川東北元壩地區(qū)天然氣資源豐富，儲(chǔ)層圈閉資源量達(dá)6000億方以上，該區(qū)塊是中國(guó)石化繼普光氣田之后天然氣增儲(chǔ)上產(chǎn)的又一重點(diǎn)探區(qū)。目前已有10多口井獲得工業(yè)氣流，天然氣最高無(wú)阻流量達(dá)到751×104 m3/d，揭示了元壩氣藏良好的勘探前景。但是元壩探區(qū)陸相地層硬度高、非均質(zhì)性強(qiáng)，在上沙溪廟組以淺地層應(yīng)用成熟的氣體鉆井技術(shù)，鉆井速度較快;上沙溪廟組以深的千佛崖、自流井、須家河地層，由于研磨性強(qiáng)、可鉆性極差，雖然采用了不同廠家多種型號(hào)的鉆頭和多種鉆井方式，平均機(jī)械鉆速仍然難以突破 1.0m/h，成為制約元壩提速的瓶頸。

　　元壩陸相地層

　　鉆速瓶頸急需破除

　　元壩陸相地層埋深平均在4800m左右，砂泥巖交錯(cuò)、多為硅質(zhì)膠結(jié)、巖性致密、非均質(zhì)性強(qiáng)，巖石抗壓強(qiáng)度在68.89~148.05MPa之間，巖石內(nèi)摩擦角為26.65~48.44°，可鉆性級(jí)值達(dá)5~8級(jí)，屬高硬度、高研磨性地層，導(dǎo)致機(jī)械鉆速低、鉆井效率低、鉆井周期長(zhǎng)。

　　陸相上沙溪廟組以淺地層應(yīng)用氣體鉆井技術(shù)，平均機(jī)械鉆速達(dá)到8.82m/h，而下沙溪廟、千佛崖、自流井、須家河組由于地層不穩(wěn)定，井壁易發(fā)生掉快、垮塌現(xiàn)象，導(dǎo)致氣體鉆井無(wú)法實(shí)施;應(yīng)用常規(guī)鉆井機(jī)械鉆速低，平均機(jī)械鉆速0.95m/h，單只鉆頭進(jìn)尺僅57.5m，見(jiàn)表1。地層厚度占全井的20%，但鉆井時(shí)間占全井鉆井周期的39%。由此可見(jiàn)，元壩提速的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)陸相地層機(jī)械鉆速的提高。

　　但是由于地層研磨性強(qiáng)、可鉆性差，蹩跳鉆嚴(yán)重，PDC鉆頭一直未得到推廣應(yīng)用。為此，引進(jìn)加拿大阿特拉公司的扭力沖擊器配合PDC鉆頭在陸相地層進(jìn)行試驗(yàn)。

　　扭力沖擊器配合PDC鉆頭

　　提高鉆速與使用壽命

　　扭力沖擊器(TorkBuster)是加拿大聯(lián)合金剛石公司(United Diamond)和阿特拉公司(Ulterra)合作研發(fā)的一種新型工具，主要用于PDC鉆頭的輔助破巖，作為一項(xiàng)相對(duì)較新的技術(shù)，自2000年提出構(gòu)想至今已經(jīng)應(yīng)用了2100多次，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。

　　發(fā)展背景 在井下，PDC 鉆頭的運(yùn)動(dòng)是極其無(wú)序的，包括橫向、縱向和扭向的振動(dòng)及這幾種振動(dòng)的組合。井下振動(dòng)會(huì)損壞PDC 切削齒，引起鉆頭壽命縮短;引起的扭矩波動(dòng)易干擾定向控制和隨鉆測(cè)井(LWD)信號(hào)，導(dǎo)致井身質(zhì)量的降低。

　　為了減弱影響正常鉆井的井下振動(dòng)，消除鉆頭粘滑現(xiàn)象，研發(fā)了扭力沖擊器。它在鉆頭上增加一個(gè)額外的扭力方向(旋轉(zhuǎn)方向)的均勻穩(wěn)定的高頻沖擊力 (750~1500次/min)，改變了PDC鉆頭的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，相當(dāng)于每分鐘750~1500次切削地層，大大提高了PDC鉆頭的破巖效率，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械鉆速和使用壽命的顯著提高。

