川東北元壩地區(qū)天然氣資源豐富，儲層圈閉資源量達6000億方以上，該區(qū)塊是中國石化繼普光氣田之后天然氣增儲上產(chǎn)的又一重點探區(qū)。目前已有10多口井獲得工業(yè)氣流，天然氣最高無阻流量達到751×104 m3/d，揭示了元壩氣藏良好的勘探前景。但是元壩探區(qū)陸相地層硬度高、非均質(zhì)性強，在上沙溪廟組以淺地層應(yīng)用成熟的氣體鉆井技術(shù)，鉆井速度較快;上沙溪廟組以深的千佛崖、自流井、須家河地層，由于研磨性強、可鉆性極差，雖然采用了不同廠家多種型號的鉆頭和多種鉆井方式，平均機械鉆速仍然難以突破 1.0m/h，成為制約元壩提速的瓶頸。
元壩陸相地層
鉆速瓶頸急需破除
元壩陸相地層埋深平均在4800m左右，砂泥巖交錯、多為硅質(zhì)膠結(jié)、巖性致密、非均質(zhì)性強，巖石抗壓強度在68.89~148.05MPa之間，巖石內(nèi)摩擦角為26.65~48.44°，可鉆性級值達5~8級，屬高硬度、高研磨性地層，導(dǎo)致機械鉆速低、鉆井效率低、鉆井周期長。
陸相上沙溪廟組以淺地層應(yīng)用氣體鉆井技術(shù)，平均機械鉆速達到8.82m/h，而下沙溪廟、千佛崖、自流井、須家河組由于地層不穩(wěn)定，井壁易發(fā)生掉快、垮塌現(xiàn)象，導(dǎo)致氣體鉆井無法實施;應(yīng)用常規(guī)鉆井機械鉆速低，平均機械鉆速0.95m/h，單只鉆頭進尺僅57.5m，見表1。地層厚度占全井的20%，但鉆井時間占全井鉆井周期的39%。由此可見，元壩提速的關(guān)鍵是實現(xiàn)陸相地層機械鉆速的提高。
但是由于地層研磨性強、可鉆性差，蹩跳鉆嚴重，PDC鉆頭一直未得到推廣應(yīng)用。為此，引進加拿大阿特拉公司的扭力沖擊器配合PDC鉆頭在陸相地層進行試驗。
扭力沖擊器配合PDC鉆頭
提高鉆速與使用壽命
扭力沖擊器(TorkBuster)是加拿大聯(lián)合金剛石公司(United Diamond)和阿特拉公司(Ulterra)合作研發(fā)的一種新型工具，主要用于PDC鉆頭的輔助破巖，作為一項相對較新的技術(shù)，自2000年提出構(gòu)想至今已經(jīng)應(yīng)用了2100多次，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。
發(fā)展背景 在井下，PDC 鉆頭的運動是極其無序的，包括橫向、縱向和扭向的振動及這幾種振動的組合。井下振動會損壞PDC 切削齒，引起鉆頭壽命縮短;引起的扭矩波動易干擾定向控制和隨鉆測井(LWD)信號，導(dǎo)致井身質(zhì)量的降低。
為了減弱影響正常鉆井的井下振動，消除鉆頭粘滑現(xiàn)象，研發(fā)了扭力沖擊器。它在鉆頭上增加一個額外的扭力方向(旋轉(zhuǎn)方向)的均勻穩(wěn)定的高頻沖擊力 (750~1500次/min)，改變了PDC鉆頭的運動狀態(tài)，相當(dāng)于每分鐘750~1500次切削地層，大大提高了PDC鉆頭的破巖效率，實現(xiàn)了機械鉆速和使用壽命的顯著提高。
工作優(yōu)點 配合PDC 鉆頭使用，以沖擊破碎為主，加以旋轉(zhuǎn)剪切巖層，在保證井身質(zhì)量的同時提高機械鉆速;將鉆井液的流體能量轉(zhuǎn)換成扭向的、高頻的、均勻穩(wěn)定的機械沖擊能量并直接傳遞給 PDC 鉆頭，使鉆頭和井底始終保持連續(xù)性;消除鉆頭粘滑現(xiàn)象，減少反沖扭力，有助于提高鉆頭的耐久性，延長鉆頭使用壽命;減弱了鉆柱上的扭力振蕩，從而降低了下部鉆具組合以及鉆桿的疲勞程度。
結(jié)構(gòu)特點 結(jié)構(gòu)合理，純動力機械設(shè)計，無電子元器件，無橡膠件;最高耐溫210℃ ，扭轉(zhuǎn)沖擊頻率可達700~1500次/min;不會產(chǎn)生陽極脈沖;可自帶穩(wěn)定器，起到防斜作用，保證井身質(zhì)量;使用時不影響錄井和測井，不會對MWD產(chǎn)生影響;長度0.68~1.2m，可用于不同鉆具組合;可與井下動力鉆具配套使用。
合理選型
應(yīng)用效果更明顯
扭力沖擊器選擇 針對元壩下沙溪廟、千佛崖組地層研磨性強，常規(guī)鉆井機械鉆速低的問題，選擇阿特拉扭力沖擊器在該地層應(yīng)用，井眼尺寸為Φ311.2mm，對應(yīng)選擇Φ279mm扭力沖擊器，主要參數(shù)見表2。
