2. 中国石化石油工程技术研究院
2. Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering
0 引言
随着水平井及水平分支井等复杂结构井的数量增多，目前钻井主要通过复合钻进和井下动力工具滑动钻进2种钻进方式[1-2]。钻进过程中，钻柱与井壁之间的摩阻是影响钻速的重要因素，由钻具组合与井壁摩擦所造成的额外扭矩与摩阻会导致机械钻速低、工具面控制困难、单趟钻进尺少以及异常严重的钻柱和钻头磨损等。当钻进过程中累积摩擦力超过所施加钻压时，钻柱与井壁之间的摩阻问题会更加突出，如何有效地向钻头施加钻压就成为人们普遍关注的问题。由于这些复杂结构井沿程水力损耗大，井底钻头可用水马力相当低，一般都是靠钻柱重力向钻头施加钻压破碎岩石。然而在大斜度井和水平井施工中，这种传统的加压方法受到很大程度的限制：由于井斜较大，钻柱重力在井眼方向的分量小或近似为0，很难满足预先设计的钻压[3-6]。对于定向井和水平井而言，高摩阻还会形成弯曲井眼，从而造成钻机钻达最大深度的能力降低，甚至会影响到油井产量[7]。轴向冲击振动工具和径向振动工具都具有减小摩阻的作用，其中，轴向冲击振动工具的效果更为显著。ø228 mm射流冲击器就是一种轴向冲击振动工具，同样具有减小摩阻的功能[8-9]。
针对涪陵页岩气田二开ø311.2 mm井眼茅口组机械钻速低、茅口组到龙马溪组定向井段托压严重的技术难题[10-11]，通过对ø228 mm射流冲击器进行结构参数优化、台架性能测试和现场施工工艺优化，形成了ø228 mm射流冲击器直井段提速方案和定向段防托压2套技术方案，这2套技术方案在涪陵钻井区块二开钻进井段进行了试验应用。
1 技术分析 1.1 结构ø228 mm射流冲击器由控制机构、动力机构和能量传递机构3部分组成。该射流冲击器在直井提速用冲击器的基础上改进了动力机构，以适用于水平井和定向井提速需求，其结构见图 1。
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| 图 1 射流冲击器结构示意图 Fig.1 Structural schematic of the jet impactor 1—上接头；2—分流装置；3—射流元件；4—缸体；5—外缸；6—活塞；7—缸盖；8—中接头；9—冲锤；10—外管；11—砧子；12—八方。 |
1.2 工作原理
在钻具组合中介于中和点下部和钻头之间，当钻井液循环、钻头接触井底或中和点以下钻柱遇阻时，冲击器开始工作。钻井液经过换向机构，流体产生有规律的换向，交替作用到活塞上、下端面，推动活塞带动冲锤产生高频往复运动，冲锤高频冲击作用到砧子上，冲击能量由传递机构传递到钻柱，钻柱在高频振动下，与井壁产生的静摩擦转换成动摩擦，进而起到防摩减阻作用，有利于滑动钻进机械钻速的提高及工作面的摆放[12]。
1.3 特点(1) 性能参数可调，可与井下动力钻具和测量仪器配合使用[13]；
(2) 不影响井下动力钻具和测量仪器的使用寿命；
(3) 其振动频率不会干扰MWD/LWD信号传递；
(4) 不工作时，不影响正常钻进；
(5) 通过钻具组合优化，适用于直井段和定向井段钻井提速及防托压。
1.4 主要技术参数长度2 793 mm，直径228 mm，冲击功120~660 J，频率6~20 Hz，压降1.0~2.5 MPa，抗拉压载荷2 870 kN，抗扭17 500 kN·m。
2 ø228 mm射流冲击器应用施工设计涪陵页岩气钻井区块上部直井段茅口组岩上部为灰、浅灰、深灰、灰白色灰岩及灰黑色炭质页岩，中部及下部为浅灰、灰、深灰色灰岩，中、下部夹薄层灰色灰质泥岩。重点解决该层段机械钻速低的难题。
韩家店组上部岩性以灰色泥岩为主，夹灰绿色粉砂岩，中、下部岩性为灰色泥岩、砂质泥岩与灰绿色粉砂岩、泥质粉砂岩呈不等厚互层；小河坝组上部及中部岩性以灰、绿灰、灰绿色泥岩、砂质泥岩为主，夹绿灰、灰绿色粉砂岩、泥质粉砂岩，下部岩性为灰、绿灰色泥岩、砂质泥岩与绿灰色粉砂岩、泥质粉砂岩呈不等厚互层；龙马溪组上部为灰、深灰色泥岩、含粉砂质泥岩，下部为深灰色、灰黑色泥岩、炭质泥岩。重点解决定向段托压的难题。
2.1 二开上部直井段提速施工设计涪陵二开直井段井深通常在700~2 300 m，井眼直径为311.2 mm，地层为茅口组。常规钻具组合为：PDC钻头+螺杆马达+MWD+常规钻具组合。针对该层段机械钻速慢、地层软硬夹层以及钻头寿命短等主要问题，采用了PDC钻头+螺杆马达+ø228 mm射流冲击器+MWD+常规钻具组合。应用ø228 mm射流冲击器高频冲击作用，一方面将冲击动载传递给钻头，辅助钻头破岩，提高钻头机械钻速；另一方面，有效克服钻头的憋卡、打滑及跳钻等不良现象发生，进而延长钻头的使用寿命。技术关键是旋冲钻井参数设计，在直井段中旋冲钻井参数设计如下：钻压60~120 kN，转盘转数60~90 r/min，排量45~60 L/s，冲击功296~326 J，冲击频率9~15 Hz。
