摘　要：空氣錘在油氣田研磨性地層提速和高陡地層防斜應(yīng)用中逐步成熟，但還存在出液地層鉆井作業(yè)受井底壓力的影響而出現(xiàn)輸出功率低甚至不工作，以及停止循環(huán)時(shí)地層液體倒灌氣缸而污染空氣錘的問(wèn)題。為此，研制出了同時(shí)適應(yīng)于氣體(干氣)和霧化泡沫(濕氣)鉆井介質(zhì)、具備防止井下流體倒灌的新型泡沫錘。該泡沫錘與空氣錘相比，優(yōu)化了氣室結(jié)構(gòu)以保證氣體和霧化泡沫鉆井介質(zhì)的輸出功率；新增的防倒灌裝置在接單根時(shí)，依靠泡沫錘閥體與液體當(dāng)量密度差推動(dòng)閥體向上運(yùn)行，可封閉地層流體進(jìn)入泡沫錘的通道。在松遼盆地徐深氣田外圍的肇深17井下白堊統(tǒng)泉頭組、登婁庫(kù)組開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，泡沫錘在氣體介質(zhì)條件下相比常規(guī)鉆井機(jī)械鉆速提高6.5倍，相比氣體牙輪鉆井提高1倍；在泡沫介質(zhì)條件下相比常規(guī)鉆井機(jī)械鉆速提高2倍且鉆進(jìn)過(guò)程末發(fā)生井底流體倒灌現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的泡沫錘在氣體介質(zhì)條件下相比空氣錘輸出功率未降低且具備了適應(yīng)霧化泡沫鉆井介質(zhì)和防井下流體倒灌的能力。

關(guān)鍵詞：欠平衡鉆井  氣體鉆井  泡沫鉆井  空氣錘  泡沫錘  防倒灌  地層出水  松遼盆地  早白堊世

Research，development and application of a novel foam hammer capable of preventing downhole fluid backflow

Abstract：Air hammers are gradually used for speed improvement in abrasive formation and anti-deflection in high-steep strata in oil and gas fields．However，when used in water forITIation，an air hamiller is easY to output less energy or fails to work due to the downhole Dressure，even the formation fluid flows back into gas cylinder and pollute the air hammer when stopping circulating．In view of this，a novel foam hammer was developed，which is suitable for air(dry)，mist or foam(wet)drilling medium and capable of preventing downhole fluid backflow．Compared with an air hammer，this foam hammer has an optimized gas chamber structure to enhance the Dower output in air，mist or foam drilling medium．Moreover，the foam hammer is equipped with an anti-backflow device which uses the eq uivalent density difference between valve block and formation fluid when making a connection to make the valve move uDward to seal the channel through which the formation fluid flows into foam hammer．In the field test conducted at the Quantou and Denglouku Fms of Well Zhaoshen 17 Outside the Xushen Gas Field in the Songliao Basin，the penetration rate with a foam hammer and gas drilling medium was 6.5 times higher than that of traditional drilling machine，and was twice as high as that of tricone bit drilling in gas medium；the penetration rate with foam medium was twice higher than that of traditional drilling machine and downhole fluid did not flow back．The test results showed that compared with an air hammer，this developed foam hammer is featured by higher energy output，and is applicable with mist and foam drilling media and capable of preventing downhole fluid backflow．

Keywords：underbalanced drilling，gas drilling，foam drilling，air hammer，foam hammer，anti backflow，water formation，Songliao Basin．Early Cretaceous

空氣錘在油氣田“防斜打快”應(yīng)用中逐步成熟^[1-3]，應(yīng)用范圍從傳統(tǒng)防斜提速開始向定向鉆井發(fā)展^[4]。但也還存在鉆遇地層出水，空氣錘易出現(xiàn)輸出功率低或不工作的問(wèn)題^[5]及地層液體倒灌氣缸污染空氣錘問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外曾在泡沫介質(zhì)中應(yīng)用空氣錘鉆進(jìn)^[6-7]，但主要限于淺地層，井底壓力較小，對(duì)空氣錘輸出功率影響程度較小。在油氣鉆井行業(yè)，由于井深大，使用霧化或泡沫后井底壓力相對(duì)純氣體高，對(duì)常規(guī)空氣錘輸出功率影響較大，有必要同時(shí)發(fā)展適應(yīng)于氣體(干氣)和霧化或泡沫(濕氣)鉆井介質(zhì)的泡沫錘技術(shù)。為此，筆者主要介紹了泡沫錘的研制背景、結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)以及在現(xiàn)場(chǎng)中的應(yīng)用效果。時(shí)導(dǎo)致空氣錘無(wú)輸出功率；針對(duì)此問(wèn)題提出了綜合優(yōu)化后氣室初始體積、優(yōu)化尾管結(jié)構(gòu)尺寸、優(yōu)化動(dòng)力單元間隙的技術(shù)建議。