　　工作優(yōu)點(diǎn) 配合PDC 鉆頭使用，以沖擊破碎為主，加以旋轉(zhuǎn)剪切巖層，在保證井身質(zhì)量的同時(shí)提高機(jī)械鉆速;將鉆井液的流體能量轉(zhuǎn)換成扭向的、高頻的、均勻穩(wěn)定的機(jī)械沖擊能量并直接傳遞給 PDC 鉆頭，使鉆頭和井底始終保持連續(xù)性;消除鉆頭粘滑現(xiàn)象，減少反沖扭力，有助于提高鉆頭的耐久性，延長(zhǎng)鉆頭使用壽命;減弱了鉆柱上的扭力振蕩，從而降低了下部鉆具組合以及鉆桿的疲勞程度。

　　結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)合理，純動(dòng)力機(jī)械設(shè)計(jì)，無(wú)電子元器件，無(wú)橡膠件;最高耐溫210℃ ，扭轉(zhuǎn)沖擊頻率可達(dá)700~1500次/min;不會(huì)產(chǎn)生陽(yáng)極脈沖;可自帶穩(wěn)定器，起到防斜作用，保證井身質(zhì)量;使用時(shí)不影響錄井和測(cè)井，不會(huì)對(duì)MWD產(chǎn)生影響;長(zhǎng)度0.68~1.2m，可用于不同鉆具組合;可與井下動(dòng)力鉆具配套使用。

　　合理選型

　　應(yīng)用效果更明顯

　　扭力沖擊器選擇 針對(duì)元壩下沙溪廟、千佛崖組地層研磨性強(qiáng)，常規(guī)鉆井機(jī)械鉆速低的問(wèn)題，選擇阿特拉扭力沖擊器在該地層應(yīng)用，井眼尺寸為Φ311.2mm，對(duì)應(yīng)選擇Φ279mm扭力沖擊器，主要參數(shù)見(jiàn)表2。

　　配合鉆頭的合理選型 下沙溪廟組及以深地層巖性砂、泥巖互層，軟硬變化大，鉆頭使用不穩(wěn)定;砂巖多為硅質(zhì)膠結(jié)，巖性致密、硬度大、研磨性強(qiáng)、可鉆性級(jí)值平均約在 6 級(jí)以上，最高8級(jí)，巖層可鉆性極差;地層對(duì)鉆頭磨損嚴(yán)重，鉆頭失效快，單只鉆頭進(jìn)尺較少。針對(duì)地層特點(diǎn)，選擇阿特拉公司的UD513 PDC鉆頭，該鉆頭是專門為配合扭力沖擊器使用而設(shè)計(jì)，選用抗研磨性強(qiáng)的UTechXTTM PDC 復(fù)合片，它用改進(jìn)的金剛石合成方法制造，通過(guò)混合金剛石顆粒大小既能優(yōu)化抗研磨性，又能優(yōu)化抗沖擊性。

　　目的是通過(guò)扭力沖擊器改變鉆頭工作方式，將切削地層的扭力最大化并直接作用在鉆頭上，從而提高機(jī)械鉆速，減少有危害的鉆頭振動(dòng)，降低夾層對(duì)PDC的影響，使鉆頭可以在井底平穩(wěn)運(yùn)作，從而延長(zhǎng)鉆頭壽命。鉆井參數(shù)設(shè)計(jì)，見(jiàn)表3。

　　扭力沖擊器及配合鉆頭使用技術(shù)要點(diǎn) 一是入井前準(zhǔn)備工作：準(zhǔn)備兩個(gè)完好的鉆桿濾清器;調(diào)整鉆井液性能，維護(hù)井壁穩(wěn)定性，充分循環(huán)清潔鉆井液，降低含砂量和固相含量;確保泥漿泵運(yùn)轉(zhuǎn)正常，工具工作排量為50~56L/s。二是工具測(cè)試及下鉆：工具在鉆臺(tái)面進(jìn)行短測(cè)試，排量從20L/s開(kāi)始至最高排量;下鉆過(guò)程避免在套管中大排量開(kāi)泵循環(huán)，盡可能減少套管中開(kāi)泵時(shí)間;若遇阻盡量避免大井段劃眼;下至距離井底10~20m開(kāi)泵，避免鉆頭直接接觸井底或井底沉砂，防止堵塞水眼，到底之后檢查泵壓、排量，看是否正常，禁止低排量情況下接觸井底。