2.2 二开下部定向井段提速施工设计涪陵二开定向井段井深通常在2 300~3 300 m，井眼直径为311.2 mm，地层为韩家店至龙马溪组。常规钻具组合为：PDC钻头+弯螺杆马达+MWD+常规钻具组合。主要问题是滑动钻进中存在托压现象，工具面摆放困难。
针对存在的问题，采用了PDC钻头+弯螺杆马达+ø228 mm射流冲击器+MWD+常规钻具组合。在参数设计上，加大了轴向冲击力，利用工具在轴向的高频动载冲击作用，产生轴向振动，将滑动钻进中钻柱与井壁之间的静摩擦转化成动摩擦，进而在滑动钻进中减小摩阻，稳定钻压和立压，有助于工具面摆放。技术关键仍然是旋冲钻井参数设计，在定向井段中旋冲钻井参数设计如下：钻压60~120 kN，转盘转数60~90 r/min，排量45~60 L/s，冲击功398~496 J，冲击频率8~13 Hz。
3 现场应用按照制定的施工设计，将ø228 mm射流冲击器在涪陵页岩气区块焦页81-7HF和焦页81-6HF井分别进行了现场试验应用，取得了显著效果。
3.1 焦页81-7HF井应用分析ø228 mm射流冲击器首先在焦页81-7HF井开展了试验应用，2套ø228 mm射流冲击器入井5井次，总进尺797.14 m，总纯钻时间97.9 h，总循环时间46.0 h。工作时间总计143.9 h。茅口组钻进机械钻速为8.6 m/h，韩家店组钻进机械钻速为13.1 m/h，较邻井(焦页81-2HF)同比提速45%以上，较上部相邻井段(6.8 m/h)提高93.4%。
地层为茅口组、栖霞组、梁山组、黄龙组和韩家店组，岩性为灰岩、泥质灰岩、泥岩、砂质泥岩和粉砂岩。
钻井参数：复合钻进时钻压40~80 kN，转速50 r/min，排量50~60 L/s。滑动钻进时钻压70~90 kN。
钻具组合：ø311.0 mm PDC+弯螺杆+ø228.0 mm射流冲击器+ø203.0 mm NMDC+定向短节+ø203.0 mm DC×5+回压阀+ø139.0 mm HWDP×15+ø139.0 mm DP。
钻井液性能：密度1.30 g/cm3，黏度43 s，含砂质量分数＜0.3%。
在定向钻进中，使用射流冲击器防托压效果显著，工具面稳定。通过使用射流冲击器有效预防了定向钻进中的托压现象，并有效提高了钻井机械钻速，滑动钻进钻时一般在7~12 min之间，上部井段未使用旋冲钻进滑动钻进钻时通常在18~30 min。可见，使用射流冲击器对提高滑动钻进速度效果显著。
3.2 焦页81-6HF井应用分析在焦页81-7HF井成功试验应用的基础上，进一步在焦页81-6HF井推广应用。相比焦页81-7HF井开展了冲击器应用井段，在焦页81-6HF井应用井段加深，定向难度加大。为此，对工具性能参数进行了优化，同时，进一步优化了钻具组合及钻井参数。
2套ø228 mm射流冲击器共计入井3井次，井深2 370.29~2 784.00 m，总进尺413.71 m，入井时间136.0 h，纯钻时间59.8 h，循环时间26.2 h，工作时间86.0 h。应用ø228 mm射流冲击器，滑动钻进机械钻速较邻井焦页81-4HF井相近井段同比提高1倍以上，复合钻进机械钻速较邻井相近井段同比提高26.8%。
地层为韩家店组、小河坝组及龙马溪组，其中韩家店组、小河坝组以泥岩、砂质泥岩为主，夹粉砂岩，龙马溪组以泥岩为主。
钻具组合：ø311.0 mm PDC+弯螺杆(1.25°)+ø228.0 mm射流冲击器+ø203.0 mm NMDC+定向短节+ø203.0 mm DC×5+回压阀+ø139.0 mm HWDP×15+ø139.0 mm DP。
钻井参数：复合钻进时钻压60~80 kN，转速50 r/min，排量50~60 L/s。滑动钻进时钻压60~100 kN。
钻井液性能：密度1.35 g/cm3，黏度52 s，含砂质量分数＜0.3%。
表 1为焦页81-6HF井与焦页81-4HF井机械钻速对比情况。ø228 mm射流冲击器在应用过程中工作稳定，从井深2 000.00 m开始定向，钻进至井深2 497.26 m，井斜达30°，方位从350°扭到298°，定向钻进井段没有出现托压现象，工具面稳定，定向顺畅，钻压和立压平稳，滑动钻时6~8 min，大幅度提高了钻进时效。
| 井号 | 井段/m | 滑动进尺/m | 滑动时间/h | 滑动机械钻速/(m·h-1) | 复合机械钻速/(m·h-1) | 是否用冲击器 |
