減振技術在博孜區塊礫石層鉆井的應用

丁 紅，萬教育，張 明，張瑞平，田軍武，肖 凱，余麗彬

(1.西部鉆探定向井技術服務公司，新疆烏魯木齊830026；2.西部鉆探巴州分公司，新疆庫爾勒841006)

庫車前陸沖斷帶克拉蘇構造帶上部地層為高陡構造，礫石層發育，厚度大且分布廣，最厚達到5900m，分為未成巖段、準成巖段和成巖段。博孜區塊巨厚礫石層，淺層礫巖厚度1500～2000m，未成巖段膠結疏松，礫石含量高，礫徑大，最大達到340mm，對鉆頭與工具沖擊破壞作用強；準成巖段壓實程度增加，膠結程度趨于致密，可鉆性差，研磨性強；成巖段礫石含量減少，地層壓實，巖性變化快。新近系庫車組、康村組和吉迪克組礫巖PDC 可鉆性5～7 級，牙輪鉆頭4～6 級，可鉆性極差，鉆井過程中跳鉆嚴重[1]。第四系至新近系吉迪克組地層總體上屬于中—高硬度、低可鉆性巖石。上部庫車組、康村組至吉迪克組地層位于上部大尺寸井眼段，存在礫石層段長的特點。針對大尺寸井眼段大段礫石層鉆柱振動嚴重問題，鉆柱振動[2]在頻繁劇烈地發生時會造成鉆頭損壞、鉆具磨損加劇以及迅速的疲勞破壞，甚至于鉆柱斷裂破壞等事故，一旦鉆柱斷裂，在影響鉆井施工效率的同時，還增加了施工成本。根據礫石層特征，應用減振工具，并配套優化鉆具組合與參數等，進一步提高趟鉆進尺與工具的使用壽命，對于預防鉆具事故，實現快速優質鉆井具有十分重要的意義。

1 鉆柱損壞情況及原因分析

1.1 鉆柱損壞情況

統計近1 年在博孜區塊所鉆兩口井在第四系西域組、新近系庫車組礫石層采用常規雙穩定器鐘擺鉆具組合鉆進情況，鉆柱損壞主要為接頭斷裂、穩定器母扣斷裂。其中BZ102-1 井鉆柱損壞為變扣接頭斷裂；BZ104-2井鉆柱損壞為兩次穩定器母扣斷裂。這兩口井在礫石層鉆柱損壞致鉆具斷裂發生具體經過如下：

BZ102-1井二開?444.5mm井眼在203.32～778m段使用雙穩定器常規鐘擺鉆具組合鉆進，鉆進參數為鉆壓10～12t，轉速80r/min，泵壓7～11MPa，排量55L/s，615～778m 段鉆進過程中，鉆具憋跳嚴重，偶爾會有憋停轉盤的情況出現，鉆進至井深778.02m，泵壓由8.2～10.8MPa 范圍下降至5.6MPa，懸重由87t 下降至69t，扭矩由12kN·m 降至3kN·m，起鉆完發現鉆具從?203.2mm鉆鋌和?228.6mm鉆鋌之間的變扣母扣上段斷裂，井底落魚通過打撈成功。

BZ104-2 井二開?444.5mm 井眼在201～1206m段使用雙穩定器常規鐘擺鉆具組合鉆進，鉆進參數為鉆壓6～10t，轉速60～80r/min，泵壓7～11MPa，排量48～50L/s，第一次鉆柱損壞斷鉆具，二開鉆進至井深1206m，泵壓由12.9MPa 降至6.5MPa，懸重93t 降至82t，扭矩由12kN·m 降至6kN·m，循環起鉆完發現上穩定器母扣距臺階面140mm處斷裂，井底落魚通過打撈成功；第二次鉆柱損壞斷鉆具，鉆進至井深1351m，泵壓由10.8MPa降至6.7MPa，懸重由98t降至90t，扭矩由12kN·m降至6kN·m，循環起鉆完發現下穩定器母扣距臺階面145mm處斷裂，井底落魚通過打撈成功。