1　泡沫錘研制背景

空氣錘在潮濕地層或出水地層鉆進(jìn)時(shí)，容易出現(xiàn)泥包鉆頭鉆具現(xiàn)象，封堵鉆具和井壁之間的環(huán)空，嚴(yán)重時(shí)可直接封堵住氣體通道，致使氣體鉆井無(wú)法正常鉆進(jìn)。遇到這種情況，只能轉(zhuǎn)換鉆進(jìn)工藝，根據(jù)出水量采用霧化鉆井、泡沫鉆井、充氣鉆井或鉆井液鉆進(jìn)等，以保證攜巖攜屑。但使用霧化鉆井或泡沫鉆井，常規(guī)空氣錘容易出現(xiàn)以下兩大問(wèn)題：①輸出功率低或無(wú)輸出功率，導(dǎo)致空氣錘機(jī)械鉆速低或無(wú)法鉆進(jìn)；②井下液體倒灌空氣錘氣室污染氣缸導(dǎo)致空氣錘失效。

1．1　輸出功率降低

在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中，一旦發(fā)生地層出水，空氣錘首先是每米鉆時(shí)增加，嚴(yán)重時(shí)可出現(xiàn)無(wú)進(jìn)尺現(xiàn)象，隨后返出氣體潮濕。出現(xiàn)這種情況，現(xiàn)場(chǎng)一般先循環(huán)干燥，若干燥不成功則轉(zhuǎn)化為霧化或泡沫鉆井。介質(zhì)轉(zhuǎn)換對(duì)空氣錘的輸出功率影響更大，每米鉆時(shí)會(huì)進(jìn)一步降低，直至出現(xiàn)無(wú)進(jìn)尺現(xiàn)象。

根據(jù)空氣錘的結(jié)構(gòu)及工作原理^[8]可知，實(shí)現(xiàn)其能量交換和轉(zhuǎn)化過(guò)程的關(guān)鍵是空氣錘后氣室在充盈的鉆井介質(zhì)時(shí)具有一定的壓縮量，保證活塞位移大于前氣室泄壓所需要的最小距離，實(shí)現(xiàn)前后氣室的能量交換。當(dāng)鉆井介質(zhì)轉(zhuǎn)化為霧化或泡沫后，需在注入氣體中同時(shí)添加一定量的水及發(fā)泡劑，以保證攜巖。當(dāng)注入一定量的液體后，會(huì)導(dǎo)致以下問(wèn)題：①輸入介質(zhì)的可壓縮性降低，或稱輸入介質(zhì)可壓縮成分的體積分?jǐn)?shù)降低；②環(huán)空中鉆井介質(zhì)當(dāng)量密度提高，空氣錘背壓增加，導(dǎo)致空氣錘后氣室的可壓縮性降低。

本文參考文獻(xiàn)[5]分析了空氣錘在泡沫鉆井介質(zhì)條件下的工作性能，認(rèn)為泡沫介質(zhì)不可壓縮成分等同于減小了后氣室的初始體積，同時(shí)泡沫鉆井時(shí)井底壓力增加會(huì)降低活塞的行程，影響其能量交換過(guò)程，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致空氣錘無(wú)輸出功率；針對(duì)此問(wèn)題提出了綜合優(yōu)化后氣室初始體積、優(yōu)化尾管結(jié)構(gòu)尺寸、優(yōu)化動(dòng)力單元間隙的技術(shù)建議。

1．2　地層液體倒灌

空氣錘遇水后除輸出功率降低外，還會(huì)出現(xiàn)地層液體倒灌問(wèn)題。即在鉆井介質(zhì)(氣體、霧化或泡沫)停止循環(huán)時(shí)，如接換單根(立柱)時(shí)，地層液體流入井筒，因不能及時(shí)上返而在井底積聚，達(dá)到一定量時(shí)口，通過(guò)鉆頭中心孔進(jìn)入氣缸，并攜帶一定的井下巖屑、粉塵或地層臟污。這些巖屑粉塵臟污在水的作用下極易粘貼在氣缸內(nèi)壁和活塞上，當(dāng)送氣恢復(fù)循環(huán)鉆進(jìn)時(shí)，如不及時(shí)排出，則會(huì)卡死活塞或者加速氣缸和活塞的磨損。

2　泡沫錘結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2．1　結(jié)構(gòu)

和空氣錘^[1]類似，研制的泡沫錘采用無(wú)閥式中心排氣結(jié)構(gòu)，并增加了防倒灌裝置。主要構(gòu)成部件有：后接頭、外套筒、逆止閥、配氣座、活塞、活塞缸、尾管、防倒灌裝置、鉆頭(圖1)。

2．2　特點(diǎn)

