊器作為一種參數(shù)調(diào)節(jié)范圍很寬的軸向沖擊振動(dòng)發(fā)生工具,通過(guò)調(diào)整分流孔徑、沖擊行程、沖錘質(zhì)量獲得合適的輸出參數(shù),可配合PDC鉆頭在不同地層中進(jìn)行旋沖鉆井。1.1石炭系pdc鉆頭塔河油田石炭系—奧陶系地層抗壓強(qiáng)度34~200MPa,變化范圍較大,下部井段抗壓強(qiáng)度相對(duì)較高。擬應(yīng)用井段地層硬度分級(jí)為IADC4—7,地層軟硬交錯(cuò),鄰井平均機(jī)械鉆速約為2m/h。綜合考慮塔河油田沙雅區(qū)塊、托普臺(tái)區(qū)塊的地層特點(diǎn)和PDC鉆頭的地層適應(yīng)性,結(jié)合該油田鉆井實(shí)踐,石炭系及其以深地層以壓實(shí)性好的泥巖、灰?guī)r為主,可鉆性相對(duì)較差,推薦選擇中等拋物線型、中等布齒密度、13~16mm復(fù)合片、負(fù)前角20°或25°的胎體PDC鉆頭。另外,綜合考慮PDC鉆頭與沖擊器配合使用時(shí),鉆頭須能夠承受一定沖擊力,ue788215.9mmFX65D型PDC鉆頭采用雙排齒設(shè)計(jì),后排齒可有效降低載荷波動(dòng)范圍,提高鉆頭的安全性。該鉆頭采用熱穩(wěn)定性好、耐磨、耐沖擊的X3切削齒,單個(gè)金剛石復(fù)合片可承受60J以下的沖擊能。因此,選用ue788215.9mmFX65D型PDC鉆頭與液動(dòng)射流沖擊器配合使用。1.2影響旋沖鉆井破巖效果的因素沖擊功和沖擊頻率是衡量射流沖擊器水平與質(zhì)量的2個(gè)重要指標(biāo),從旋沖鉆井破巖機(jī)理分析,沖擊功和沖擊頻率也是影響旋沖鉆井破巖效果的主要參數(shù)[8,9,10,11,12,13,14,15]。通過(guò)系列試驗(yàn),測(cè)試YSC-178液動(dòng)射流沖擊器性能,分析其結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)對(duì)沖擊器性能的影響,為確定沖擊器結(jié)構(gòu)參數(shù)及鉆井參數(shù)提供依據(jù)。1.2.1土壤測(cè)試系統(tǒng)沖擊器室內(nèi)試驗(yàn)地面測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。1.2.2沖擊器測(cè)試頻率將沖擊器安裝在臺(tái)架上后,開(kāi)泵將排量調(diào)至18L/s,并保持該排量,觀察沖擊器是否啟動(dòng)正常。如果沖擊器未啟動(dòng)或工作不穩(wěn)定,將沖擊器從臺(tái)架上卸下來(lái),拆開(kāi)沖擊器檢查并分析原因,解決問(wèn)題后重新組裝,進(jìn)行啟動(dòng)試驗(yàn),直至沖擊器能正常啟動(dòng)且穩(wěn)定工作為止。同時(shí)分析測(cè)試系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)是否正常,如果不正常,要查找原因,直至數(shù)據(jù)顯示正常后方可進(jìn)行沖擊器性能測(cè)試。在行程為55mm、錘質(zhì)量為65kg、分流直徑為9mm的條件下,測(cè)試排量對(duì)沖擊器性能的影響,結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出,當(dāng)行程、錘重和分流孔直徑一定,沖擊器的沖擊功、沖擊力與沖擊頻率隨排量增大而增大。在排量為18L/s、錘質(zhì)量為65kg、分流孔直徑為9mm的條件下,測(cè)試行程對(duì)沖擊器性能的影響,結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可以看出,在排量、錘質(zhì)量和分流孔直徑不變的條件下,隨著行程的增大,沖擊力、沖擊功呈近線性增大的趨勢(shì),頻率呈近線性下降趨勢(shì)。