另外，在新近系庫車組礫石層使用垂鉆工具進行垂直鉆井[3]，鉆進中鉆柱損壞情況以BZ3-1X井趟鉆為例，在?444.5mm 井眼270～621m 段使用“牙輪鉆頭+垂鉆工具+MWD”組合形式鉆進，鉆進參數主要為鉆壓6～16t、轉速50～70r/min、泵壓8～14.5MPa、排量60～65L/s，高鉆壓鉆進扭矩波動大，憋跳嚴重，趟鉆工具起出后本體和巴掌磨損嚴重，牙輪鉆頭失效；高排量造成泥漿泵泵壓高，泥漿泵缸套易刺漏，井下儀器易被沖蝕，工具易磨損；趟鉆完成后需要現場更換鉆頭、垂鉆工具下鉆。

1.2 鉆柱損壞因素分析

通過對現場情況的調查分析研究可知，鉆進時的振動及礫石地層等因素可導致鉆柱的損壞。鉆柱在井下工作條件非常惡劣，受力狀態十分復雜，所受載荷有拉壓、彎曲、扭轉、沖擊等，大多數情況下這些力是交變載荷；另外，由于鉆柱渦動可引起鉆柱與井壁間的摩擦和高頻撞擊，當用牙輪鉆頭鉆入這種地層時，由于巖層不均，鉆柱跳動嚴重，使鉆柱在很大的動態力下工作，導致鉆柱發生振動疲勞破壞。鉆柱在鉆進時的振動是導致鉆柱損壞的關鍵因素。鉆柱劇烈振動給鉆井作業帶來的危害主要表現在：不能均勻地加鉆壓和施加扭矩，使鉆頭早期破壞，影響鉆頭壽命和鉆速；加劇鉆柱疲勞破壞，以鉆柱組件連接部位最為嚴重，常發生刺扣、斷裂事故等。

博孜區塊礫石層鉆井，礫石含量高的地層多在?444.5mm大尺寸井眼的淺層分布，地質情況復雜，礫石層厚度不一，礫石大小不一，除了鉆進過程中鉆柱振動嚴重外，大尺寸井眼鉆井為提高攜巖能力，鉆井排量一般較高，60L/s 以上高排量下鉆井可能對鉆具、儀器等井下工具具有較強的沖擊、沖蝕和磨損作用，可能導致鉆具疲勞損壞失效、刺漏、斷裂等。另外，在轉盤鉆井時，通過轉盤把一定的扭矩傳遞給鉆柱，用于旋轉鉆柱和帶動鉆頭破碎巖石，如果選擇了不合適的轉盤轉速，使鉆柱系統的工作轉速沒有避開臨界轉速范圍，沒有避免鉆柱共振，會導致鉆柱過早疲勞損壞；轉速過快，鉆柱會在井眼內擺動厲害，會加劇鉆柱磨損。

2 減振工具工作原理及鉆具組合

2.1 減振工具工作原理

2.1.1 多維沖擊器

工具主要由水力元件振蕩元件和多維沖擊發生機構組成。其工作原理是鉆井液經水力振蕩元件調制生成脈沖射流，在經多維沖擊發生機構轉化為軸向沖擊和扭轉沖擊。軸向沖擊和扭轉沖擊協同作用，提高鉆頭的破巖鉆井速度。流體脈動沖擊，屬于非剛性沖擊，抑制了鉆壓及扭矩波動，具有緩沖減振作用。沖擊載荷可抑制或緩解PDC 鉆頭在破巖過程中粘滑現象[4]，延長鉆頭壽命，增加鉆頭進尺，保證井下安全。

2.1.2 雙擺工具

工具由陀螺外殼、穩定陀螺和耦合轉子等組成，利用陀螺具有自穩性的特點，以加速度為動作衡量標尺，主動抑制因鉆頭切削巖層的跳動對鉆桿產生的振動而帶來的鉆桿系各種渦動狀態及振動。有效抑制鉆頭及鉆柱的復雜運動狀態，緩解井下振動，保護鉆頭和工具，延長其壽命，緩減“憋跳鉆”現象，防止鉆頭、井下工具先期損壞，確保鉆頭牙齒對地層的持續吃入狀態，提高有效鉆進時效，從而提高切削效率。

2.1.3 減振器

減振器包括一個芯軸和外花鍵總成。該聯鎖裝置允許在將旋轉載荷轉移至鉆柱的同時控制向上和向下移動。減振器運用雙向碟簧作用打破鉆井作業中的振動載荷周期，使鉆具適用一個范圍更廣的鉆壓。當軸向載荷產生時，碟簧組件能夠有效吸收振動產生的能量，同時通過機械摩擦能消除部分振動力的作用，從而降低載荷，保護鉆具[5]。

