防流體倒灌的新型泡沫錘研制及其應用

胡貴 孟慶昆 王向東 陶冶

中國石油勘探開發研究院

空氣錘在油氣田“防斜打快”應用中逐步成熟［1－3］，應用范圍從傳統防斜提速開始向定向鉆井發展［4］。但也還存在鉆遇地層出水，空氣錘易出現輸出功率低或不工作的問題［5］及地層液體倒灌氣缸污染空氣錘問題。國內外曾在泡沫介質中應用空氣錘鉆進［6－7］，但主要限于淺地層，井底壓力較小，對空氣錘輸出功率影響程度較小。在油氣鉆井行業，由于井深大，使用霧化或泡沫后井底壓力相對純氣體高，對常規空氣錘輸出功率影響較大，有必要同時發展適應于氣體（干氣）和霧化或泡沫（濕氣）鉆井介質的泡沫錘技術。為此，筆者主要介紹了泡沫錘的研制背景、結構及性能特點以及在現場中的應用效果。

1 泡沫錘研制背景

空氣錘在潮濕地層或出水地層鉆進時，容易出現泥包鉆頭鉆具現象，封堵鉆具和井壁之間的環空，嚴重時可直接封堵住氣體通道，致使氣體鉆井無法正常鉆進。遇到這種情況，只能轉換鉆進工藝，根據出水量采用霧化鉆井、泡沫鉆井、充氣鉆井或鉆井液鉆進等，以保證攜巖攜屑。但使用霧化鉆井或泡沫鉆井，常規空氣錘容易出現以下兩大問題：①輸出功率低或無輸出功率，導致空氣錘機械鉆速低或無法鉆進；②井下液體倒灌空氣錘氣室污染氣缸導致空氣錘失效。

1.1 輸出功率降低

在現場作業中，一旦發生地層出水，空氣錘首先是每米鉆時增加，嚴重時可出現無進尺現象，隨后返出氣體潮濕。出現這種情況，現場一般先循環干燥，若干燥不成功則轉化為霧化或泡沫鉆井。介質轉換對空氣錘的輸出功率影響更大，每米鉆時會進一步降低，直至出現無進尺現象。

根據空氣錘的結構及工作原理［8］可知，實現其能量交換和轉化過程的關鍵是空氣錘后氣室在充盈的鉆井介質時具有一定的壓縮量，保證活塞位移大于前氣室泄壓所需要的最小距離，實現前后氣室的能量交換。當鉆井介質轉化為霧化或泡沫后，需在注入氣體中同時添加一定量的水及發泡劑，以保證攜巖。當注入一定量的液體后，會導致以下問題：①輸入介質的可壓縮性降低，或稱輸入介質可壓縮成分的體積分數降低；②環空中鉆井介質當量密度提高，空氣錘背壓增加，導致空氣錘后氣室的可壓縮性降低。

本文參考文獻［5］分析了空氣錘在泡沫鉆井介質條件下的工作性能，認為泡沫介質不可壓縮成分等同于減小了后氣室的初始體積，同時泡沫鉆井時井底壓力增加會降低活塞的行程，影響其能量交換過程，嚴重時導致空氣錘無輸出功率；針對此問題提出了綜合優化后氣室初始體積、優化尾管結構尺寸、優化動力單元間隙的技術建議。

1.2 地層液體倒灌

空氣錘遇水后除輸出功率降低外，還會出現地層液體倒灌問題。即在鉆井介質（氣體、霧化或泡沫）停止循環時，如接換單根（立柱）時，地層液體流入井筒，因不能及時上返而在井底積聚，達到一定量時可通過鉆頭中心孔進入氣缸，并攜帶一定的井下巖屑、粉塵或地層臟污。這些巖屑粉塵臟污在水的作用下極易粘貼在氣缸內壁和活塞上，當送氣恢復循環鉆進時，如不及時排出，則會卡死活塞或者加速氣缸和活塞的磨損。

