川西地區(qū)深層旋沖鉆井技術(shù)先導(dǎo)試驗(yàn)

川西地區(qū)深層旋沖鉆井技術(shù)先導(dǎo)試驗(yàn)

西川深部巖石致密，鉆頭不好。尤其是蘇家河群，主要為巖屑砂巖和砂礫巖，局部礫巖，夾泥巖和煤線。巖石的普遍等級(jí)值大于6。機(jī)械鉆速慢、鉆井效率低、鉆井周期長(zhǎng)是目前深井鉆井面臨的主要技術(shù)難題。針對(duì)存在的技術(shù)難題,通過論證和優(yōu)選,在沙溪廟組—須家河組試驗(yàn)了液動(dòng)射流式?jīng)_擊器,并在應(yīng)用過程中進(jìn)行了改進(jìn)和完善?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明,旋沖鉆井技術(shù)在提高硬地層機(jī)械鉆速、縮短鉆井周期、降低鉆井綜合成本等方面成效顯著,目前已初步形成適合于川西硬地層的鉆井提速工藝技術(shù)。1井段優(yōu)選原則影響旋沖鉆進(jìn)效率的主要參數(shù)有鉆壓、轉(zhuǎn)速、排量、沖擊功、沖擊頻率等。以φ177.8mm沖擊器為例,通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬分析,鉆壓所形成的最大壓應(yīng)力必須大于巖石抗壓強(qiáng)度,才能破壞地層;頻率為15~20Hz時(shí),轉(zhuǎn)速宜在60~150r/min;隨著排量增加,沖擊功、沖擊頻率增大,破巖效率提高;臨界鉆壓與排量存在正比例關(guān)系,鉆壓大于臨界鉆壓時(shí),沖擊器才能穩(wěn)定工作,排量為31L/s時(shí),臨界鉆壓達(dá)到100kN。根據(jù)旋沖鉆井工具作用原理和川西硬地層特性,確定了4條井段優(yōu)選原則:1)井眼尺寸為φ215.9~241.3mm;2)巖石可鉆性級(jí)值在5以上、氣層較少、井壁穩(wěn)定性較好的井段;3)適于牙輪鉆頭鉆進(jìn)的井段;4)鉆井液固相體積分?jǐn)?shù)盡量低于15%,排量小于35L/s,減少工具沖蝕風(fēng)險(xiǎn)。在此原則下,優(yōu)選適合實(shí)施旋沖鉆井的井段為川西下沙溪廟組—須家河組。結(jié)合川西深井井身結(jié)構(gòu)實(shí)際情況,分別對(duì)準(zhǔn)215.9mm和φ241.3mm井眼推薦了相關(guān)鉆進(jìn)參數(shù)(見表1)。2分流孔沖蝕和地層鉆頭基本特征根據(jù)優(yōu)選原則,在X8-1H井下沙溪廟組以深井段進(jìn)行了試驗(yàn)。工具入井前,分別對(duì)2個(gè)排量(10,20L/s)進(jìn)行了測(cè)試,加壓40kN后,工具開始工作,立管壓力分別為0.8,1.6MPa。入井深度3009.30m,鉆至3035.48m時(shí),因鉆速較慢(比常規(guī)PDC鉆頭慢,與鄰井牙輪鉆頭相當(dāng))而起鉆。工具出井后,井口測(cè)試發(fā)現(xiàn)工具已不工作,鉆桿過濾器中堆積了大量大顆粒固相,鉆頭完好。拆卸工具后發(fā)現(xiàn),沖擊器上壓蓋分流孔存在嚴(yán)重的沖蝕坑,砧子存在局部裂痕(見圖1)。從錄井曲線和工具出井情況看,沖擊器可能在3022.50m已開始失效。沖擊器共入井58.75h,純鉆時(shí)間27.77h,鉆進(jìn)總進(jìn)尺26.18m,平均機(jī)械鉆速0.94m/h。從前期須家河組五段鉆井情況看,全井段平均機(jī)械鉆速2.75m/h,液體欠平衡時(shí)達(dá)4.03m/h。若以鉆頭類型劃分,PDC鉆頭平均機(jī)械鉆速2.90m/h,牙輪鉆頭平均機(jī)械鉆速1.01m/h,沖擊鉆井鉆速僅與牙輪鉆頭相當(dāng),遠(yuǎn)低于PDC鉆頭。通過工具失效前后對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),工具失效前平均機(jī)械鉆速1.26m/h,比鄰井牙輪鉆頭平均鉆速提高25%,工具失效后不影響鉆頭應(yīng)用效果和壽命。試驗(yàn)效果未達(dá)到預(yù)期的主要原因有:1)鉆井液固相體積分?jǐn)?shù)高,高流速下工具被快速?zèng)_蝕是應(yīng)用效果不理想的主要原因。試驗(yàn)排量31~37L/s,密度1.98~1.99g/cm3,固相體積分?jǐn)?shù)32%,在大排量情況下,分流孔被沖蝕。2)工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材質(zhì)選擇還不能完全滿足高密度、大排量鉆進(jìn)的需要。從上壓蓋被沖蝕情況看,過流斷面不一致、抗沖蝕性差、硬度不夠高是重要因素,工具加工和熱處理工藝還需進(jìn)一步改進(jìn)。