2.2 鉆具組合的優化

根據博孜區塊上部礫石層、鉆具組合及井身質量要求等情況，鉆具組合由雙穩定器常規鐘擺鉆具組合、垂鉆工具組合優化為“雙穩定器常規鐘擺鉆具+減振工具”、“垂鉆工具+減振工具”組合形式在現場試驗應用，以緩解鉆具在礫石層鉆進中的疲勞損壞，延長使用壽命。從鉆具組合功能上看，“垂鉆工具+減振工具”組合形式更適宜于礫石層防斜、提速、提效的要求。

根據減振工具的工作原理、結構特征及參數要求，結合不同類型鉆具組合形式，減振工具的安放位置也有所不同。多維沖擊器通過液壓緩沖作用，抑制了鉆壓及扭矩波動，一般安放在垂鉆工具后面發揮作用。雙擺工具是以加速度為動作衡量標尺，對鉆頭渦動進行抑制，因此一般雙擺工具安放在PDC 鉆頭之后，減輕PDC鉆頭切削地層產生的跳動；有研究表明牙輪鉆頭的振動以鉆鋌的渦動為主，雙擺工具則放置第一根鉆鋌后，或第一穩定器后，起到穩定鉆鋌作用，由此若使用垂鉆工具，雙擺工具安放在垂鉆工具之后。含碟簧組件的減振器，一般安放于底部鉆具組合所需要的位置，保護底部鉆具組合和鉆柱。

3 配套技術措施

當工具下入井底開始正常鉆進時，需對鉆壓和轉速進行合理匹配，以使工具性能得以完全發揮。鉆進時要求送鉆均勻，當發現井底憋跳較嚴重時，應適當減小鉆壓，待憋跳現象消除后再逐漸增大鉆壓。選擇合適的鉆井液性能及鉆進排量，將鉆碎的礫石顆粒帶出。常規鉆具鉆井過程中，常出現扭矩施加不上和憋跳鉆的現象，多維沖擊器扭轉方向上的高頻沖擊可以減小扭矩的波動，使鉆柱扭矩順利施加，通過觀測鉆柱扭矩波動以及井口轉盤運轉情況可以監測工具的工作情況。當鉆井參數滿足要求時，減振工具的壓降在額定范圍內，鉆井過程中需要密切關注泵壓的變化以監測工具的工作情況。減振器在現場無法調整，出井后，用水沖洗工具內徑和外壁，重新安裝護絲以便運輸。

4 應用效果

截至目前，已在博孜區塊3口井淺層礫石層段試驗應用不同類型的減振工具及組合，從使用情況看，比常規鉆具組合單趟鉆進尺高，未發生明顯鉆具磨損及斷裂情況，其中BZ17井使用雙擺工具鉆具組合在新近系庫車組單趟鉆進尺最高達到510.00m，純鉆時間達到270.00h，有效延長了鉆頭、鉆具的使用時間；BZ3-3X井應用“國產垂鉆+多維沖擊器”組合單趟鉆進尺達到328.00m，純鉆時間84.00h，與僅使用國產垂鉆工具的鉆具組合相比，既提高了機械鉆速，也延長了垂鉆工具使用時間；使用“PowerV+減振器”鉆具組合單趟鉆進尺達到210.00m，純鉆時間89.00h，趟鉆純鉆時間比僅使用國產垂鉆工具的鉆具組合時間稍長8.71h，一定程度上起到了延長垂鉆工具使用時間作用；BZ104-2 井使用“減振器+雙穩定器常規鐘擺鉆具”組合，未再發生鉆具斷裂情況，單趟鉆進尺及純鉆時間比使用雙穩定器常規鐘擺鉆具組合鉆進具有較明顯的提高。見表1。

5 結論與認識

表1 減振工具應用情況對比

（1）博孜區塊礫石層厚度大，研究選擇適合的減振技術，可以有效延長鉆具在井下的使用壽命，在一定程度上也有利于提速提效。

（2）根據不同類型減振工具現場技術應用情況，減振工具組配的鉆具組合不同，單趟鉆進尺和在井下純鉆進使用時間具有差異性，可結合實際需求從中選擇。

（3）根據庫車山前克拉蘇構造帶礫石層發育且分布廣的情況，需結合具體地質特征、分具體巖性井段及井眼尺寸等，進一步完善減振技術研究，預防鉆具過早疲勞損壞，實現提速提效。