復合沖擊工具在南海東部深部地層提速技術應用

劉少權，秦世利，游堯，田波，鄭偉(中海油能源發展工程技術深圳分公司鉆完井技術中心,廣東 深圳 518067)

0 引言

南海東部中深部地層層序為珠海組、恩平組和文昌組地層。其中深部的恩平組和文昌組地層埋深在3 000 m以下，深層含較多灰質砂巖及厚層灰巖，抗壓強度6.89 MPa以上。深層鉆遇的基地花崗巖、炭質泥巖、灰質砂巖、灰巖和火成巖等地層，地層硬度級別為M10-M11，巖石抗壓強度124～172 MPa,局部硬夾層巖石抗壓強度高達192 MPa，地層研磨性強[1]，機械鉆速一般低于10 m/h。

1 南海東部深層探井作業難點及解決思路

1.1 深層鉆井提速難點分析

東部中深部地層由于上述特殊地層巖性與硬質夾層以及地層溫度原因，形成深層鉆井提速難點如下：

(1)深層巖石硬度高，研磨性強，鉆頭切削齒及本體磨損嚴重，一般鉆進300～450 m需要起鉆更換鉆頭。鉆速普遍偏低，機械鉆速2～8 m/h，影響鉆井效率并大幅提升了鉆井成本。

(2)深井鉆壓難以施加。隨著井深的增加，鉆柱易彎曲變形，從而導致深井鉆頭加壓難度增大，嚴重影響鉆速。

(3)深層古近系地層巖性結構復雜，泥漿比重增加影響鉆井速度。由于煤層、不等厚泥頁巖互層等易垮塌的特殊地層，井壁易坍塌掉塊，加大了鉆井難度。鉆井過程中常會遇到斷層、發育裂縫等特殊地層，有井漏風險，限制鉆井提速[1]。

(4)鉆井液性能受限。深層由于溫度高(通常120 ℃以上)，受鉆井液材料耐溫性影響，其封堵性、潤滑性等受到不同程度影響，鉆井液總體性能降低，影響提速[2]。

1.2 解決問題思路

常規單向軸向沖擊配合PDC鉆頭鉆進時，單向軸向沖擊在增加PDC鉆頭切削齒切削深度的同時，會增大切削齒前端巖石的阻抗扭矩，導致鉆頭產生扭轉振動[3]。尤其在南海東部深部高硬質易夾層地層鉆進中，容易出現切削齒大量崩齒現象，造成機械鉆速慢，降低鉆頭使用壽命的不利影響。

所以基于這種模式下的靠單純增加轉速的常規螺桿鉆具、X-Treme 超級馬達等工具均失去效力。

復合沖擊鉆進時，正向扭轉沖擊和單向軸向沖擊同時施加于鉆頭處。它結合了軸向沖擊和往復扭轉沖擊，具有有效抑制PDC鉆頭扭轉振動的優點，在提高機械鉆速的同時能夠保護鉆頭切削齒，能有效提高鉆速和鉆頭使用壽命。

2 復合沖擊破巖技術

2.1 提速原理

復合沖擊鉆井的主要提速機理為：靜壓使巖石產生預損傷，單向軸向沖擊載荷使巖石產生足夠的開裂區和切削深度，扭轉沖擊能克服切削齒前端由于軸向沖擊增加而產生的阻抗扭矩，避免由于切削深度的突增造成鉆頭阻抗扭矩的突增，從而避免PDC鉆頭發生扭轉振動[2]。

2.2 工作機理

提速工具的工作原理大同小異。以復合沖擊器為例。它在鉆頭上增加一個額外的旋轉方向和軸向的均勻穩定的高頻沖擊力，大幅度提高剪切效率，緩解了聚集在鉆頭上部的反沖扭力。利用鉆井液水力能量，通過沖擊能量發生裝置和沖擊頻率發生裝置，對脈沖沖擊能量進行能量分配，產生約80%周向沖擊，20%軸向沖擊的能量。在復合沖擊器上通過周向和軸向兩個方向的沖擊，形成復合沖擊，加強鉆頭破巖效果，達到提速效果。專用PDC鉆頭與扭力沖擊器配合使用后，很好地消除粘滑現象，延長鉆頭及其他鉆具的壽命。

圖1 LF14-4井215.9 mm井段作業錄井圖

3 現場應用與評價

復合沖擊工具在某區塊探井215.9 mm井段中使用，地層主要為古近系的文昌和恩平組，恩平組和文昌組地層巖性為灰色、褐色泥巖與細砂巖、中砂巖、粗砂巖、泥質粉砂巖呈不等厚互層，部分高嶺石質砂巖，局部含薄煤層。

從巖性分布圖可以看到，深部恩平和文昌組地層夾層頻繁，不等厚互層發育。從巖石抗壓強度和內摩擦角剖面計算可見地層巖石抗壓強度高，具有較強的研磨性，整體可鉆性差，局部硬質夾層抗壓強度超過138 MPa。軟硬地層交錯的情況導致鉆井中容易造成鉆頭崩齒損壞，降低鉆速和壽命。

該井段位于本井的穩斜井段，穩斜角22.5°，裸眼段長約1 640 m。在該井段作業中，前面三趟鉆均因地層硬質夾層頻繁，機械鉆速慢，鉆頭進尺短。為攻克此問題，在第四趟作業期間，選用復合沖擊工具破巖，大幅提高了鉆進速度和單只鉆頭進尺。純鉆時間從不足15 h提升到65 h，機械鉆速由不足5 m/h，提升到25 m/h，進尺從不足100 m，提升到1 650 m，總體鉆頭磨損較輕微，總體取得了良好的效果。

從圖1 A4井215.9 mm井段作業錄井圖，結合扭矩、鉆壓和鉆速分析，復合沖擊大大提高了PDC鉆頭對巖石的剪切作用，降低了巖石的阻抗扭矩，有效降低了PDC鉆頭受單向軸向沖擊所產生的扭轉振動，增加切削齒的切削深度并抑制扭轉振動，提高硬地層的機械鉆速。而且結合了軸向沖擊增加切削深度和往復扭轉沖擊抑制PDC鉆頭扭轉振動的優點，提高機械鉆速的同時能夠保護鉆頭。

后續在南海東部海域深層鉆井區域推廣使用，均取得比較明顯的效果。機械鉆速提速幅度范圍50%～150%。平均至少節約1趟起下鉆。由于海上鉆井作業日費較高，節約1趟起下鉆意味著可以節省近1天的日費，經濟效益比較可觀。大量作業實踐顯示該工具針對硬質砂泥巖互層效果較好，而對于致密灰巖等地層則提速效果一般[3]。

4 結語

(1)在南海東部深層鉆井中，由于深部地層巖石抗壓強度高，具有較強的研磨性，整體可鉆性差，局部硬質夾層抗壓強度超過138 MPa。軟硬地層交錯的情況導致鉆井中容易造成鉆頭崩齒損壞。

(2)常規單向軸向沖擊破巖鉆進時，會增大切削齒前端巖石的阻抗扭矩，導致鉆頭產生扭轉振動，而復合沖擊則結合了軸向沖擊和往復扭轉沖擊，在高硬度的軟硬互層中，能有效提高鉆速和鉆頭使用壽命。

(3)通過在陸豐及整個東部海域推廣使用，深部作業指標的大幅提升證明了該破巖工具能有效提高深層鉆井機械鉆速，同時減少鉆頭崩齒，鉆頭壽命大幅提升，起下鉆次數減少，整體作業效率有效提升。