2 泡沫錘結構特點

2.1 結構

和空氣錘［1］類似，研制的泡沫錘采用無閥式中心排氣結構，并增加了防倒灌裝置。主要構成部件有：后接頭、外套筒、逆止閥、配氣座、活塞、活塞缸、尾管、防倒灌裝置、鉆頭（圖1）。

圖1 PKQC180泡沫錘結構示意圖

2.2 特點

泡沫錘除具有空氣錘技術特點：①沖擊破巖提高機械鉆速，②高傾角地層糾斜防斜鉆進，③耐井下150℃高溫外，還具備以下兩大技術優勢。

1）可同時適用氣體（干氣）和霧化泡沫（濕氣）鉆井介質。相比空氣錘，動力單元（前后氣室、氣缸、活塞、尾管）結構參數重新優化設計，降低濕氣時背壓增加對前后氣室能量交換過程的影響程度，提高其在泡沫介質中的適應性，適合注液量應小于3L／s。現場作業時，泡沫錘可先在氣體介質中鉆進，如遇地層出水需要轉化為霧化鉆進或泡沫鉆井（注液量在推薦值范圍內）時，不用起鉆調整結構參數［8］，相比空氣錘對泡沫介質具有更好的適應性。

2）可防止井下液體倒灌。泡沫錘鉆頭部位增加了防倒灌裝置，如圖1所示。其工作原理為：泡沫錘正常工作時，裝置中閥體在重力和流體作用下處于下行位置，流體通道常開；當接換單根（立柱）停止注氣循環時，井下流體侵入井筒。隨著流體的集聚，當液面淹沒防倒灌裝置后，由于閥體當量密度小于井下流體密度，閥體開始上行，并封閉流體通道，并隨著井下流體的繼續集聚，泡沫錘外部液面逐步上升，閥體上下壓差增加，密封性增加，從而達到防止倒灌的目的。相比一般的彈簧強制性防倒灌裝置，這種結構金屬構件少、不需要額外開啟壓力，同時不采用彈簧部件可提高裝置在高頻沖擊作用下的穩定性。

2.3 性能參數

經室內測試，PKQC180型泡沫錘的性能參數如表1所示。

表1 PKQC180型泡沫錘性能參數表

3 現場試驗

為驗證泡沫錘在氣體和泡沫介質條件下的適應性，2012年8月在松遼盆地深層下白堊統泉頭組、登婁庫組開展現場試驗，試驗井位為肇深17井。

3.1 總體情況

松遼盆地深層登婁庫組、營城組、沙河子組、侏羅系上統火石嶺組主要巖性為大段雜色、灰色砂礫巖夾黑色泥巖和少量煤層，以及大面積分布的層狀中酸性火山噴發巖，夾少量砂礫巖和凝灰巖，成巖性好，研磨性強，巖石硬度高，常規鉆井機械鉆速低于1.5m／h［9］。為此開展了氣體鉆井試驗，機械鉆速提高5倍以上，牙輪鉆頭進尺增加2～3倍［10］，采用空氣錘鉆井相比氣體牙輪提速1倍以上［11］。但氣體牙輪鉆井提速幅度有限且存在井斜問題［11］，采用空氣錘提速可克服井斜問題卻常因鉆遇出水地層需轉換鉆井工藝而被迫終止鉆進［9］。為此，新一輪欠平衡現場試驗考慮開展泡沫錘提速試驗，增加沖擊鉆進井段，同時檢驗泡沫錘的輸出功率以及防井下液體倒灌能力。

3.2 試驗過程

試驗井段為泉頭組一段至登婁庫組三段，主要巖性為泥巖、粉砂質泥巖及粉砂巖。第二次開鉆鉆至泉頭組一段井深2 750m，第三次開鉆先采用 215.9 mm牙輪鉆頭進行氣舉和循環干燥，并鉆進新地層10 m后再下入泡沫錘，鉆具組合為：PKQC180－216＋430×410接頭＋ 178mm強制性箭型止回閥2只＋ 178mm鉆鋌＋ 210mm方接頭＋ 178mm鉆鋌＋ 210mm方接頭＋411×4A10接頭＋ 165mm鉆鋌＋411×4A10接頭＋ 127mm鉆桿。