泡沫錘除具有空氣錘技術(shù)特點(diǎn)：①沖擊破巖提高機(jī)械鉆速，②高傾角地層糾斜防斜鉆進(jìn)，③耐井下150℃高溫外，還具備以下兩大技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1)可同時(shí)適用氣體(干氣)和霧化泡沫(濕氣)鉆井介質(zhì)。相比空氣錘，動(dòng)力單元(前后氣室、氣缸、活塞、尾管)結(jié)構(gòu)參數(shù)重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低濕氣時(shí)背壓增加對(duì)前后氣室能量交換過(guò)程的影響程度，提高其住泡沫介質(zhì)中的適應(yīng)性，適合注液量應(yīng)小于3L／s?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)，泡沫錘可先在氣體介質(zhì)中鉆進(jìn)，如遇地層出水需要轉(zhuǎn)化為霧化鉆進(jìn)或泡沫鉆井(注液量在推薦值范圍內(nèi))時(shí)，不用起鉆調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)^[8]，相比空氣錘對(duì)泡沫介質(zhì)具有更好的適應(yīng)性。

2)可防止井下液體倒灌。泡沫錘鉆頭部位增加了防倒灌裝置，如圖1所示。其工作原理為：泡沫錘證常工作時(shí)，裝置中閥體在重力和流體作用下處于下行位置，流體通道常開；當(dāng)接換單根(立柱)停止注氣循環(huán)時(shí)，井下流體侵入井筒。隨著流體的集聚，當(dāng)液面淹沒防倒灌裝置后，由于閥體當(dāng)量密度小于井下流體密度，閥體開始上行，并封閉流體通道，并隨著井下流體的繼續(xù)集聚，泡沫錘外部液面逐步上升，閥體上下壓差增加，密封性增加，從而達(dá)到防止倒灌的目的。相比一般的彈簧強(qiáng)制性防倒灌裝置，這種結(jié)構(gòu)金屬構(gòu)件少、不需要額外開啟壓力，同時(shí)不采用彈簧部件可提高裝置在高頻沖擊作用下的穩(wěn)定性。

2．3　性能參數(shù)

經(jīng)室內(nèi)測(cè)試，PKQCl80型泡沫錘的性能參數(shù)如表1所示。

3　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為驗(yàn)證泡沫錘在氣體和泡沫介質(zhì)條件下的適應(yīng)性，2012年8月在松遼盆地深層下白堊統(tǒng)泉頭組、登婁庫(kù)組開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)井位為肇深17井。

3．1　總體情況

松遼盆地深層登婁庫(kù)組、營(yíng)城組、沙河子組、侏羅系上統(tǒng)火石嶺組主要巖性為大段雜色、灰色砂礫巖夾黑色泥巖和少量煤層，以及大面積分布的層狀中酸性火山噴發(fā)巖，夾少量砂礫巖和凝灰?guī)r，成巖性好，研磨性強(qiáng)，巖石硬度高，常規(guī)鉆井機(jī)械鉆速低于1.5m／h^[9]。為此開展了氣體鉆井試驗(yàn)，機(jī)械鉆速提高5倍以上，牙輪鉆頭進(jìn)尺增加2～3倍^[10]，采用空氣錘鉆井相比氣體牙輪提速1倍以上^[11]。但氣體牙輪鉆井提速幅度有限且存在井斜問(wèn)題^[11]，采用空氣錘提速可克服井斜問(wèn)題卻常因鉆遇出水地層需轉(zhuǎn)換鉆井工藝而被迫終止鉆進(jìn)^[9]。為此，新一輪欠平衡現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)考慮開展泡沫錘提速試驗(yàn)，增加沖擊鉆進(jìn)井段，同時(shí)檢驗(yàn)泡沫錘的輸出功率以及防井下液體倒灌能力。

3．2　試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)井段為泉頭組一段至登婁庫(kù)組三段，主要巖性為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及粉砂巖。第二次開鉆鉆至泉頭組一段井深2750m，第三次開鉆先采用Æ215.9mm牙輪鉆頭進(jìn)行氣舉和循環(huán)干燥，并鉆進(jìn)新地層10m后再下入泡沫錘，鉆具組合為：PKQC180-216+430×410接頭+Æl78mm強(qiáng)制性箭型止同閥2只+Æ178mm鉆鋌+Æ210mm方接頭+Æ178mm鉆鋌+Æ210mm方接頭+411×4A10接頭+Æ165mm鉆鋌+411×4A10接頭+Æ127mm鉆桿。