在排量為18L/s、行程為55mm、分流孔直徑為9mm的條件下,測(cè)試錘質(zhì)量對(duì)沖擊器性能的影響,結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可以看出,在排量、行程和分流孔直徑不變的條件下,隨錘質(zhì)量的增大,沖擊力、沖擊功呈近線性增大趨勢(shì),頻率呈近線性下降趨勢(shì)。在排量為18L/s、錘質(zhì)量為65kg、行程為55mm的條件下,測(cè)試分流孔直徑對(duì)沖擊器性能的影響,結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可以看出,在排量、錘質(zhì)量和行程不變的條件下,隨分流孔直徑的增大,沖擊力、沖擊功及沖擊頻率呈近線性增大趨勢(shì)。1.3抗沖擊性能計(jì)算根據(jù)沖擊器臺(tái)架性能測(cè)試結(jié)果,結(jié)合根據(jù)塔河油田古生界地層(石炭系、志留系、奧陶系)特點(diǎn)所選PDC鉆頭的抗沖擊性能,確定沖擊器結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)。沖擊器結(jié)構(gòu)參數(shù)為:外徑178.0mm,長(zhǎng)2480mm,接頭410×430,直徑13mm分流孔2個(gè),錘質(zhì)量45kg,行程15mm。沖擊器工作性能參數(shù):排量26~28L/s,沖擊功193~268J,沖擊頻率8~10Hz,壓耗1~3MPa。2超采動(dòng)射流沖擊器+旋沖鉆井根據(jù)塔河油田深部地層的巖性特點(diǎn),在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上優(yōu)化了旋沖鉆井參數(shù),液動(dòng)射流沖擊器與PDC鉆頭配合,在塔河油田超深井成功進(jìn)行了3井次的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,旋沖鉆進(jìn)井段機(jī)械鉆速與鄰井常規(guī)鉆井相比提高了40%以上。2.1旋沖鉆進(jìn)鉆井液性能S116-3井應(yīng)用液動(dòng)射流沖擊器與PDC鉆頭配合旋沖鉆進(jìn)井段為5998.41~6086.22m,地層為奧陶系桑塔木組、良里塔格組、恰爾巴克組地層,巖性主要為灰色泥巖、灰?guī)r、棕紅色泥巖。沖擊器入井時(shí)間87.00h,純鉆41.02h,進(jìn)尺87.81m,平均機(jī)械鉆速2.14m/h,因四開(kāi)中完起鉆。鉆具組合為:φ215.9mmPDC鉆頭+YSC-178射流沖擊器+單流閥+411×4A10+φ165.1mm鉆鋌×2根+ue788215.0mm穩(wěn)定器+φ165.1mm鉆鋌×19根+4A11×410+φ127.0mm加重鉆桿×6根+φ127.0mm鉆桿。鉆井參數(shù):鉆壓40~70kN,轉(zhuǎn)速60~70r/min,排量26~27L/s。鉆井液性能:密度1.31kg/L,黏度56s,含砂量小于0.2%。旋沖鉆進(jìn)所用鉆頭出井新度在96%以上,專業(yè)探傷證明無(wú)損傷,在TP324井旋沖鉆進(jìn)中繼續(xù)使用了該只鉆頭。圖2所示分別為該井井深5997.00m常規(guī)鉆井上返的巖屑和井深6005.00m處利用旋沖鉆井上返的巖屑。從圖2可看出,沖擊器+PDC鉆頭所鉆巖屑,比常規(guī)鉆井PDC鉆頭所鉆巖屑顆粒大。2.2旋沖鉆進(jìn)鉆井TP324井液動(dòng)射流沖擊器與PDC鉆頭配合旋沖鉆進(jìn)井段為6151.65~6912.00m,地層為奧陶系桑塔木組、良里塔格組、恰爾巴克組地層,巖性主要為灰色泥巖、灰?guī)r、灰質(zhì)泥巖。