川西地區(qū)深層旋沖鉆井技術先導試驗

川西地區(qū)深層旋沖鉆井技術先導試驗

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。巖石的普遍等級值大于6。機械鉆速慢、鉆井效率低、鉆井周期長是目前深井鉆井面臨的主要技術難題。針對存在的技術難題,通過論證和優(yōu)選,在沙溪廟組—須家河組試驗了液動射流式沖擊器,并在應用過程中進行了改進和完善?，F(xiàn)場應用表明,旋沖鉆井技術在提高硬地層機械鉆速、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。1井段優(yōu)選原則影響旋沖鉆進效率的主要參數(shù)有鉆壓、轉速、排量、沖擊功、沖擊頻率等。以φ177.8mm沖擊器為例,通過室內實驗和數(shù)值模擬分析,鉆壓所形成的最大壓應力必須大于巖石抗壓強度,才能破壞地層;頻率為15~20Hz時,轉速宜在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系,鉆壓大于臨界鉆壓時,沖擊器才能穩(wěn)定工作,排量為31L/s時,臨界鉆壓達到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)適于牙輪鉆頭鉆進的井段;4)鉆井液固相體積分數(shù)盡量低于15%,排量小于35L/s,減少工具沖蝕風險。在此原則下,優(yōu)選適合實施旋沖鉆井的井段為川西下沙溪廟組—須家河組。結合川西深井井身結構實際情況,分別對準215.9mm和φ241.3mm井眼推薦了相關鉆進參數(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行了試驗。工具入井前,分別對2個排量(10,20L/s)進行了測試,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,因鉆速較慢(比常規(guī)PDC鉆頭慢,與鄰井牙輪鉆頭相當)而起鉆。工具出井后,井口測試發(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,純鉆時間27.77h,鉆進總進尺26.18m,平均機械鉆速0.94m/h。從前期須家河組五段鉆井情況看,全井段平均機械鉆速2.75m/h,液體欠平衡時達4.03m/h。若以鉆頭類型劃分,PDC鉆頭平均機械鉆速2.90m/h,牙輪鉆頭平均機械鉆速1.01m/h,沖擊鉆井鉆速僅與牙輪鉆頭相當,遠低于PDC鉆頭。通過工具失效前后對比分析發(fā)現(xiàn),工具失效前平均機械鉆速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用效果和壽命。試驗效果未達到預期的主要原因有:1)鉆井液固相體積分數(shù)高,高流速下工具被快速沖蝕是應用效果不理想的主要原因。試驗排量31~37L/s,密度1.98~1.99g/cm3,固相體積分數(shù)32%,在大排量情況下,分流孔被沖蝕。2)工具結構設計和材質選擇還不能完全滿足高密度、大排量鉆進的需要。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一步改進。3)首次在φ241.3mm井眼應用,工具與井眼適應性還需進一步驗證。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井眼應用,井眼大,排量也大,在高密度、高固相體積分數(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計,即將元件壓蓋原來的圓形設計改為矩形,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,當流體從元件壓蓋流經射流元件時,消除了原來的階梯型過渡,避免在元件端面產生渦流,可減小甚至避免沖蝕。同時,元件壓蓋與射流元件配合面采用鍍鉻表面處理技術,提高二者配合面的抗沖蝕能力。3.2試驗結果的改進根據(jù)砧子材料化學成分、拉伸性能、沖擊性能、硬度、金相組織檢測和斷口分析結果,進行如下改進:改變砧子結構,消除設計尖角,避免出現(xiàn)應力集中點;增加材料厚度;在材料性能上,提高材料強度和沖擊吸收功,嚴格控制原材料性能和熱處理工藝,避免枝晶偏析組織缺陷,使砧子的強度達到標準值及設計要求。3.3工具與鉆頭的匹配方案的改進針對工具與井眼不匹配問題,取消轉換接頭,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調整轉速、鉆速旋沖鉆井工具經過改進和完善,在XC32井準215.9mm井眼再次應用,于井深4029.46m入井試驗,在試驗過程中,根據(jù)鉆速變化情況調整鉆進參數(shù),有效地保障了使用效果。鉆至4035.00m,鉆速下降,鉆時70.3min,調整鉆壓(從120kN調到140kN)后,鉆時為55.0~63.0min;鉆至4039.00m,調整排量(從22L/s上調到24L/s),鉆速未見明顯變化,立壓相應從20MPa上升到22MPa,排量調回到22L/s,降低立壓至20MPa;鉆至4046.00m,鉆速再次下降,鉆時70.0min,繼續(xù)提高鉆壓(從140kN調到150kN),調整后鉆速無明顯變化,根據(jù)錄井分析,為巖性變化,中砂巖變成細砂巖;鉆進至4049.00m,調整轉速(從64r/min上調到73r/min),鉆速提高,鉆時從72.0min縮短到60.9min;鉆至4056.13m,因后2m鉆時變慢(73.0min,96.3min)起鉆,出井后鉆頭幾乎完好(見圖2)。本次試驗井段4029.46~4056.13m,地層為須家河組四段,進尺26.67m,純鉆時間27.55h,平均機械鉆速0.97m/h,鉆井液密度2.25g/cm3。工具入井前,采用進口PDC鉆頭和國產牙輪鉆頭鉆進,鉆至3700m取心后,下入HJT517牙輪鉆頭鉆進,機械鉆速低于1.00m/h,換為進口PDC后,機械鉆速僅0.77m/h,主要是因為該井段鉆遇礫石層,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,但可延長鉆頭使用壽命。5旋沖鉆井技術1)通過室內實驗和現(xiàn)場驗證,在鉆井液密度低于2.25g/cm3情況下,液動射流式沖擊器成功地在4000m以深的硬地層應用,可進一步提高須家河組機械鉆速,延長鉆頭使用壽命。2)對于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。旋沖鉆井技術是提高破巖效率的一種有效手段。該技術是在常規(guī)鉆井鉆具組合的基礎上,在鉆頭與鉆鋌之間增加液動射流式沖擊器,根