旋冲钻井工具的现场试验
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摘要：在吐哈油田三塘湖区块中下部二叠系、石炭系地层钻进时，机械钻速明显降低。旋冲钻井工具采用旋冲钻井技术，为一项新型的石油钻井工艺技术，是提高硬地层机械钻速的有效方法之一，本次现场试验实现了井下正常运行，并取得29.3%的提速效果，缩短钻井周期3—4天，折合12-16万元费用，钻井提速和经济效益空间较大。
关键词：旋冲钻井工具 旋冲钻井技术 钻井提速
1、前言
本次现场试验的旋冲钻井工具，由北京工程院研发，主要针对吐哈油田三塘湖区块二叠系小泉沟组（T2+3）及以下的可钻性较差的地层（如条湖组P2t、卡拉刚组C2k等），采用旋冲钻井技术，通过高频冲击作用提高机械钻速。本次现场试验的初衷为：该工具在井下能够正常工作，收集现场试验数据，并结合现场使用情况，为旋冲钻井工具的改进和下一阶段的现场试验提供方向。
2、旋冲钻井施工设计
2.1 旋冲钻井工作原理
旋转冲击钻进时，井底岩石始终受到轴向压力的作用，加上受到高频冲击作用后更容易发生破碎。在花岗岩、石灰岩和大理岩上的试验表明，当静动载荷同时作用时，岩石破碎深度和体积比单纯的一种作用下要大。当冲击能量不变时，随着预加静载荷的增大，破碎坑体积相应地增大。随着岩石硬度的增大，预加静载荷对岩石破碎效果的影响愈加明显。连续不断的冲击作用在井底岩石表面上形成了延伸程度不同的裂纹，有助于产生剪切体和旋转剪切破碎岩石。同时，两次冲击之间所形成岩石脊部很容易被剪切掉。
旋冲钻井可以分解为旋转破岩和冲击破岩的复合钻井过程，见（图1）所示。
图1 旋冲钻井破岩机理
2.2 旋冲工具内部工作原理
工具启动前，阀套与活塞都位于工作行程的下限，见下图2a，此时阀控系统执行喷射泵功能，当钻井液从喷嘴射出时，上腔内钻井液进入下腔，上腔压力降低，下腔压力升高，压力差推动阀套与活塞上行（回程）。由于阀套质量小于活塞（活塞与冲锤连为一体），上升速度比活塞快，先抵达行程上限，见图2b，活塞紧随其后，当活塞也上行到趋近于工作行程的上限时，冲锤顶部椎体与阀门十分靠近，其间的环形流道缩小为一缝隙，水流迫使阀门迅速关闭，见图2c而发生水击，上腔压力达到峰值，而与此同时，由于下腔液流补给阻断，压力急剧下降，此时阀腔系统失去喷射泵的功能，转而成为推动活塞冲锤迅速向下冲击，见图2d。当阀套抵达行程下限而停止时，冲锤则继续向下冲击砧子，见图2e。至此，一个工作循环结束。冲锤冲击砧子后阀门完全开启，液流畅通，阀控系统恢复喷射泵的功能，下一循环开始，周而复始不停地冲击。
图2 旋冲钻井工具内部结构和原理
2.3 旋冲钻井工具的现场试验（表1、2）
旋冲钻井工具的外观，见（图3）。
2.4 钻具组合与施工参数
本次现场试验使用的钻具组合为：
215.9mm牙轮钻头+旋冲钻井工具+液力推进器+159mm钻铤*11根+127mm钻杆。
钻井参数：钻压120KN，转速67r/min，排量34L/s，泵压13MPa。
2.5 下井程序
入井前，先用清水对上接头（NC460）进行冲洗，确保螺纹干净。
按照“钻头+旋冲钻井工具+液力推进器+方钻杆”的钻具组合进行井口测试，以1、2、3凡尔的排量逐步开泵。注意开泵时要保证钻头在液面以下，旋冲钻井工具则靠近液面，条件允许的话，在钻头与旋冲工具之间接一根钻杆使旋冲钻井工具露出液面，更利于判断旋冲工具的运行情况。
记录泵压，当排量达到34L/s的时候，理论值为2.5 MPa，加上地面管汇压耗，总立压为3 MPa，若偏差较大，则说明旋冲工具存在异常，需要检查。
在开泵测试时，开2个凡尔的排量时可听到清脆的冲锤冲击砧子的声音，反之存在异常，不得入井。
4、试验效果分析
本次现场试验配合单位为中石油西部钻探吐哈钻井公司某队，使用型号同为HJ537G钻头、地层同为P2t或相邻地层的数据如下。
由（表3）可见，钻头型号相同、所钻地层相同或相邻，在使用旋冲钻井工具的情况，平均机械钻速由1.74m/h提高到2.25m/h，提高29.3%，效果明显。
5、认识与结论
（1）所研制的新型旋冲钻井工具在井下可正常运行。
（2）有着较好的提速效果。考虑到第一次入井试验，为了保证井下工具的安全运行，现场使用的钻压为120KN，在比常规钻压低40KN、泵压低4.5MPa的前提下，确取得了29.3%的提速效果。若在今后二期试验中，提高钻压和泵压至相同参数，提速效果会更加明显。
（3）随着该新型工具的改进与完善，为吐哈油田三塘湖区块中下部地层的钻井提速提供了一种新的技术选择。
（4）具有较大的经济效益。吐哈油田三塘湖区块在下部井段一般使用HJ537G钻头2-3只（240-330h），根据29.3%提速效果计算，口井可节省3-4天时间，按每部钻机每天费4万元用折算，相当于12-16万元，与目前的旋冲钻井工具的成本相比，经济效益前景值得关注。
（5）可与液力推进器组合使用，减少钻铤数量，简化钻具，在三塘湖区块中下部以及其它易塌、易斜井段有着较大的使用价值。
当然，现场试验数据的全面性还有待提高，还将进行后续现场试验、并不断改进旋冲钻井工具，在不同井、不同地层施工中进行试验，作进一步的数据统计和分析，丰富现场试验数据的全面性。