哈薩克斯坦KOA油田鉆井減振提速技術研究

王建寧 周英操 趙記臣 耿建華 喬建鋒

摘要：KOA油田位于哈薩克斯坦濱里海盆地東緣，該油田上部上二疊統地層砂、泥巖互層嚴重并夾雜有泥板巖和礫石層，非均質性強、可鉆性差，經常發生跳鉆和井下工具損壞等復雜情況。為了提高鉆井效率、控制油田綜合開發成本，在該地層中實現鉆井減振提速顯得十分迫切。通過分析該地層巖性特征確定了地層巖石等效剛度，并將巖石等效剛度引入到鉆柱力學模型中，進而確定了在該地層中鉆柱系統的固有振動頻率；同時以此為計算依據，優選出了合適的鉆柱減振器剛度并應用在新井鉆探中。在新井中，裝備有合適剛度的減振器，很好地調節了鉆柱固有頻率，顯著減弱了有害振動，提高了機械鉆速。研究結果表明，引入地層巖石等效剛度的鉆柱系統力學模型合乎實際情況，通過該模型優選的鉆柱減振器剛度可以有效減振和提速。

關鍵詞：鉆井效率；鉆柱振動；減振器；減振器剛度；井下鉆具；機械鉆速

0 引 言

KOA油田位于哈薩克斯坦濱里海盆地東緣，屬于鹽下碳酸鹽巖油藏。該油田埋藏深、儲量大，是中國石化在哈薩克斯坦的重要油氣生產基地。但該油田上部上二疊統地層砂、泥巖互層嚴重并夾雜有泥板巖和礫石層，非均質性強，可鉆性差，經常發生跳鉆和井下工具損壞等復雜情況，嚴重制約了鉆井速度的提升。歷史上對于該地層的工程研究十分有限，也未曾在該地層實現過鉆速突破。針對井下有害振動，在選擇鉆柱減振器時沒有明確參考依據，隨意性強，減振效果差。為此，通過分析該地層巖性特征確定了地層巖石等效剛度，并將其引入到鉆柱力學模型中，進而確定了在該地層中鉆柱系統的固有振動頻率，優選出合適的鉆柱減振器剛度并應用在新井鉆探中。結果表明，通過此方法選擇的減振器剛度很好地調節了鉆柱固有頻率，顯著減弱了有害振動，提高了機械鉆速，降低了鉆井和油田綜合開發成本。

1 鉆井提速難點與關鍵技術

1.1 油田地質特征

KOA油田位于哈薩克斯坦濱里海盆地東緣，是典型的鹽下海相碳酸鹽巖油藏。從上到下鉆遇的地層依次為新生界第四紀，中生界白堊系、侏羅系和三疊系，古生界二疊系和石炭系（見表1）。

1.2 鉆井提速難點

KOA油田當前開發井平均井深3 800 m，直井歷史平均建井周期101 d，平均機械鉆速3.2 m/h，整體經濟指標不佳。在分析KOA歷史鉆井數據基礎上，結合該油田地質特征，總結認為制約該油田鉆井工程提速的主要難點如下：①在上二疊統井段起下鉆頻率過高，平均為5～6趟，相對純鉆進時間偏短，增加了整個鉆井周期。原因是上二疊統砂、泥巖互層嚴重且含有硬質泥板巖和礫巖地層，井下鉆具受力復雜，常伴有跳鉆發生，造成鉆頭和下部鉆具損傷，不得已起鉆換鉆具。該井段常見復雜情況為牙輪脫落、PDC崩齒或磨毀、鉆具刺漏和斷落、螺桿滑脫及隨鉆設備失靈等。國內外的實踐也證明此類地層經常會帶來嚴重的鉆柱振動甚至是跳鉆［1-2］。②在上二疊統，地層傾角過大，井斜控制困難。地層可鉆性差，機械鉆速低，定向螺桿的工具面難以穩定，糾斜用時過長。根本原因在于所選鉆柱減振器剛度不合理或根本不使用減振器，造成井下有害振動無法規避，進尺困難。定向工具起不到作用。KOA油田幾口典型井在上二疊統層段的鉆井信息見表2。