| 焦页81-6HF井 | 2 680.00~2 694.44 | 10.00 | 1.58 | 6.32 | 9.61 | 是 |
| 2 694.44~2 709.00 | 10.06 | 1.63 | 6.16 | 12.27 | 是 | |
| 2 709.00~2 716.94 | 7.94 | 1.78 | 4.45 | 9.39 | 是 | |
| 2 716.94~2 731.73 | 9.47 | 1.15 | 8.23 | 10.16 | 是 | |
| 2 680.00~2 731.73 | 37.47 | 6.14 | 6.10 | 10.36 | 是 | |
| 焦页81-4HF井 | 2 677.00~2 689.00 | 7.00 | 2.51 | 2.79 | 7.66 | 否 |
| 2 690.00~2 706.00 | 10.00 | 3.71 | 2.69 | 10.09 | 否 | |
| 2 707.00~2 716.00 | 4.00 | 1.41 | 2.84 | 7.08 | 否 | |
| 2 716.00~2 731.00 | 10.00 | 4.55 | 2.20 | 7.85 | 否 | |
| 2 677.00~2 731.00 | 31.00 | 12.18 | 2.55 | 8.17 | 否 |
焦页81-7HF井和焦页81-6HF井2口井成功应用ø228 mm射流冲击器提速，累计进尺1 210 m。在应用过程中，工具工作稳定，扭方位总计近100°，立压和钻压平稳，定向工具面容易摆放，提速效果显著。
4 结论(1)ø228 mm射流冲击器应用于涪陵二开茅口组直井段有效提高了机械钻速；焦页81-7HF井机械钻速为13.1 m/h，较邻井(焦页81-2HF井)同比提速45%以上，较上部相邻井段(6.8 m/h)提高93.4%；焦页81-6HF井滑动钻进机械钻速较邻井焦页81-4HF井相近井段同比提高1倍以上，复合钻进机械钻速较邻井相近井段同比提高26.8%。
(2)ø228 mm射流冲击器用于定向井段滑动钻进顺利，钻压和立压平稳，工具面容易摆放，缓解或减少了托压。
(3)ø228 mm射流冲击器性能参数可调，可与井下动力钻具和测量仪器配套使用。
| [1] | 解经宇, 高学生, 李伟. 长庆气田水平井优快钻井配套技术[J]. 石油钻采工艺, 2015, 37(5): 30–33. |
| [2] | 韩福彬, 李瑞营, 李国华, 等. 庆深气田致密砂砾岩气藏小井眼水平井钻井技术[J]. 石油钻探技术, 2013, 41(5): 56–61. |
| [3] | SKYLES L P, AMIRASLANI Y A.Converting static friction to drill further and faster in directional holes[R].SPE 151221, 2012. |
| [4] | 何世明. 水平井下套管摩阻分析计算[J]. 西南石油学院学报, 1997, 19(2): 21–26. |
| [5] | 张建群. 定向井中摩擦阻力模式及其应用的初步研究[J]. 大庆石油学院学报, 1989, 13(4): 6–11. |
| [6] | 沈国兵, 刘明国, 晁文学, 等. 涪陵页岩气田三维水平井井眼轨迹控制技术[J]. 石油钻探技术, 2016, 44(2): 10–15. |
| [7] | 张辉, 吴仲华, 蔡文军. 水力振荡器的研制及现场试验[J]. 石油机械, 2014, 42(6): 12–15. |
| [8] | 索忠伟, 王甲昌, 张海平, 等. 旋冲钻井在塔河工区超深井段的应用[J]. 石油钻采工艺, 2013, 35(4): 44–46. |
| [9] | 陈志学, 于文华, 朱敬祖, 等. 液动旋冲钻井技术在青西地区的试验与应用[J]. 石油钻采工艺, 2006, 28(5): 19–21. |
| [10] | 张敏, 刘明国, 兰凯, 等. 焦石坝页岩气水平井钻井提速工具应用[J]. 钻采工艺, 2016, 39(1): 6–9. |
| [11] | 牛新明. 涪陵页岩气田钻井技术难点及对策[J]. 石油钻探技术, 2014, 42(4): 1–6. |
| [12] | 罗恒荣, 索忠伟, 谭勇, 等. 防托压冲击器在盘40-斜501井的应用[J]. 石油钻探技术, 2015, 43(5): 30–33. |
| [13] | 李广国, 索忠伟, 王甲昌, 等. 射流冲击器配合PDC钻头在超深井中应用[J]. 石油机械, 2013, 41(4): 31–34. |