自激振荡式冲击钻井工具在吉木萨尔地区的应用

王海涛 ，张伟 ，王国斌 ，李君 ，代梦莹

（1.长江大学，湖北 武汉 430100；2.中国石油新疆油田公司勘探公司，新疆 克拉玛依 834000）

吉木萨尔凹陷位于准噶尔盆地东部隆起，二叠系芦草沟组致密油层在整个凹陷均有分布，存在上下2个“甜点”体，资源量丰富，勘探潜力大，是新疆油田重要的资源接替区域和“新疆大庆”建设的主战场。但吉木萨尔凹陷芦草沟组致密油埋藏较深，三叠系、二叠系地层胶结致密，研磨性强，可钻性差，机械钻速低，钻井周期长，严重影响了该区域的勘探进程。尽管脉冲空化射流钻井、等离子通道钻井、冲击钻井、粒子射流钻井、超高压喷射钻井、控压钻井等技术可以提高钻探效率［1-8］，但这些技术在现场应用中均存在一定的不足［9］，如粒子射流钻井技术设备复杂、投资大，超高压喷射钻井技术需要提供高压泥浆泵。自激振荡式冲击钻井工具综合了冲击振动钻井［10］和脉冲钻井［11］2 种技术的优点，通过加载冲击载荷改善岩石受力状态，强化井底井场净化，能够有效地提高机械钻速。为此，在吉木萨尔地区应用了自激振荡式冲击钻井工具，且提速效果显著。

1 作用机理

1.1 工作原理

1）机械冲击：该工具通过钻头驱动短节与钻头配合安装，钻井液高速流经自激振荡器，形成流体压力脉动作用于冲击传递杆，产生机械冲击力传递至钻头，对钻头施加5～20 kN，40 Hz左右的低幅高频周期性机械冲击力，使钻头所承受的连续钻压产生波动，振动载荷可使岩石的破坏强度相对降低，从而提高破岩效果［12］。

2）水力脉冲：钻井液高速流经自激振荡器，产生的流体压力脉动向下传递，经钻头水眼喷出，形成脉冲射流作用于井底，强化井底清洗，改善井底岩石的受力状况，降低岩石破坏强度［13］。

1.2 技术特点［14］

1）工具结构简单，能量利用效率高，压力损耗小，密封元件耐油、酸、碱，耐温200℃，安全性和稳定性高。2）自激振荡式水力元件产生的“小振幅、高频率”钻头冲击力，使钻头对地层的适应性增强，可有效防止PDC钻头黏滑和自锁现象，有利于在非均质地层钻进。3）工具对钻头和钻具结构没有特殊要求，不改变现有钻井工艺。4）采用优质耐冲蚀材料制成，水力振荡工件工作寿命长。

1.3 使用要求

1）钻进时要求送钻均匀，当发现井底蹩跳较严重时，应适当减小钻压，待蹩跳现象消除后再逐渐增大钻压。2）尽可能使用无固相或低固相、低黏度钻井液。3）当发现钻开地层中含有H2S等有害气体可能会对井下工具损害时，在井控允许的情况下，及时把工具起至地面。4）如果使用牙轮钻头，推荐采用3个不等径喷嘴，同时尽可能增大最大喷嘴和最小喷嘴直径的差值，钻头水眼推荐按照图1排列。

图1 牙轮钻头水眼排列方式

2 现场应用及效果

目前现场使用的工具规格一般有3种［14］，新疆油田主要使用JB-ZJXC-178和JB-ZJXC-230型号。自2011年以来，自激振荡式冲击钻井工具在新疆油田的7大区块共推广应用17井次，总进尺9 216 m，平均机械钻速6.08 m/h，整体提速36.80%；预探井共应用7井次，总进尺5 010 m，平均机械钻速5.03 m/h，其中在吉木萨尔地区预探井共试验应用了4井次（JB-ZJXC-230型号），应用井段的机械钻速提高27.96%～110.61%（见表1）。该工具安全性和稳定性高，现场应用效果良好［15］。