3)首次在φ241.3mm井眼應(yīng)用,工具與井眼適應(yīng)性還需進(jìn)一步驗(yàn)證。φ177.8mm沖擊器主要與φ215.9mm井眼匹配,X8-1H井是該工具首次在φ241.3mm井眼應(yīng)用,井眼大,排量也大,在高密度、高固相體積分?jǐn)?shù)情況下影響工具壽命。3完善和完善工具3.1等過流斷面配合采用元件壓蓋與射流元件配合處斷面形狀相同設(shè)計(jì),即將元件壓蓋原來的圓形設(shè)計(jì)改為矩形,且與元件配合處的矩形面積相等,形成等過流斷面配合。采用這種配合方式,當(dāng)流體從元件壓蓋流經(jīng)射流元件時(shí),消除了原來的階梯型過渡,避免在元件端面產(chǎn)生渦流,可減小甚至避免沖蝕。同時(shí),元件壓蓋與射流元件配合面采用鍍鉻表面處理技術(shù),提高二者配合面的抗沖蝕能力。3.2試驗(yàn)結(jié)果的改進(jìn)根據(jù)砧子材料化學(xué)成分、拉伸性能、沖擊性能、硬度、金相組織檢測(cè)和斷口分析結(jié)果,進(jìn)行如下改進(jìn):改變砧子結(jié)構(gòu),消除設(shè)計(jì)尖角,避免出現(xiàn)應(yīng)力集中點(diǎn);增加材料厚度;在材料性能上,提高材料強(qiáng)度和沖擊吸收功,嚴(yán)格控制原材料性能和熱處理工藝,避免枝晶偏析組織缺陷,使砧子的強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值及設(shè)計(jì)要求。3.3工具與鉆頭的匹配方案的改進(jìn)針對(duì)工具與井眼不匹配問題,取消轉(zhuǎn)換接頭,提高破巖效率;增大射流元件主過流斷面面積,降低流體噴射流速,從根本上解決大排量下的沖蝕問題。4調(diào)整轉(zhuǎn)速、鉆速旋沖鉆井工具經(jīng)過改進(jìn)和完善,在XC32井準(zhǔn)215.9mm井眼再次應(yīng)用,于井深4029.46m入井試驗(yàn),在試驗(yàn)過程中,根據(jù)鉆速變化情況調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù),有效地保障了使用效果。鉆至4035.00m,鉆速下降,鉆時(shí)70.3min,調(diào)整鉆壓(從120kN調(diào)到140kN)后,鉆時(shí)為55.0~63.0min;鉆至4039.00m,調(diào)整排量(從22L/s上調(diào)到24L/s),鉆速未見明顯變化,立壓相應(yīng)從20MPa上升到22MPa,排量調(diào)回到22L/s,降低立壓至20MPa;鉆至4046.00m,鉆速再次下降,鉆時(shí)70.0min,繼續(xù)提高鉆壓(從140kN調(diào)到150kN),調(diào)整后鉆速無明顯變化,根據(jù)錄井分析,為巖性變化,中砂巖變成細(xì)砂巖;鉆進(jìn)至4049.00m,調(diào)整轉(zhuǎn)速(從64r/min上調(diào)到73r/min),鉆速提高,鉆時(shí)從72.0min縮短到60.9min;鉆至4056.13m,因后2m鉆時(shí)變慢(73.0min,96.3min)起鉆,出井后鉆頭幾乎完好(見圖2)。本次試驗(yàn)井段4029.46~4056.13m,地層為須家河組四段,進(jìn)尺26.67m,純鉆時(shí)間27.55h,平均機(jī)械鉆速0.97m/h,鉆井液密度2.25g/cm3。工具入井前,采用進(jìn)口PDC鉆頭和國(guó)產(chǎn)牙輪鉆頭鉆進(jìn),鉆至3700m取心后,下入HJT517牙輪鉆頭鉆進(jìn),機(jī)械鉆速低于1.00m/h,換為進(jìn)口PDC后,機(jī)械鉆速僅0.77m/h,主要是因?yàn)樵摼毋@遇礫石層,無論是牙輪鉆頭還是PDC鉆頭鉆速與壽命均不理想。與PDC鉆頭相比,在巖性相同(礫石層)的情況下,旋沖鉆井較PDC鉆頭提速26%,與牙輪鉆頭鉆速相當(dāng),但可延長(zhǎng)鉆頭使用壽命。5旋沖鉆井技術(shù)1)通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證,在鉆井液密度低于2.25g/cm3情況下,液動(dòng)射流式?jīng)_擊器成功地在4000m以深的硬地層應(yīng)用,可進(jìn)一步提高須家河組機(jī)械鉆速,延長(zhǎng)鉆頭使用壽命。2)對(duì)于φ241.3mm井眼,在大排量、高密度條件下,φ177.8mm射流沖擊器還需深入研究和完善。建議研制適合小尺寸井眼的旋沖鉆井工具,配合高效PDC鉆頭,提高深部地層鉆井速度。旋沖鉆井技術(shù)是提高破巖效率的一種有效手段。該技術(shù)是在常規(guī)鉆井鉆具組合的基礎(chǔ)上,在鉆頭與鉆鋌之間增加液動(dòng)射流式?jīng)_擊器,根