扭力沖擊器在大慶油田肇深17井的試驗應(yīng)用

李歡歡，王玉璽，李秋杰

(大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江 大慶163413)

近年來，大慶油田開展了鉆井提速提效專項技術(shù)攻關(guān)，隨著空氣鉆井、復(fù)合鉆進、鉆頭優(yōu)選和防斜打快等技術(shù)的不斷完善，鉆井速度逐年提高。對于深井，由于下部地層巖石的硬度和強度大，可鉆性差，同時平均地溫梯度達到4.1℃/100 m，4000～5500 m深的井，其井底溫度高達160～220℃，嚴(yán)重地影響了鉆井工具的使用，造成井下復(fù)雜和固井難度增加，尤其是下部井段每起下鉆一次，所耗時間長。為了解決大慶深部地層鉆井周期長、常規(guī)牙輪鉆頭單只進尺少、螺桿鉆具壽命短等一系列問題，2012年9月，在肇深17井開展了扭力沖擊器配合PDC鉆頭提速現(xiàn)場試驗，探索大慶深層鉆井提速新途徑。TorkBuster扭力沖擊器試驗提速效果明顯，機械鉆速提高150%以上，平均可節(jié)省起下鉆5趟以上，節(jié)省鉆井周期13天以上。

1 扭力沖擊器的工作機理及技術(shù)特點

1.1 扭力沖擊器工作機理

在井下，PDC鉆頭的運動是極其無序的，包括橫向、縱向和扭向的振動及這幾種振動的組合，即產(chǎn)生“粘－滑現(xiàn)象”，如圖1所示。(a)所示是鉆頭在井底的正常理想鉆進狀態(tài)，但這種理想化的狀態(tài)是不存在的;(b)所示是當(dāng)鉆頭剛剛出現(xiàn)“吃入”地力不足時，鉆頭出現(xiàn)暫時停頓的現(xiàn)象，這時鉆頭開始積蓄能量;(c)所示是鉆頭無法繼續(xù)鉆進，而轉(zhuǎn)盤在旋轉(zhuǎn)，扭矩的能量就積蓄在整個鉆桿上，鉆桿處于扭曲狀態(tài);(d)當(dāng)鉆柱上的扭力應(yīng)力突然達到剪切破碎地層所需的扭矩時，則鉆柱上積蓄的能量突然得到釋放，鉆頭會突然加速，以極快的速度進行破巖，造成鉆頭損壞。這樣會損壞單個PDC切削齒，導(dǎo)致鉆頭壽命降低，引起扭矩波動干擾定向控制和隨鉆測井(LWD)信號，以及產(chǎn)生不規(guī)則井眼降低井身質(zhì)量。

TorkBuster扭力沖擊器是美國阿特拉(ULTERRA)UD公司的專利產(chǎn)品，它由鉆井液流量分配器、動力沖擊部分、驅(qū)動短節(jié)以及鉆頭接頭組成。泥漿從上接頭經(jīng)過泥漿流量分配器流進沖擊器并二次分配到管狀接頭內(nèi)，來源于泥漿的巨大能量使得接頭內(nèi)的2個動力錘相互反轉(zhuǎn)起來，產(chǎn)生的機械沖擊能量由驅(qū)動短節(jié)內(nèi)的驅(qū)動軸集中均勻地傳送到鉆頭上，持續(xù)穩(wěn)定的高頻沖擊扭力可達750～1500次/min，其破巖機理是以沖擊破碎為主，并在鉆頭上增加一個額外的旋轉(zhuǎn)方向的均勻穩(wěn)定的高頻沖擊力，大幅度提高剪切效率，減少反沖扭力，主要作用是在保證井身質(zhì)量的同時提高機械鉆速。這時候PDC鉆頭上就有2個力在切削地層，一個是鉆盤提供的扭力，一個是TorkBuster扭力沖擊器提供的力，并且這個力直接作用到鉆頭本身，對鉆桿并不產(chǎn)生任何作用和改變整個沖擊能量的荷載，從而大大降低鉆頭的粘滑現(xiàn)象，大幅提高鉆進速度，延長鉆頭壽命。