1.3 關鍵技術需求

為了降低KOA油田綜合開發成本，鉆井工作的首要任務就是提高機械鉆速、縮短建井周期。分析上文2個制約鉆井提速的難點可知，在KOA油田要想縮短建井周期，必須改善上二疊統層段井下鉆具受力環境，延長鉆頭和鉆具的使用壽命，減少起下鉆趟數，延長相對純鉆進時間。為此，有必要對KOA油田的井下鉆具受力振動情況進行詳細研究并提出解決方案。

2 模型建立與計算

鉆頭在井底鉆進時，井底底面會形成類似于波狀的突起［3］。鉆頭在波狀底面上旋轉時就會使鉆柱在縱向上產生起伏振動。縱向振動是鉆井過程中鉆柱所受的最重要的振動，它的危害很大［4-5］。當縱向振動的頻率達到鉆柱本身固有頻率時就會產生共振［6-7］。共振是跳鉆、井下工具失靈、失效，縮短工具壽命的重要原因［8-9］。為此，有必要針對KOA油田的鉆井工況建立鉆柱振動模型，進而確定鉆柱的固有頻率，為減振工具選擇提供依據。

參考趙國珍等［10］的理論，并結合KOA油田地層特點建立鉆柱振動模型，如圖1所示。和傳統鉆柱振動模型相比該模型增加了地層剛度的概念。

在KOA油田，鉆井常用轉速范圍為90～110 r/min。由表3可知，在不帶減振器的條件下，在上二疊統有3個井深處的鉆柱固有振動頻率落在上述鉆井常用轉速范圍內，極易引起鉆柱共振。這3個井深處鉆柱固有頻率值分別為：層頂900 m井深處第一頻率92 r/min、層中1 500 m井深處第二頻率105 r/min和層底2 200 m井深處第三頻率108 r/min。這和KOA油田實際跳鉆情況基本相符。

3 減振器選擇與使用效果

在當前鉆井參數條件下，為了避免鉆柱出現有害共振、實現安全鉆進的目的，需要對鉆柱的固有頻率進行必要調節。國內外的眾多實踐證明，配備合適的減振器可以達到優化鉆具受力狀況、提高機械鉆速的目的［15-16］。減振器通過減振元件吸收底部鉆具振動，即將井下的振動轉變為液體的熱能或彈性勢能［17-18］。鉆柱減振器的剛度是其減振效果的主要指標，故應優選合理的減振器剛度來調節整個鉆柱的固有頻率，避免落入鉆井常用轉速范圍內而產生共振。

在確定減振器質量m2=31 kg后，根據式（7），可計算并比較得到使用牙輪鉆頭時最優的減振器剛度為3.9 kN/mm，減振器可以在KOA油田90～110 r/min常用轉速范圍內避開鉆柱共振區域。由式（7）計算得到裝有剛度為3.9 kN/mm的減振器的鉆柱固有頻率，如表4所示。

基于對KOA油田鉆柱固有振動頻率的研究和對鉆柱減振器剛度的優選，在KA-036和KA-408B新井上二疊統井段鉆探過程中配置了剛度為3.9 kN/mm的液壓減振器，平均純鉆井用時較以往降低了59%，機械鉆速提高了253.6%，平均起下鉆僅為1.5趟。優選減振器剛度后，新井鉆井數據見表5。2口新井平均建井時間比歷史平均節約15 d，其中僅在上二疊統井段就節約用時7 d，減振提速效果明顯。

4 結 論

（1）濱里海盆地東緣的上二疊統地層砂巖、泥巖互層嚴重，且含有硬質泥板巖和礫石夾層，在鉆進過程中由于鉆井轉速范圍恰在鉆柱固有頻率附近，極易引起有害振動造成跳鉆，破壞井下鉆具。

（2）針對KOA油田首次完成了鉆柱固有頻率計算，確定了跳鉆等有害振動的主要原因是鉆柱固有頻率和常用鉆井轉速相近。

（3）在研究鉆柱固有振動頻率時，引入地層巖石等效剛度可以使振動模型很好地反映鉆柱實際振動情況并利于減振器剛度的選擇。

（4）采用考慮地層巖石等效剛度的力學模型選擇出的減振器剛度，很好地改變了原有鉆柱的固有頻率，實現了減振提速目的，為KOA油田降低了綜合開發成本。

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