SLTIDT型鉆井提速工具研制

周 燕，金有海，董懷榮，謝 慧，羅 熙

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東），山東 東營(yíng)257061；2.勝利石油管理局 鉆井工藝研究院，山東 東營(yíng)257000） ①

在我國(guó)能源戰(zhàn)略及鉆井大提速的背景下，對(duì)鉆井速度與質(zhì)量的要求越來(lái)越高。隨著油氣勘探開發(fā)向深層、深海等高難度、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的擴(kuò)展，井越來(lái)越深，地層越來(lái)越復(fù)雜，鉆井難度也越來(lái)越大，尤其是深部地層機(jī)械鉆速低，制約著深井鉆井速度，直接影響著油氣勘探開發(fā)的進(jìn)展，因此提高難鉆地層機(jī)械鉆速極為迫切。另一方面，近年來(lái)PDC鉆頭已逐步成為石油鉆井主力鉆頭，2006年美國(guó)PDC鉆頭進(jìn)尺約占總進(jìn)尺的60%；美國(guó)落基山脈地區(qū)75%鉆井進(jìn)尺都是PDC鉆頭完成的。然而，PDC鉆頭在工程應(yīng)用中還存在一些制約因素：對(duì)于中硬以上及高研磨性地層，嚴(yán)重的“卡滑”問題（stick-slip）、吃入深度不夠以及使用壽命低等問題，限制了PDC鉆頭的應(yīng)用范圍［1－3］。

SLTIDT型扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井提速工具（以下簡(jiǎn)稱扭沖）的研制正是以解決PDC鉆頭卡滑問題、提高難鉆地層機(jī)械鉆速為目的。目前，美國(guó)Ulterra公司和和哈里伯頓公司（Halliburton Energy Services，inc.）也有此類產(chǎn)品。其中，Ulterra公司的Torkbuster利用高速泥漿渦輪帶動(dòng)錘體旋轉(zhuǎn)敲擊鉆頭聯(lián)接短節(jié)，將扭轉(zhuǎn)沖擊能量傳遞給鉆頭，渦輪部件多，易損壞，傳遞效率低（約50%～60%）；而哈里伯頓在其發(fā)明專利——旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井系統(tǒng)及方法（Rotary Impact Well Drillingsystem and Method）（US 7，096，980B2）［4］中公布了一種裝置，利用鉆井液帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，控制旋轉(zhuǎn)閥體導(dǎo)通流量，沖擊2個(gè)封閉區(qū)域內(nèi)的沖擊塊，但2個(gè)沖擊塊并不能保證同步運(yùn)動(dòng)，且沖擊能量較小，存在紊亂、起反作用的可能性。西南石油大學(xué)公布了一種扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具（專利申請(qǐng)?zhí)枺?00910058083.9），利用螺桿鉆具驅(qū)動(dòng)沖擊錘。以上幾種產(chǎn)品雖原理不同，但都是流體驅(qū)動(dòng)的扭轉(zhuǎn)沖擊發(fā)生器，都能給鉆頭施加一定的扭轉(zhuǎn)沖擊能量，是PDC鉆頭破巖方式的突破和創(chuàng)新。目前以Torkbuster最為成熟，在我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用超50口井，其中，Torkbuster在元陸9井純鉆時(shí)間＞200h，在玉門油田青西2-66井提高行程鉆速7.66倍。

SLTIDT型扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井提速工具的設(shè)計(jì)思路來(lái)源于心臟，有相互隔離的腔室，有與之相聯(lián)的“血管”，在流體壓差的作用下，直接驅(qū)動(dòng)內(nèi)部沖擊錘做圓周反復(fù)沖擊。相對(duì)上述國(guó)內(nèi)外技術(shù)，這顆“鋼鐵之心”內(nèi)部無(wú)渦輪、螺桿、葉輪等復(fù)雜零件，可靠性好，效率高，具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。隨著技術(shù)工藝的逐步完善，必將展現(xiàn)其技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1 結(jié)構(gòu)原理

