塔河工区深部井段硬地层提速技术

摘 要：提出了塔河工区深部井段硬地层提速技术——旋冲钻井技术。在旋冲钻井技术应用的基础上，对旋冲钻井破岩机理进行了描述，分析了钻压、转速、排量对冲击功、冲击频率的影响，阐述了旋冲钻井工具的工作机理，通过室内试验测试，确定了射流冲击器性能参数，进行了射流冲击器配套PDC钻头优选。针对塔河油田油层埋藏深，地层硬，特别215.9mm井眼，机械钻速低问题，突破性地应用射流冲击器与PDC钻头结合使用，为塔河油田深井钻井提速、提效提供了一种行之有效、安全可靠的钻井新工艺。为旋冲冲击器在塔河油田应用推广打开了广阔的应用前景。

关键词：深井 射流冲击器 PDC钻头

目前，塔河工区油层埋藏深，井深普遍超过6000m，穿越多套地层，岩性变化频繁，砂砾岩地层对钻头损伤大，全井裸眼段长，4500m以深井段机械钻速低等难点。深部井段（4500米以深）的泥页岩和泥质砂岩等在上覆地层压力下变得非常致密，不仅密度和硬度增大，而且会从常压下的脆性岩石向塑脆性岩石或硬塑性致密岩石转化，钻头在这种岩石中破碎起来非常困难。

一、旋冲钻井技术概述

旋冲钻井技术是传统的旋转钻井与冲击钻井相结合的一种钻井方法。就是在旋转钻井的基础上，增加一个冲击器产生的高频冲击作用，通过钻头把周期性的冲击载荷作用在地层上，实现冲击载荷与静压旋转联合作用破碎岩石。由于在钻进过程中施加了高频的冲击载荷，使岩石形成体积破碎，从而提高钻井速度， 特别在可钻性级值4级以上、抗压强度大于100MPa的硬地层中钻进效果更佳。

实现旋冲钻井的主要工具是液动冲击器，它是一种以钻井液为动力，直接在钻头上施加冲击能，实现冲击载荷与静压旋转联合破岩的工具。目前，中国石化石油工程技术研究院已成功研制了YSC-178型液动射流式冲击器，这种冲击器具有结构简单、性能可靠、启动灵活、工作稳定且冲击载荷可调可控，且循环压差较小（1-2Mpa），使用寿命较长（100小时以上），不工作时相当于一根短钻铤，可继续钻进，满足井下安全需要。不改变原钻具结构，可与井下动力钻具结合使用，特别对于深井硬脆性地层，提速效果明显。

二、塔河油田旋冲冲击器结构性能参数确定及PDC钻头选型

塔河地区石炭系-奥陶系地层岩石强度及范围：5000psi-29000psi（34-200MPa）， 变化范围较大，下部井段抗压强度相对较高。拟应用井段地层硬度分级为IADC4-7，地层软硬交错，邻井平均机械钻速2m/h左右。

综合考虑塔河油田沙雅区块、托普台区块地层特点和PDC钻头的地层适应性，结合本区块钻井实践，对于石炭系及石炭系以下地层以压实性好的泥岩、灰岩为主，可钻性相对较差，推荐选择中等抛物线型、中等布齿密度、13-16mm复合片、负前角20°或25°的胎体PDC钻头。另外，综考虑PDC钻头配合冲击器使用，钻头须能够承受一定冲击力，采用热稳定性好、特别耐磨、耐冲击的X3齿 ，单个金刚石复合片可承受60J以下的冲击能。215.9mm FX65DX3PDC钻头采用双排齿设计，后排齿可有效降低载荷波动范围，进一步提高钻头安全。

三、旋冲冲击器+PDC钻头在塔河油田S116-3井、TP324井的应用

1.S116-3井应用情况

S116-3井在库车县境内，为沙雅隆起阿克库勒凸起南斜坡带布置的一口评价井，设计井深6295m，为五开制直井，目的层位：奥陶系中-下统鹰山组。因为首次冲击器与PDC钻头配合应用，为了既能保证S116-3井安全生产，又能保证实验效果，我们选取该井四开215.9mm井眼，在四开设计中完前100m井段进行探索性试验应用，实际应用井段：5998.41-6086m（四开中完井深），地层为奥陶系上统桑塔木组、良里塔格组、恰尔巴克组。地层岩性主要为灰色泥岩、灰岩、棕红色泥岩。该井试验井段虽短，但由于钻穿多套地层，取得了较好的试验效果。同时验证了射流冲击器与PDC配合应用的可行性。

1.1 旋冲钻进钻具组合

钻具组合为：215.9mm FX65D+YSC-178射流冲击器+单流阀+411x4A10 +163mmDCx2根+215mm扶正器+163mmDCx19根+4A11*410+127mmHWDPx6根+127mmDP。

1.2旋冲钻井参数

钻井参数为：钻压6t，转速65rpm，排量27L/s，立压20.5MPa。泥浆性能：密度 1.30g/cm3，粘度 51 s，失水4ml，泥饼厚度 0.5ml，含砂量 0.1%，PH值 9，坂土含量 32g/l。

2.TP324井应用情况

在S116-3井探索射流冲击器+PDC应用的基础上继续开展了在新疆塔河托普甫台区块TP324井的长井段应用。旋冲钻进井段为6151.65-6912m，地层为桑塔木组、良里塔格和恰尔巴克组，地层岩性为泥岩、灰质泥岩、泥质灰岩为主。钻井参数：钻压6-8t，转速70rpm，排量26-28L/s。泥浆比重为1.35，粘度为57s。钻进至6912m，因三开中完起钻，冲击器入井时间351h，纯钻时间273.7h，总进尺760.35m，PDC钻头出井仍然完好，新度为90%。再次证明了射流冲击器配合PDC钻头的可行性与安全性。近期将在塔河油田继续推广应用。旋冲钻进井段钻速与上部井段、下部井段，邻井相应井段对比情况见表4。

YSC-178射流冲击器首次配合PDC钻头的成功应用，拓宽了射流冲击器的应用范围，为塔河油田深井、超深井提速提供了一个新的技术手段。

四、结论

1.YSC-178射流冲击器应用于深井、深超深井钻进，工作可靠，使用寿命达110小时以上，同时能保证井身质量；

2.采用射流冲击器在塔河奥陶系地层中进行旋冲钻进，提速效果良好，与同井上下邻井段及邻井相同井段相比提速32-45%；

3.旋冲钻井钻进方式切削岩屑颗粒较大，有利于岩屑录井；

4.射流冲击器配合PDC钻头使用，其有效工作寿命与PDC钻头使用寿命还不匹配，目前已对缸体和活塞表面进行了硬化处理，理论上可大幅度提高工具的正常工作寿命，实际效果有待现场应用检验。

5.射流冲击器结合PDC钻头使用还要继续探索应用，仍需继续优化钻头有较大提速空间，下一步准备运用5刀翼双排齿PDC钻头与冲击器结合使用，可获得更大提速空间。

参考文献

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