根據(jù)松遼盆地徐深氣田外圍的出水層定性判識(shí)標(biāo)準(zhǔn)^[12]預(yù)測(cè)第1個(gè)水層為泉頭組一段2769.8～2770.8m，出水量約8.3m³／h(表2)。實(shí)際泡沫錘下鉆到底后，即2760m時(shí)循環(huán)清潔井底出現(xiàn)返出氣體潮濕，判斷水層提前溝通，但循環(huán)4h后，返出氣體干燥?，F(xiàn)場(chǎng)決定采用純氣體鉆進(jìn)，鉆進(jìn)參數(shù)與空氣錘相當(dāng)，轉(zhuǎn)速25r／min，鉆壓10 kN，氣量140m³／min，扭矩5kN·m，立壓5.1MPa，鉆時(shí)不低于3～5min／m。

鉆至2800.35m預(yù)測(cè)的第2個(gè)水層提前到達(dá)(表2)，現(xiàn)場(chǎng)返出氣體潮濕。扭矩波動(dòng)較大，劃眼并循環(huán)1.5h后返出，繼續(xù)采用氣體鉆井，鉆時(shí)3～7min／m，與空氣錘相當(dāng)。

鉆至2900m(2870m進(jìn)入登婁庫(kù)組四段)，扭矩開始發(fā)牛波動(dòng)，預(yù)計(jì)鉆達(dá)第3個(gè)水層(表2)。2914m接立柱后恢復(fù)鉆進(jìn)時(shí)返出氣體潮濕，判斷接換立柱時(shí)井下已經(jīng)出水。循環(huán)30min后粉塵返出，現(xiàn)場(chǎng)繼續(xù)采用氣體鉆井，鉆時(shí)3～15min／m。

鉆至3178.5m(3030m進(jìn)入登婁庫(kù)組三段)，返出氣體潮濕，觀察口伴有小細(xì)流，鉆遇前期未預(yù)測(cè)到的第四個(gè)水層。循環(huán)干燥8h后觀察口小細(xì)流無(wú)改善，現(xiàn)場(chǎng)決定轉(zhuǎn)為霧化泡沫鉆進(jìn)，注液量為0.8L／s，泡沫錘開始在泡沫介質(zhì)下工作，鉆壓10～40kN，轉(zhuǎn)速25r／min，扭矩2～16kN·m，氣量120m³／min，液量0.8 L／s，立壓3MPa，鉆時(shí)相比氣體條件下增加，為7～20min／m。鉆至3192.58m后井壁失穩(wěn)，短起鉆具時(shí)發(fā)現(xiàn)遇卡，現(xiàn)場(chǎng)決定轉(zhuǎn)化為常規(guī)鉆井液鉆進(jìn)，并大力活動(dòng)鉆具解卡。泡沫錘起出后評(píng)價(jià)檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)氣室含有巖屑、未發(fā)現(xiàn)異常磨損現(xiàn)象。

3．3　試驗(yàn)分析及結(jié)論

本次試驗(yàn)井段：2760～3192.58m，共432.58m，純鉆時(shí)間40.53h，機(jī)械鉆速10.67m／h。其中氣體鉆井井段2760～3178.5m，共418.5m，純鉆37.36h，機(jī)械鉆速11.2m／h；霧化鉆井井段3178.5～3192.58m，共14.08m，純鉆3.17h，機(jī)械鉆速4.44m／h。受井壁失穩(wěn)影響，泡沫錘在霧化泡沫介質(zhì)中鉆進(jìn)井段較短，鉆速?zèng)]有發(fā)揮明顯優(yōu)勢(shì)，但相比常規(guī)鉆井機(jī)械鉆速提高2倍；氣體鉆井機(jī)械鉆速相比常規(guī)鉆井提高6.5倍，相比氣體牙輪鉆井口叫機(jī)械鉆速提高1倍。泡沫錘在氣體介質(zhì)中相比空氣錘輸出功率未降低。

試驗(yàn)共鉆遇4個(gè)水層，鉆進(jìn)過(guò)程中未發(fā)生流體、巖屑倒灌現(xiàn)象，氣室內(nèi)部未受污染，尤其是在鉆遇第3、第4個(gè)水層時(shí)，泡沫錘曾在井下停止流體循環(huán)未出現(xiàn)氣缸污染而失效現(xiàn)象，防倒灌裝置在井下工作可靠。

4　結(jié)論與建議

1)針對(duì)空氣錘在出水地層適應(yīng)性差的問(wèn)題，研制了新型泡沫錘，能適應(yīng)氣體(干氣)和霧化泡沫(濕氣)鉆井介質(zhì)，具備防止井下液體倒灌的能力。

2)經(jīng)松遼盆地徐深氣田外圍的肇深17井開展的泡沫錘現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，泡沫錘輸出功率在氣體介質(zhì)中相比空氣錘未降低，在霧化泡沫介質(zhì)中相比于常規(guī)鉆井可提高機(jī)械鉆速2倍以上，可有效防止井下液體倒灌。

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本文作者：胡貴  孟慶昆  王向東  陶冶

作者單位：中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院