配合鉆頭的合理選型 下沙溪廟組及以深地層巖性砂、泥巖互層，軟硬變化大，鉆頭使用不穩(wěn)定;砂巖多為硅質(zhì)膠結(jié)，巖性致密、硬度大、研磨性強、可鉆性級值平均約在 6 級以上，最高8級，巖層可鉆性極差;地層對鉆頭磨損嚴重，鉆頭失效快，單只鉆頭進尺較少。針對地層特點，選擇阿特拉公司的UD513 PDC鉆頭，該鉆頭是專門為配合扭力沖擊器使用而設(shè)計，選用抗研磨性強的UTechXTTM PDC 復(fù)合片，它用改進的金剛石合成方法制造，通過混合金剛石顆粒大小既能優(yōu)化抗研磨性，又能優(yōu)化抗沖擊性。
目的是通過扭力沖擊器改變鉆頭工作方式，將切削地層的扭力最大化并直接作用在鉆頭上，從而提高機械鉆速，減少有危害的鉆頭振動，降低夾層對PDC的影響，使鉆頭可以在井底平穩(wěn)運作，從而延長鉆頭壽命。鉆井參數(shù)設(shè)計，見表3。
扭力沖擊器及配合鉆頭使用技術(shù)要點 一是入井前準備工作：準備兩個完好的鉆桿濾清器;調(diào)整鉆井液性能，維護井壁穩(wěn)定性，充分循環(huán)清潔鉆井液，降低含砂量和固相含量;確保泥漿泵運轉(zhuǎn)正常，工具工作排量為50~56L/s。二是工具測試及下鉆：工具在鉆臺面進行短測試，排量從20L/s開始至最高排量;下鉆過程避免在套管中大排量開泵循環(huán)，盡可能減少套管中開泵時間;若遇阻盡量避免大井段劃眼;下至距離井底10~20m開泵，避免鉆頭直接接觸井底或井底沉砂，防止堵塞水眼，到底之后檢查泵壓、排量，看是否正常，禁止低排量情況下接觸井底。
三是鉆進：造型鉆壓20~40KN，轉(zhuǎn)速60rpm，造型進尺20cm;正常鉆進鉆壓一般不超過160KN，轉(zhuǎn)速55~65rpm，在泥巖中或機械鉆速較快地層為可調(diào)整至最高90rpm; 根據(jù)鉆時快慢，及時觀察、判斷工具和鉆頭情況;觀察返出巖屑，是否有大量掉塊、鐵屑、石英等特殊巖屑，注意觀察鉆井參數(shù);每個單根需及時清理鉆桿濾子。四是起鉆：起到套管鞋和封井器位置，注意提升速度，平穩(wěn)操作;卸掉工具和鉆頭時同樣避免直接接觸鉆臺面。
YB272井應(yīng)用情況 YB272井是部署在川東北巴中低緩構(gòu)造的一口水平開發(fā)評價井，設(shè)計井深7597m，設(shè)計完鉆層位是長興組。為提高三開陸相地層機械鉆速，采用阿特拉扭力沖擊器配合UD513 PDC鉆頭鉆進，同時采用液體欠平衡鉆井工藝，現(xiàn)場共實施3趟鉆進，詳見表4。
鉆具組合：Φ314.1mmUD513PDC鉆頭+Φ279mm扭力沖擊器+浮閥+Φ241.3mm鉆鋌2根+Φ305mm扶正器+Φ241.3mm鉆鋌4根+Φ203.2mm鉆鋌6根+Φ177.8mm鉆鋌×3根+Φ139.7mm斜坡鉆桿。
鉆井參數(shù)：鉆壓120~140KN;轉(zhuǎn)速70rpm;排量51~56L/s;立壓18~19MPa。
從圖4中可以看出，第1趟鉆機械鉆速顯著高于后2趟，主要是由于在上沙溪廟組鉆進，地層可鉆性較好;第2趟鉆由于鉆頭磨損較為嚴重，鉆時逐漸變慢，更換鉆頭后，在第3趟鉆，鉆時顯著加快。另外由于地層軟硬交錯(砂巖和泥巖互層)，鉆時變化大，最快鉆時為3min/m，最慢鉆時達到84min/m，尤其是進入下沙溪廟組地層以后，平均2~3m就發(fā)生巖性變化，導(dǎo)致鉆時波動更加顯著，對PDC鉆頭的使用和機械鉆速影響很大。
現(xiàn)場共使用2只PDC鉆頭、3套阿特拉扭力沖擊器。實鉆井段為3123.57~3630.08m，總進尺506.51m，純鉆時間225.83小時，平均機械鉆速2.24m/h， 較相鄰井段應(yīng)用的牙輪鉆頭進尺增加2倍以上，機械鉆速提高1.4倍，表明應(yīng)用扭力沖擊器配合UD PDC鉆頭，能夠較好的克服地層硬度高、軟硬交錯的影響。
綜合應(yīng)用指標分析 自2010年在元壩10井成功應(yīng)用扭力沖擊器提速以后，在元壩地區(qū)累計應(yīng)用已達到9井次，詳見表5。平均單只鉆頭進尺達到151.54m，平均機械鉆速 2.21m/h，同比2009年牙輪鉆頭進尺增加163.55%，機械鉆速提高127.63%，實現(xiàn)了陸相堅硬難鉆地層機械鉆速的重大突破，見表5。
扭力沖擊器配合PDC鉆頭較好的解決了元壩陸相地層常規(guī)鉆井機械鉆速低的難題，在提高機械鉆速的同時，延長了鉆頭的使用壽命。
在地面設(shè)備允許的條件下，應(yīng)盡量提高排量，避免低轉(zhuǎn)速且排量不足的情況下發(fā)生鉆頭泥包。建議繼續(xù)推廣應(yīng)用扭力沖擊器配合PDC鉆頭鉆井技術(shù)，并在下部自流井和須家河組開展試驗，延長工具應(yīng)用井段，同時加大國產(chǎn)化研究力度，以降低成本。
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