表1 自激振荡式冲击钻井工具应用效果对比

2.1 吉251井

吉251井3 010～3 346 m井段应用自激振荡式冲击钻井工具提速，钻遇烧房沟组、韭菜园组、梧桐沟组地层。钻具组合：φ216 mm MCXT516-7钻头×0.23 m+自激振荡式冲击钻井工具×1.46 m+φ159 mm钻铤×18.36 m+φ214 mm 稳定器×1.59 m+φ159 mm 钻铤×202.05m+4A1×410 接头（0.45m）+φ127mm 钻杆×3109.31 m+411×410 接头（0.63 m）+411×410 旋塞（0.50 m）+411×520接头（0.49 m）+φ133 mm方钻杆。钻进参数：钻压40～60 kN， 转速 60 r/min， 排量 22 L/s， 泵压 12～14 MPa。钻井液密度为1.44～1.48 g/cm3。工具使用时间142 h，进尺336 m，机械钻速2.37 m/h，应用井段平均钻时为25 min/m，比邻井吉25井平均钻时31 min/m缩短19.35%（见图2）。吉251井在烧房沟组地层使用牙轮钻头、PDC钻头的钻速分别为1.21，1.30 m/h，相同地层使用自激振荡式冲击钻井工具的井段钻速达2.13 m/h，分别提速76.03%和63.85%。

2.2 吉33井、吉34井

吉33井、吉34井是位于准噶尔盆地东部隆起吉木萨尔凹陷东斜坡区相邻的2口预探井，完钻井深相近，且为同一只钻井队伍施工，技术力量、机泵条件、地层岩性、钻头型号和钻进参数等均相同，相互对比性较强。

吉33井1 740～2 600 m井段应用自激振荡式冲击钻井工具提速，钻遇头屯河组、三工河组、八道湾组地层。钻具组合：φ311 mm钻头×0.35 m+自激振荡式冲击钻井工具×1.46 m+φ229 mm 钻铤×17.70 m+φ310 mm稳定器×1.60 m+φ229 mm 钻铤×9.27 m+731×630接头×0.48 m+φ203 mm 钻 铤 ×53.74 m+631×410 接 头 ×0.46 m+φ178 mm 钻铤×108.62 m+φ127 mm 钻杆×2 400 m+φ133 mm方钻杆。所用钻井液的密度为1.35～1.42 g/cm3。

吉34井2 201～2 668 m井段应用自激振荡式冲击钻井工具提速，钻遇三工河组、八道湾组地层。钻具组合：φ311 mm钻头×0.35 m+自激振荡式冲击钻井工具×1.46 m+φ229 mm 钻铤×17.70 m+φ310 mm 稳定器×1.60 m+φ229 mm 钻铤×9.27 m+731×630 接头×0.48 m+φ203 mm 钻铤×53.74 m+631×410 接头×0.46 m+φ178 mm 钻铤×108.62 m+φ178 mm 随钻震击器×9.6 m+φ127 mm钻杆×2 460 m+φ133 mm方钻杆。所用钻井液的密度为1.38～1.42 g/cm3。

选取1 740～2 201 m和2 600～2 668 m井段进行对比发现，工具应用井段的机械钻速分别提高11.20%和57.26%（见表2），提速效果明显。同时，自激振荡式冲击钻井工具具有一定的降斜效果，吉33井和吉34井工具应用井段的井斜角均控制在1°以内（见图3）。

表2 吉33井、吉34井工具应用效果对比

图3 吉33井、吉34井实钻井斜变化

3 结论

1）自激振荡式冲击钻井工具能合理利用井底水力能量增强钻头冲击力，优化井底流场，改善钻头和岩石受力状况，提高钻头破岩效果。

2）自激振荡式冲击钻井工具与牙轮钻头和PDC钻头均可配合使用，性能稳定，质量可靠。

3）自激振荡式冲击钻井工具可以满足现场难钻地层提速技术的需要，吉木萨尔地区应用该工具后，机械钻速有较大提高，钻时和井斜也有明显下降，应用效果较好，建议在该区块进一步推广使用。

4）该工具目前只应用于直井段，具有一定的局限性，建议对自激振荡式冲击钻井工具进行开发研究，以满足斜井段的现场作业需求。

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