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(tǒng)地層砂、泥巖互層嚴(yán)重并夾雜有泥板巖和礫石層，非均質(zhì)性強(qiáng)、可鉆性差，經(jīng)常發(fā)生跳鉆和井下工具損壞等復(fù)雜情況。為了提高鉆井效率、控制油田綜合開發(fā)成本，在該地層中實(shí)現(xiàn)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(xué)模型中，進(jìn)而確定了在該地層中鉆柱系統(tǒng)的固有振動(dòng)頻率；同時(shí)以此為計(jì)算依據(jù)，優(yōu)選出了合適的鉆柱減振器剛度并應(yīng)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(diào)節(jié)了鉆柱固有頻率，顯著減弱了有害振動(dòng)，提高了機(jī)械鉆速。研究結(jié)果表明，引入地層巖石等效剛度的鉆柱系統(tǒng)力學(xué)模型合乎實(shí)際情況，通過該模型優(yōu)選的鉆柱減振器剛度可以有效減振和提速。

關(guān)鍵詞：鉆井效率；鉆柱振動(dòng)；減振器；減振器剛度；井下鉆具；機(jī)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(chǔ)量大，是中國石化在哈薩克斯坦的重要油氣生產(chǎn)基地。但該油田上部上二疊統(tǒng)地層砂、泥巖互層嚴(yán)重并夾雜有泥板巖和礫石層，非均質(zhì)性強(qiáng)，可鉆性差，經(jīng)常發(fā)生跳鉆和井下工具損壞等復(fù)雜情況，嚴(yán)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(shí)現(xiàn)過鉆速突破。針對井下有害振動(dòng)，在選擇鉆柱減振器時(shí)沒有明確參考依據(jù)，隨意性強(qiáng)，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(xué)模型中，進(jìn)而確定了在該地層中鉆柱系統(tǒng)的固有振動(dòng)頻率，優(yōu)選出合適的鉆柱減振器剛度并應(yīng)用在新井鉆探中。結(jié)果表明，通過此方法選擇的減振器剛度很好地調(diào)節(jié)了鉆柱固有頻率，顯著減弱了有害振動(dòng)，提高了機(jī)械鉆速，降低了鉆井和油田綜合開發(fā)成本。

1 鉆井提速難點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)

1.1 油田地質(zhì)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(jì)，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(diǎn)

KOA油田當(dāng)前開發(fā)井平均井深3 800 m，直井歷史平均建井周期101 d，平均機(jī)械鉆速3.2 m/h，整體經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不佳。在分析KOA歷史鉆井?dāng)?shù)據(jù)基礎(chǔ)上，結(jié)合該油田地質(zhì)特征，總結(jié)認(rèn)為制約該油田鉆井工程提速的主要難點(diǎn)如下：①在上二疊統(tǒng)井段起下鉆頻率過高，平均為5～6趟，相對純鉆進(jìn)時(shí)間偏短，增加了整個(gè)鉆井周期。原因是上二疊統(tǒng)砂、泥巖互層嚴(yán)重且含有硬質(zhì)泥板巖和礫巖地層，井下鉆具受力復(fù)雜，常伴有跳鉆發(fā)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(fù)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(shè)備失靈等。國內(nèi)外的實(shí)踐也證明此類地層經(jīng)常會(huì)帶來嚴(yán)重的鉆柱振動(dòng)甚至是跳鉆［1-2］。②在上二疊統(tǒng)，地層傾角過大，井斜控制困難。地層可鉆性差，機(jī)械鉆速低，定向螺桿的工具面難以穩(wěn)定，糾斜用時(shí)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(dòng)無法規(guī)避，進(jìn)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(tǒng)層段的鉆井信息見表2。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)需求