SLTIDT型扭沖工具主要由鉆鋌短接、沖擊錘、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、鉆頭座等部件組成（如圖1）。鉆鋌短接上部連接鉆鋌，鉆頭座連接PDC鉆頭，鉆鋌短接和鉆頭座由定位裝置聯(lián)接，由花鍵限制其相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，其余部件封閉在內(nèi)部。扭沖內(nèi)部的沖擊錘和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)能夠轉(zhuǎn)動(dòng)，形成相互隔離的鉆井液流道。鉆井液經(jīng)噴嘴截取部分鉆井液驅(qū)動(dòng)沖擊錘旋轉(zhuǎn)。在沖擊錘敲擊鉆頭座時(shí)，通往導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的流道打開，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的反向觸發(fā)帶動(dòng)沖擊錘向反方向旋轉(zhuǎn)，周而復(fù)始。沖擊錘能夠連續(xù)完成圓周反復(fù)扭轉(zhuǎn)沖擊，使PDC鉆頭在接收轉(zhuǎn)盤或頂驅(qū)傳遞扭矩的同時(shí)，接收來(lái)自扭沖12～40Hz的周向沖擊能量。

圖1 SLTIDT型扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井提速工具結(jié)構(gòu)

2 功能與參數(shù)

2.1 功能

SLTIDT型扭沖以提高難鉆地層機(jī)械鉆速為目的，屬于一種井下輔助破巖工具。其主要功能包括：①能夠克服PDC鉆頭卡滑（stick-slip），提高轉(zhuǎn)盤或頂驅(qū)到鉆頭的能量傳遞效率；②在PDC鉆頭原有剪切破巖的基礎(chǔ)上增加了扭轉(zhuǎn)沖擊破巖的方式和能量；③減小扭矩積累，平衡鉆柱扭轉(zhuǎn)震蕩［5－7］，鉆進(jìn)過(guò)程扭矩波動(dòng)小，延長(zhǎng)鉆頭、鉆具壽命。另外，因?yàn)閹r石各向異性（aeolotropism of rock）［8－9］因素，扭沖提供的高頻沖擊能量更容易使其破碎，提高機(jī)械鉆速。

2.2 技術(shù)參數(shù)

SLTIDT型扭沖的部分技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 SLTIDT型扭沖的部分技術(shù)參數(shù)

3 關(guān)鍵技術(shù)

SLTIDT型扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井提速工具將部分鉆井液的流體能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能（即扭轉(zhuǎn)沖擊能量），關(guān)鍵技術(shù)主要有4個(gè)方面。

1） 扭沖內(nèi)部流動(dòng)特性研究。包含能量分配規(guī)律研究以及輸入?yún)?shù)（如流量、流體介質(zhì)特性等）、結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)扭沖性能的影響等。

2） 扭轉(zhuǎn)沖擊性能的評(píng)價(jià)判據(jù)。在現(xiàn)有PDC鉆頭破巖機(jī)理的基礎(chǔ)上，分析扭沖額外提供的、一定頻率的扭轉(zhuǎn)沖擊能量對(duì)破巖效果的影響，還有扭沖性能參數(shù)檢測(cè)與分析技術(shù)，這是建立評(píng)價(jià)判據(jù)的基礎(chǔ)與依據(jù)。

3） 需要研發(fā)更加適合扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井提速工具的專用PDC鉆頭。需要更加耐沖擊的、能夠更好吃入地層的PDC鉆頭，與扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井提速工具一起配合使用，才能充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

4） 扭轉(zhuǎn)沖擊復(fù)合鉆井技術(shù)。扭沖工具雖不像鉆頭對(duì)地層適應(yīng)性敏感，對(duì)于適合PDC鉆進(jìn)但機(jī)械鉆速≤5m／h的難鉆地層來(lái)說(shuō)，不同的參數(shù)控制會(huì)產(chǎn)生極大差異。也就是說(shuō)，扭沖工具應(yīng)與鉆井工藝技術(shù)共同形成一套系統(tǒng)的提速技術(shù)。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

截至2012-05，SLTIDT型扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井提速工具在勝利和新疆油田共完成現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)7口井，提速效果顯著。其中：2012-02，SLTIDT型扭沖與PDC鉆頭的組合在樊55井試驗(yàn)，試驗(yàn)井段3 198.06～3 430.00m完鉆（進(jìn)尺231.94m），純鉆時(shí)間40.98 h，機(jī)械鉆速達(dá)5.66m／h，同井同地層相鄰井段對(duì)比，機(jī)械鉆速提高127%，行程鉆速提高274%。