PDC鉆頭與扭力沖擊器配合使用后，消除了井下鉆頭運動時可能出現(xiàn)的一種或多種振動(橫向、縱向和扭向)的現(xiàn)象，使整個鉆柱的扭矩保持穩(wěn)定和平衡，巧妙地將泥漿的流體能量轉(zhuǎn)換成扭向的、高頻的、均勻穩(wěn)定的機械沖擊能量并直接傳遞給PDC鉆頭，使鉆頭旋轉(zhuǎn)過程始終保持連續(xù)性，延長鉆頭的壽命。見圖1(e)。

圖1 井底鉆頭及鉆具工作示意圖

1.2 扭力沖擊器技術(shù)特點

扭力沖擊器外部物理尺寸緊湊，內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)合理，泥漿流道通暢，無任何橡膠件，無任何電子元器件。扭力沖擊器將泥漿的流體能量通過帶有金剛石敷面的渦輪組的上部動力站，經(jīng)過中間的轉(zhuǎn)換構(gòu)件傳遞到同樣帶有金剛石敷面的渦輪組的下部動力站;泥漿首先進入過濾系統(tǒng)，內(nèi)部的多組構(gòu)件由裝有特殊材料的加重棒的偏心塊由芯軸帶動(一體式)扭向反復(fù)作用，在給鉆頭驅(qū)動軸一個徑向推力的同時，使鉆頭產(chǎn)生高頻沖擊力;由于形成了高頻的、均勻穩(wěn)定的機械沖擊能量，使鉆頭在井底能始終保持連續(xù)的高頻切削，提高剪切效率，消除鉆頭運動時可能出現(xiàn)的一種或多種有害振動，消除“粘－滑現(xiàn)象”。

在旋轉(zhuǎn)鉆井或定向鉆井組合上，直接配上扭力沖擊發(fā)生器，再加上扭力沖擊發(fā)生器和PDC鉆頭獨特的倒扣式連接，大大減少了滑脫現(xiàn)象。由于通過扭力沖擊發(fā)生器作用到PDC鉆頭的是一個高頻的、均勻的扭力沖擊，相比不用扭力沖擊發(fā)生器的普通的PDC鉆進，滑脫、卡鉆現(xiàn)象會成倍地減少，而且能極大地提高機械鉆速和鉆頭壽命。

2 扭力沖擊器在肇深17井的應(yīng)用情況

2.1 肇深17井基本情況

肇深17井是位于松遼盆地東南斷陷區(qū)徐家圍子斷陷徐西－肇州斜坡帶的一口預(yù)探井，設(shè)計井深3855 m，目的層位是營城組火山巖、礫巖，兼探登婁庫組、沙河子組、基底。三開首先采用牙輪鉆頭鐘擺鉆具組合鉆進，鉆至3246.16 m，3245 m測斜1.6°，地層為登三段底。

2.2 試驗情況

2012年9月2日從3246.16～3730 m進行扭力沖擊器+PDC鉆頭提速試驗，9月9日結(jié)束鉆進，提速效果明顯。累計進尺483.84 m，平均機械鉆速4 m/h，扭力沖擊器累計使用時間144 h。

2.2.1 鉆具組合

2.2.2 鉆井參數(shù)

肇深17井現(xiàn)場使用的鉆井參數(shù)為:鉆壓80～140 kN，扭矩7～12 kN·m，轉(zhuǎn)速55～60 r/min，排量33 L/s，泵壓14 ～15 MPa，泵沖105。

2.2.3 試驗效果

扭力沖擊器在肇深17井配合阿特拉U613MPDC鉆頭使用，其使用效果統(tǒng)計為:使用井段3246.16～3730 m，地層是登二段、營城組，進尺483.84 m，純鉆時間121 h，機械鉆速4 m/h，井底井斜 1.86°。

2.2.4 分段統(tǒng)計

肇深17井扭力沖擊器使用效果按使用層段統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 扭力沖擊器分層段效果統(tǒng)計