鉆具組合純鉆時(shí)間273.70h,循環(huán)時(shí)間307.00h,進(jìn)尺760.35m。其中,沖擊器工作時(shí)間113.1h,進(jìn)尺370.35m。沖擊器失效后,鉆具組合轉(zhuǎn)為常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn),正常鉆進(jìn)至6912.00m,中完起鉆。鉆具組合:φ215.9mm鉆頭+YSC-178射流沖擊器+411×4A10+φ165.1mm鉆鋌×2根+φ213.0mm穩(wěn)定器+φ165.1mm鉆鋌×13根+4A11×410+φ127.0mm加重鉆桿×12根+φ127.0mm鉆桿。鉆井參數(shù):鉆壓30~80kN,轉(zhuǎn)速65~70r/min,排量26~28L/s。鉆井液性能:密度1.35kg/L,黏度57s,含砂量小于0.2%。旋沖鉆進(jìn)井段平均機(jī)械鉆速為3.27m/h,與上部相鄰井段(2.41m/h)相比提高了35.7%,與鄰井TP311井(2.46m/h)、TP313井(2.25m/h)相比分別提高了32.9%和45.3%,與托甫臺(tái)區(qū)塊ue788215.9mm井眼6000.00m以深59只鉆頭的平均機(jī)械鉆速(2.32m/h)相比提高了40.9%。鉆至三開(kāi)中完起鉆,PDC鉆頭出井仍然完好,新度在90%以上。2.3mmpdc鉆頭TP328X井液動(dòng)射流沖擊器與PDC鉆頭配合旋沖鉆進(jìn)井段為5936.06~6025.49m,地層為奧陶系柯平塔格組地層,巖性主要為灰色泥巖與砂巖互層。沖擊器純轉(zhuǎn)時(shí)間30.5h,循環(huán)時(shí)間118.5h,劃眼時(shí)間為88.0h,進(jìn)尺95.16m。鉆具組合:φ215.9mmPDC鉆頭+射流沖擊器+配合接頭+φ165.1mm無(wú)磁鉆鋌×1根+φ165.1mm鉆鋌×1根+φ212.0mm穩(wěn)定器+φ165.1mm鉆鋌×14根+配合接頭+φ127.0mm加重鉆桿×9根+φ127.0mm鉆桿。鉆井參數(shù):鉆壓40~80kN,轉(zhuǎn)速40~70r/min,排量26~28L/s。鉆井液性能:密度1.35kg/L,黏度55s,含砂量小于0.2%。該井旋沖鉆進(jìn)井段平均機(jī)械鉆速3.12m/h,與上部相鄰井段機(jī)械鉆速2.28m/h相比提高了36.8%,與鄰井TP19X相同井段機(jī)械鉆速2.31m/h相比提高了35.1%,與托甫臺(tái)區(qū)塊ue788215.9mm井眼井深6000.00m以深59只鉆頭的平均機(jī)械鉆速(2.32m/h)相比提高了34.5%。鉆至井深6025.49.00m,因?yàn)殂@具刺漏起鉆,影響了沖擊器單次入井時(shí)間和后期提速效果。3試驗(yàn)結(jié)果分析綜合分析S116-3井、TP324井和TP328X井應(yīng)用液動(dòng)射流沖擊器與PDC鉆頭配合進(jìn)行旋沖鉆進(jìn)的情況。S116-3井為探索性應(yīng)用,按照旋沖鉆井試驗(yàn)方案選擇100m井段試驗(yàn),但由于目的層提前,實(shí)際鉆進(jìn)87.81m,試驗(yàn)結(jié)果初步驗(yàn)證了射流沖擊器+PDC鉆頭在塔河油田超深井提速的可行性。TP324井在沖擊器正常工作時(shí)間內(nèi)提速效果明顯,當(dāng)沖擊器不工作時(shí),機(jī)械鉆速與常規(guī)鉆井機(jī)械鉆速相當(dāng),沖擊器的工作壽命有待進(jìn)一步提高,以匹配PDC鉆頭的使用壽命。TP328X由于井下異常(鉆桿刺漏)起鉆,影響了沖擊器的使用效果,但