扭沖在高946井的提速效果也十分顯著。高946井是一口評(píng)價(jià)井，構(gòu)造位置為濟(jì)陽(yáng)坳陷博興洼陷正理莊—樊家鼻狀構(gòu)造帶高946塊較高部位，設(shè)計(jì)井深4 200m。該井井身結(jié)構(gòu)一開0～201m，井眼直徑?444.5mm，?339.7mm表層套管下至井深200m，水泥返至地面；二開201～2 252m，井眼直徑?311.2mm，?244.5mm 技 術(shù) 套 管 下 至 井深2 250m，封過(guò)本區(qū)沙三上開發(fā)層系，相當(dāng)于高894井2 228m的輝長(zhǎng)巖地層；三開?215.9mm鉆頭鉆至井深4 200m，下入?139.7mm生產(chǎn)套管，水泥返至井深2 000m。

該井自三開后，鉆進(jìn)地層屬沙三中、下層，以深灰色泥巖、灰質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖為主。在井段2 461.0～2 666.8m使用PDC鉆頭鉆進(jìn)，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速100r／min，鉆壓40kN，排量32L／s，鉆時(shí)不穩(wěn)定，平均鉆時(shí)超20min，最長(zhǎng)超時(shí)達(dá)70min，行程鉆速1.715m／h；在井段3 515～3 788m也使用PDC鉆頭鉆進(jìn)，鉆井參數(shù)相同，平均鉆時(shí)22.34min，行程鉆速1.8m／h。

為提高機(jī)械鉆速，使用PDC扭沖工具，試驗(yàn)井段3 265～3 515m。鉆壓80kN，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速60r／min，泵壓16MPa，排量32L／s，鉆井液密度1.23g／cm3。自2 461～3 788m的5趟鉆鉆進(jìn)數(shù)據(jù)如表2，鉆時(shí)曲線如圖2，轉(zhuǎn)盤扭矩曲線如圖3。錄井?dāng)?shù)據(jù)表明：5趟鉆中PDC＋扭沖的鉆進(jìn)井段鉆時(shí)最低，均值10.56min／m，且鉆時(shí)波幅最??；同時(shí)，PDC＋扭沖時(shí)的鉆進(jìn)扭矩也最低，均值2.7kN·m；鉆進(jìn)扭矩可以和沒有卡滑問題的牙輪鉆頭相媲美，而且扭矩波動(dòng)最小，僅為1.4kN·m。

此次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，PDC＋扭沖進(jìn)尺250m，純鉆時(shí)間44.03h，機(jī)械鉆速5.68m／h，行程鉆速3m／h，與同井同地層前、后2次單獨(dú)使用PDC鉆頭鉆進(jìn)的井段相比，PDC＋扭沖工具機(jī)械鉆速分別提高98.6%、111.5%，行 程 鉆 速 分 別 提 高74.9%、66.7%。在整個(gè)鉆進(jìn)過(guò)程中，SLTIDT型扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井提速工具能夠很好地解決PDC卡滑問題，提高了機(jī)械鉆速；同時(shí)由于其穩(wěn)定了鉆進(jìn)過(guò)程，還延長(zhǎng)了鉆頭等鉆具的使用壽命，是一種經(jīng)濟(jì)高效的鉆井提速工具。

表2 2 461～3 788m間5趟鉆的鉆進(jìn)數(shù)據(jù)

圖2 高946井2 461～3 788m間5趟鉆的鉆時(shí)曲線

圖3 高946井2 461～3 788m間5趟鉆的轉(zhuǎn)盤扭矩曲線

5 結(jié)論

1） SLTIDT型扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井提速工具利用流體直接驅(qū)動(dòng)，內(nèi)部無(wú)渦輪、螺桿、葉輪等復(fù)雜零件，可靠性好，效率高。在現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)鉆井條件下，不增加任何動(dòng)力，就能提供了一種安全經(jīng)濟(jì)的提速方案。隨著技術(shù)工藝的逐步完善，必將展現(xiàn)其技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2） 扭沖能夠解決PDC鉆頭的卡滑問題，穩(wěn)定鉆進(jìn)過(guò)程，提高難鉆地層機(jī)械鉆速。但其有使用范圍，適合PDC鉆頭鉆進(jìn)但機(jī)械鉆速≤5m／h的難鉆地層。經(jīng)過(guò)室內(nèi)150h的壽命測(cè)試和7口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，SLTIDT型扭沖工具在提速技術(shù)上逐步走向成熟。

3） 對(duì)扭沖的關(guān)鍵技術(shù)尚需深入研究，需要大量現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用數(shù)據(jù)，為深入探索扭轉(zhuǎn)沖擊復(fù)合鉆井提速技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

4） SLTIDT型扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井提速工具依靠流體壓力驅(qū)動(dòng)，對(duì)流體壓力的控制可以向智能化方向發(fā)展，形成新一代智能控制的扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井提速工具。

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