2.2.5 工具、鉆頭情況

扭力沖擊器使用后狀況良好，配合扭力沖擊器使用的阿特拉特制PDC鉆頭總體效果很好。

2.2.5.1 鉆頭情況

鉆頭U613M出井照片見圖2，六刀翼詳細(xì)磨損情況見圖3。

圖2 U613M出井照片

圖3 U613M六刀翼詳細(xì)磨損情況

U613M鉆頭出井狀態(tài)良好，僅是牙齒3級磨損，直徑為0.5級磨損。

2.2.5.2 扭力沖擊器使用情況

扭力沖擊器入井之前的照片見圖4(a)，鉆完483.84 m進尺后出井照片見圖4(b)。

圖4 扭力沖擊器入井和出井照片

扭力沖擊器出井后狀況良好，經(jīng)過探傷得出，具備不出井繼續(xù)鉆進的能力，但因為已達到鉆探目的，因此，在設(shè)計深度3730 m起出。

2.3 效果對比

2.3.1 同本開次使用的上一只牙輪鉆頭對比

三開從3192.58～3246.16m使用一只HJT637GH牙輪鉆頭鉆進53.58 m，最后使用扭力沖擊器鉆至3730 m完鉆，其入井機械鉆速8 m/h。詳細(xì)數(shù)據(jù)見表2。

表2 U613M和本開次上部使用的牙輪鉆頭對比

從表4可看出，扭力沖擊器使用前的上趟鉆使用牙輪鉆頭，其平均機械鉆速1.56 m/h，而扭力沖擊器平均機械鉆速為4 m/h，機械鉆速提高156%;而進尺多了430.26 m，提高了803%，層位更是鉆穿營城組和沙河子組，鉆達基底。可見扭力沖擊器配合專用PDC鉆頭在本井使用較適合該層位，效果遠(yuǎn)比使用牙輪鉆頭更好。

2.3.2 和未用扭力沖擊器的鄰井效果對比

肇深17井和未用扭力沖擊器的4口鄰井的詳細(xì)對比見表3。

表3 和鄰井未用TB的深井對比

通過統(tǒng)計肇深17鄰井4口井登婁庫以下鉆速， 常規(guī)牙輪鉆進平均機械鉆速為1.76 m/h，而該井段本次采用扭力沖擊器鉆進機械鉆速為4 m/h，機械鉆速提高了1倍多。試驗井段3246.16～3730.00 m，累計進尺近483.84 m，耗時7.2天。如果用常規(guī)牙輪鉆進需要約5只牙輪鉆頭，進尺時間約為15.2天，時間節(jié)約8天;起下5趟鉆，每趟起下鉆需要用時約24 h，約合5天。用扭力沖擊器共計節(jié)省起下鉆5趟，節(jié)省約13天時間。

2.4 經(jīng)濟效益對比

若使用U613M PDC鉆頭、扭力沖擊器等，鉆完該段井段所需花費包含鉆頭費用、扭力沖擊器費用以及鉆機費用，共需大約159萬元。

若使用牙輪鉆頭鉆進，則按鄰井使用牙輪鉆頭鉆進效果，可估出本井段大約需要5只HJT637GH鉆頭，還需要減震器1只以及鉆機費用，共計大約需要241萬元。

用扭力沖擊器比常規(guī)鉆進成本結(jié)余=常規(guī)鉆井成本－扭力沖擊器鉆井成本=241－159=82萬元。

3 結(jié)論與建議

(1)扭力沖擊器配合專用PDC鉆頭鉆進較牙輪鉆頭常規(guī)鉆進提速效果明顯，從鉆速及周期上相比牙輪鉆頭都有突破，尤其登婁庫井段，與上趟鉆相比機械鉆速提高4倍，總體平均機械鉆速提高近2倍。與肇深鄰井鉆進效果相比，提速效果同樣明顯，平均機械鉆速提高近2倍。

(2)扭力沖擊器配合PDC鉆頭鉆進，節(jié)約了周期、成本，在肇深17井使用扭力沖擊器鉆進，節(jié)省了82萬元，經(jīng)濟效益可觀。在合適的井段應(yīng)用扭力沖擊器配合專用PDC鉆頭鉆進，能夠大幅度提高機械鉆速并縮短鉆井周期，降低鉆井成本，具有廣闊的應(yīng)用前景和較大的經(jīng)濟效益。

(3)扭力沖擊器在肇深17井的成功應(yīng)用為后續(xù)該技術(shù)在大慶油田的實施，積累了寶貴的經(jīng)驗，建議繼續(xù)推廣應(yīng)用該項技術(shù)，延長其應(yīng)用井段。

(4)該次成功應(yīng)用突破了硬且研磨性高的地層只能使用牙輪鉆頭的情況，為探索提速新技術(shù)提供了寶貴的經(jīng)驗。

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