為了降低KOA油田綜合開發(fā)成本，鉆井工作的首要任務(wù)就是提高機(jī)械鉆速、縮短建井周期。分析上文2個(gè)制約鉆井提速的難點(diǎn)可知，在KOA油田要想縮短建井周期，必須改善上二疊統(tǒng)層段井下鉆具受力環(huán)境，延長鉆頭和鉆具的使用壽命，減少起下鉆趟數(shù)，延長相對純鉆進(jìn)時(shí)間。為此，有必要對KOA油田的井下鉆具受力振動(dòng)情況進(jìn)行詳細(xì)研究并提出解決方案。

2 模型建立與計(jì)算

鉆頭在井底鉆進(jìn)時(shí)，井底底面會(huì)形成類似于波狀的突起［3］。鉆頭在波狀底面上旋轉(zhuǎn)時(shí)就會(huì)使鉆柱在縱向上產(chǎn)生起伏振動(dòng)。縱向振動(dòng)是鉆井過程中鉆柱所受的最重要的振動(dòng)，它的危害很大［4-5］。當(dāng)縱向振動(dòng)的頻率達(dá)到鉆柱本身固有頻率時(shí)就會(huì)產(chǎn)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(dòng)模型，進(jìn)而確定鉆柱的固有頻率，為減振工具選擇提供依據(jù)。

參考趙國珍等［10］的理論，并結(jié)合KOA油田地層特點(diǎn)建立鉆柱振動(dòng)模型，如圖1所示。和傳統(tǒng)鉆柱振動(dòng)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(zhuǎn)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(tǒng)有3個(gè)井深處的鉆柱固有振動(dòng)頻率落在上述鉆井常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，極易引起鉆柱共振。這3個(gè)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(shí)際跳鉆情況基本相符。

3 減振器選擇與使用效果

在當(dāng)前鉆井參數(shù)條件下，為了避免鉆柱出現(xiàn)有害共振、實(shí)現(xiàn)安全鉆進(jìn)的目的，需要對鉆柱的固有頻率進(jìn)行必要調(diào)節(jié)。國內(nèi)外的眾多實(shí)踐證明，配備合適的減振器可以達(dá)到優(yōu)化鉆具受力狀況、提高機(jī)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(dòng)，即將井下的振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w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(biāo)，故應(yīng)優(yōu)選合理的減振器剛度來調(diào)節(jié)整個(gè)鉆柱的固有頻率，避免落入鉆井常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)而產(chǎn)生共振。

在確定減振器質(zhì)量m2=31 kg后，根據(jù)式（7），可計(jì)算并比較得到使用牙輪鉆頭時(shí)最優(yōu)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(zhuǎn)速范圍內(nèi)避開鉆柱共振區(qū)域。由式（7）計(jì)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(dòng)頻率的研究和對鉆柱減振器剛度的優(yōu)選，在KA-036和KA-408B新井上二疊統(tǒng)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(shí)較以往降低了59%，機(jī)械鉆速提高了253.6%，平均起下鉆僅為1.5趟。優(yōu)選減振器剛度后，新井鉆井?dāng)?shù)據(jù)見表5。2口新井平均建井時(shí)間比歷史平均節(jié)約15 d，其中僅在上二疊統(tǒng)井段就節(jié)約用時(shí)7 d，減振提速效果明顯。

4 結(jié) 論

（1）濱里海盆地東緣的上二疊統(tǒng)地層砂巖、泥巖互層嚴(yán)重，且含有硬質(zhì)泥板巖和礫石夾層，在鉆進(jìn)過程中由于鉆井轉(zhuǎn)速范圍恰在鉆柱固有頻率附近，極易引起有害振動(dòng)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(jì)算，確定了跳鉆等有害振動(dòng)的主要原因是鉆柱固有頻率和常用鉆井轉(zhuǎn)速相近。

（3）在研究鉆柱固有振動(dòng)頻率時(shí)，引入地層巖石等效剛度可以使振動(dòng)模型很好地反映鉆柱實(shí)際振動(dòng)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(xué)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(shí)現(xiàn)了減振提速目的，為KOA油田降低了綜合開發(fā)成本。

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