　　三是鉆進(jìn)：造型鉆壓20~40KN，轉(zhuǎn)速60rpm，造型進(jìn)尺20cm;正常鉆進(jìn)鉆壓一般不超過(guò)160KN，轉(zhuǎn)速55~65rpm，在泥巖中或機(jī)械鉆速較快地層為可調(diào)整至最高90rpm; 根據(jù)鉆時(shí)快慢，及時(shí)觀察、判斷工具和鉆頭情況;觀察返出巖屑，是否有大量掉塊、鐵屑、石英等特殊巖屑，注意觀察鉆井參數(shù);每個(gè)單根需及時(shí)清理鉆桿濾子。四是起鉆：起到套管鞋和封井器位置，注意提升速度，平穩(wěn)操作;卸掉工具和鉆頭時(shí)同樣避免直接接觸鉆臺(tái)面。

　　YB272井應(yīng)用情況 YB272井是部署在川東北巴中低緩構(gòu)造的一口水平開(kāi)發(fā)評(píng)價(jià)井，設(shè)計(jì)井深7597m，設(shè)計(jì)完鉆層位是長(zhǎng)興組。為提高三開(kāi)陸相地層機(jī)械鉆速，采用阿特拉扭力沖擊器配合UD513 PDC鉆頭鉆進(jìn)，同時(shí)采用液體欠平衡鉆井工藝，現(xiàn)場(chǎng)共實(shí)施3趟鉆進(jìn)，詳見(jiàn)表4。

　　鉆具組合：Φ314.1mmUD513PDC鉆頭+Φ279mm扭力沖擊器+浮閥+Φ241.3mm鉆鋌2根+Φ305mm扶正器+Φ241.3mm鉆鋌4根+Φ203.2mm鉆鋌6根+Φ177.8mm鉆鋌×3根+Φ139.7mm斜坡鉆桿。

　　鉆井參數(shù)：鉆壓120~140KN;轉(zhuǎn)速70rpm;排量51~56L/s;立壓18~19MPa。

　　從圖4中可以看出，第1趟鉆機(jī)械鉆速顯著高于后2趟，主要是由于在上沙溪廟組鉆進(jìn)，地層可鉆性較好;第2趟鉆由于鉆頭磨損較為嚴(yán)重，鉆時(shí)逐漸變慢，更換鉆頭后，在第3趟鉆，鉆時(shí)顯著加快。另外由于地層軟硬交錯(cuò)(砂巖和泥巖互層)，鉆時(shí)變化大，最快鉆時(shí)為3min/m，最慢鉆時(shí)達(dá)到84min/m，尤其是進(jìn)入下沙溪廟組地層以后，平均2~3m就發(fā)生巖性變化，導(dǎo)致鉆時(shí)波動(dòng)更加顯著，對(duì)PDC鉆頭的使用和機(jī)械鉆速影響很大。

　　現(xiàn)場(chǎng)共使用2只PDC鉆頭、3套阿特拉扭力沖擊器。實(shí)鉆井段為3123.57~3630.08m，總進(jìn)尺506.51m，純鉆時(shí)間225.83小時(shí)，平均機(jī)械鉆速2.24m/h， 較相鄰井段應(yīng)用的牙輪鉆頭進(jìn)尺增加2倍以上，機(jī)械鉆速提高1.4倍，表明應(yīng)用扭力沖擊器配合UD PDC鉆頭，能夠較好的克服地層硬度高、軟硬交錯(cuò)的影響。

　　綜合應(yīng)用指標(biāo)分析 自2010年在元壩10井成功應(yīng)用扭力沖擊器提速以后，在元壩地區(qū)累計(jì)應(yīng)用已達(dá)到9井次，詳見(jiàn)表5。平均單只鉆頭進(jìn)尺達(dá)到151.54m，平均機(jī)械鉆速 2.21m/h，同比2009年牙輪鉆頭進(jìn)尺增加163.55%，機(jī)械鉆速提高127.63%，實(shí)現(xiàn)了陸相堅(jiān)硬難鉆地層機(jī)械鉆速的重大突破，見(jiàn)表5。

　　扭力沖擊器配合PDC鉆頭較好的解決了元壩陸相地層常規(guī)鉆井機(jī)械鉆速低的難題，在提高機(jī)械鉆速的同時(shí)，延長(zhǎng)了鉆頭的使用壽命。

　　在地面設(shè)備允許的條件下，應(yīng)盡量提高排量，避免低轉(zhuǎn)速且排量不足的情況下發(fā)生鉆頭泥包。建議繼續(xù)推廣應(yīng)用扭力沖擊器配合PDC鉆頭鉆井技術(shù)，并在下部自流井和須家河組開(kāi)展試驗(yàn)，延長(zhǎng)工具應(yīng)用井段，同時(shí)加大國(guó)產(chǎn)化研究力度，以降低成本。