根據松遼盆地徐深氣田外圍的出水層定性判識標準［12］預測第1個水層為泉頭組一段2 769.8～2 770.8 m，出水量約8.3m3／h（表2）。實際泡沫錘下鉆到底后，即2 760m時循環清潔井底出現返出氣體潮濕，判斷水層提前溝通，但循環4h后，返出氣體干燥。現場決定采用純氣體鉆進，鉆進參數與空氣錘相當，轉速25r／min，鉆壓10kN，氣量140m3／min，扭矩5kN·m，立壓5.1MPa，鉆時不低于3～5min／m。

鉆至2 800.35m預測的第2個水層提前到達（表2），現場返出氣體潮濕。扭矩波動較大，劃眼并循環1.5h后返出，繼續采用氣體鉆井，鉆時3～7min／m，與空氣錘相當。

鉆至2 900m（2 870m進入登婁庫組四段），扭矩開始發生波動，預計鉆達第3個水層（表2）。2 914m接立柱后恢復鉆進時返出氣體潮濕，判斷接換立柱時井下已經出水。循環30min后粉塵返出，現場繼續采用氣體鉆井，鉆時3～15min／m。

表2 地層出水預測表

鉆至3 178.5m（3 030m進入登婁庫組三段），返出氣體潮濕，觀察口伴有小細流，鉆遇前期未預測到的第四個水層。循環干燥8h后觀察口小細流無改善，現場決定轉為霧化泡沫鉆進，注液量為0.8L／s，泡沫錘開始在泡沫介質下工作，鉆壓10～40kN，轉速25 r／min，扭矩2～16kN·m，氣量120m3／min，液量0.8L／s，立壓3MPa，鉆時相比氣體條件下增加，為7～20min／m。鉆至3 192.58m后井壁失穩，短起鉆具時發現遇卡，現場決定轉化為常規鉆井液鉆進，并大力活動鉆具解卡。泡沫錘起出后評價檢測未發現氣室含有巖屑、未發現異常磨損現象。

3.3 試驗分析及結論

本次試驗井段：2 760～3 192.58m，共432.58m，純鉆時間40.53h，機械鉆速10.67m／h。其中氣體鉆井井段2 760～3 178.5m，共418.5m，純鉆37.36h，機械鉆速11.2m／h；霧化鉆井井段3 178.5～3 192.58m，共14.08m，純鉆3.17h，機械鉆速4.44m／h。受井壁失穩影響，泡沫錘在霧化泡沫介質中鉆進井段較短，鉆速沒有發揮明顯優勢，但相比常規鉆井機械鉆速提高2倍；氣體鉆井機械鉆速相比常規鉆井提高6.5倍，相比氣體牙輪鉆井［10］機械鉆速提高1倍。泡沫錘在氣體介質中相比空氣錘輸出功率未降低。

試驗共鉆遇4個水層，鉆進過程中未發生流體、巖屑倒灌現象，氣室內部未受污染，尤其是在鉆遇第3、第4個水層時，泡沫錘曾在井下停止流體循環未出現氣缸污染而失效現象，防倒灌裝置在井下工作可靠。

4 結論與建議

1）針對空氣錘在出水地層適應性差的問題，研制了新型泡沫錘，能適應氣體（干氣）和霧化泡沫（濕氣）鉆井介質，具備防止井下液體倒灌的能力。

2）經松遼盆地徐深氣田外圍的肇深17井開展的泡沫錘現場試驗驗證，泡沫錘輸出功率在氣體介質中相比空氣錘未降低，在霧化泡沫介質中相比于常規鉆井可提高機械鉆速2倍以上，可有效防止井下液體倒灌。

［1］ 孟慶昆，王向東，于興勝.KQC系列空氣錘在油田氣體鉆井中的應用［J］.石油礦場機械，2007，36（11）：54－57.MENG Qingkun，WANG Xiangdong，YU Xingsheng.KQC series of air hammers for gas drilling in oil fields［J］.Oil Field Equipment，2007，36（11）：54－57.

［2］ JOHNS R P，WITT C，FREDERICK M.Hammer bits control deviation in crooked hole country［C］∥paper 18659－MS presented at the SPE／IADC Drilling Conference，28February－3March 1989，New Orleans，Louisiana，USA.New York：SPE，1989.

［3］ REINSVOLD C H，CLEMENT J，OLIVER M，et al.Diamond－enhanced hammer bits reduce cost per foot in the Arkoma and Appalachian Basins［C］∥paper 17185－MS presented at the SPE／IADC Drilling Conference，28February－2March 1998，Dallas，Texas，USA.New York：SPE，1988.

［4］ 胡貴，孟慶昆，王向東，等.空氣錘鉆井技術在定向井中的應用［J］.石油機械，2012，40（4）：18－21.HU Gui，MENG Qingkun，WANG Xiangdong，et al.Application of air hammer drilling technology in directional wells［J］.China Petroleum Machinery，2012，40（4）：18－21.

［5］ 胡貴，孟慶昆，王向東，等.泡沫鉆井用空氣錘工作性能研究［J］.石油礦場機械，2009，38（12）：5－9.HU Gui，MENG Qingkun，WANG Xiangdong，et al.Research on operating performance of air hammers in foam drilling［J］.Oil Field Equipment，2009，38（12）：5－9.

［6］ 王哲，張勇，蔣榮慶.泡沫潛孔錘鉆進技術的國內外研究現狀［J］.西部探礦工程，2001，13（6）：95－96.WANG Zhe，ZHANG Yong，JIANG Rongqing.The present situation of the foam DTH hammer drilling at home and abroad［J］.West－China Exploration Engineering，2001，13（6）：95－96.

［7］ 陳升，王長生，社家祥.也門32區塊空氣泡沫鉆井技術［J］.鉆采工藝，2002，25（2）：3－4.CHEN Sheng，WANG Changsheng，SHE Jiaxiang.Air foam drilling technique in Yemen Block 32［J］.Drilling ＆Production Technology，2002，25（2）：3－4.

［8］ 胡貴，孟慶昆，王向東，等.空氣錘活塞運動規律研究［J］.石油機械，2009，37（12）：50－53.HU Gui，MENG Qingkun，WANG Xiangdong，et al.Research on the movement law of the air hammer piston［J］.China Petroleum Machinery，2009，37（12）：50－53.

［9］ 楊決算.大慶油田氣體鉆井配套技術及應用［J］.石油鉆探技術，2012，40（6）：47－50.YANG Juesuan.Matching technology and application of gas drilling in Daqing Oilfield［J］.Petroleum Drilling Techniques，2012，40（6）：47－50.

［10］ 李志剛，竇金永，董玉輝，等.大慶油田氣體鉆井技術現狀［J］.西部探礦工程，2012，23（7）：43－44.LI Zhigang，DOU Jinyong，DONG Yuhui.Gas drilling technology in Daqing Oilfield［J］.West－China Exploration Engineering，2012，23（7）：43－44.

［11］ 劉合，楊智光，張書瑞，等.大慶油田氣體鉆井技術研究與應用［J］.大慶石油地質與開發，2009，28（5）：198－202.LIU He，YANG Zhiguang，ZHANG Shurui，et al.Research and application of gas drilling technology in Daqing Oilfield［J］.Petroleum Geology ＆ Oilfield Development in Daqing，2009，28（5）：198－202.

［12］ 韓福彬，張洪大，姜玉芳，等.慶深氣田深層 311.1mm井眼氣體鉆井技術［J］.石油鉆探技術，2011，39（4）：61－65.HAN Fubin，ZHANG Hongda，JIANG Yufang，et al.Qingshen 311.1mm deep hole gas drilling technology［J］.Petroleum Drilling Techniques，2011，39（4）：61－65.