TorkBuster扭力沖擊器＋PDC鉆頭泥包問題分析及對策

耿云鵬 （中石化西北油田分公司工程技術研究院，新疆 烏魯木齊830011）

李丹丹 （中石化西北油田分公司塔河采油一廠，新疆 輪臺841600）

樊艷芳 （中石化西北油田分公司工程技術研究院，新疆 烏魯木齊830011）

TorkBuster扭力沖擊器可極大提高PDC鉆頭破巖效率，元壩及玉門油田實鉆情況表明［1，2］，Tork-Buster扭力沖擊器與PDC鉆頭配合使用后，同鄰井相比，機械鉆速提高100%～130%，同時延長了PDC鉆頭及其他鉆具壽命。

為加快勘探開發(fā)步伐，縮短建井周期，截至2012年6月，西北油田分公司在TH12153井、TP234X井、玉北1-3H井、玉北9井及玉北6A井開展了TorkBuster扭力沖擊器現(xiàn)場試驗，該工具在砂巖地層提速效果明顯，但是使用中發(fā)現(xiàn)TorkBuster扭力沖擊器＋PDC鉆頭組合易在砂泥巖互層段發(fā)生泥包。分析了泥包產(chǎn)生的原因，并從鉆井液、鉆井參數(shù)及PDC鉆頭3個方面提出了可能的解決方案。

1 TorkBuster扭力沖擊器工作原理

1.1 黏－滑現(xiàn)象

旋轉(zhuǎn)鉆進中，地面動力裝置以恒定速度驅(qū)動鉆柱旋轉(zhuǎn)，鉆頭在一定鉆壓下與地層接觸，如果剪切力不足以破壞巖石，鉆頭暫時停頓；而轉(zhuǎn)盤在不停旋轉(zhuǎn)，扭矩的能量就積蓄在鉆柱上，鉆柱處于扭曲狀態(tài)，當產(chǎn)生的剪切力足以破壞地層巖石時，鉆柱上的扭力應力突然釋放造成鉆頭轉(zhuǎn)速突然增加。試驗表明［3］，鉆頭再次轉(zhuǎn)動 （slip）階段的轉(zhuǎn)速可達到地面轉(zhuǎn)速的2～3倍。這樣鉆頭附近的轉(zhuǎn)速就會圍繞地面轉(zhuǎn)速產(chǎn)生周期性擺動。擺動幅度取決于地面動力系統(tǒng)，巖石／鉆頭間作用力及鉆柱與井壁摩擦有關。這種現(xiàn)象稱為 “黏－滑”。黏－滑效應會縮短鉆頭、尤其是PDC鉆頭的壽命。

圖1 TorkBuster扭力沖擊器工作原理

1.2 提速機理

TorkBuster扭力沖擊器結(jié)構(gòu)如圖1所示，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)。來源于泥漿的能量驅(qū)動內(nèi)部動力錘產(chǎn)生沖擊，沖擊頻次與液體流速有關。這些機械沖擊能量由驅(qū)動短節(jié)內(nèi)的驅(qū)動軸集中均勻地傳送到鉆頭上。

TorkBubster扭力沖擊器傳遞給鉆頭的扭向沖擊力改變了鉆頭的運動狀態(tài)，使得鉆頭均勻穩(wěn)定旋動。這樣就消除或降低了 “黏－滑”效應的不利影響，延長了鉆頭及鉆井的使用時間。同時，TorkBuster扭力沖擊器產(chǎn)生的高頻扭向沖擊，使鉆頭轉(zhuǎn)速增加，對于以剪切破巖為主的PDC鉆頭，機械鉆速提高明顯。

2 TorkBuster扭力沖擊器在塔河油田及玉北地區(qū)應用情況

2.1 塔河主體區(qū)塊

2011年1月25日至2月9日在TP234X井進行了試驗。

試驗井段5178．36～6167．84m，三開井眼?216mm，入井次數(shù)3次。TP234X井與鄰井 （TP220X、TP225X井）同地層鉆速對比情況見表1，可見鉆速得到了明顯的提高。

表1 TP234X井與鄰井 （TP220X井、TP225X井）機械鉆速對比情況

2.2 玉北區(qū)塊

塔里木盆地麥蓋提斜坡玉北地區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)和田地區(qū)墨玉縣境內(nèi)，構(gòu)造位置處于塔里木盆地麥蓋提斜坡東段。區(qū)塊北側(cè)是瑪扎塔格構(gòu)造帶，南側(cè)為塔西南坳陷的葉城坳陷，東與塘北構(gòu)造帶相鄰。2010年，玉北1井獲得工業(yè)油流，展示了該區(qū)良好的勘探前景。

前期實鉆資料表明，玉北區(qū)塊二疊系沙井子組上部地層比較均質(zhì)，可鉆性較好，下部地層軟硬交錯現(xiàn)象頻繁，可鉆性較差，平均機械鉆速2．5m／h。為進一步提高玉北區(qū)塊的鉆井效率，在玉北9井、玉北1-3井、玉北6A井開展了TorkBuster扭力沖擊器＋PDC鉆頭現(xiàn)場試驗，應用效果見表2?？梢钥闯鍪褂肨orkBuster扭力沖擊器后，機械鉆速有不同程度的提高，應用效果最好的是在玉北6A井，機械鉆速最高可提高259．6%。

表2 玉北區(qū)塊3口試驗井機械鉆速統(tǒng)計

3 TorkBuster扭力沖擊器＋PDC鉆頭泥包問題

3.1 存在問題

雖然TorkBuster扭力沖擊器＋PDC鉆頭現(xiàn)場試壓取得較好的效果，但是在使用過程中多井次發(fā)生鉆頭泥包，泥包鉆頭出井情況見圖2～4。

圖2 TP234X井第1趟鉆鉆頭出井情況

圖3 TP234X井第2趟鉆鉆頭出井情況

圖4 玉北9井及玉北6A井鉆頭出井情況

由圖2可以看出，TP234X井第1趟鉆起出鉆頭2個流道泥包，鉆頭靠近中心部位復合片底座沖蝕嚴重。這主要是由于鉆頭泥包造成鉆頭水力分配不均，有些復合片底座由于無泥漿流過冷卻或者由于泥漿沖蝕過量，造成復合片沖蝕嚴重。由圖3可以看出，TP234X井第2趟鉆起出鉆頭后發(fā)現(xiàn)該鉆頭中心部位磨凹，下強磁和打撈杯均未撈出東西，井下干凈。鉆頭被損害的原因可能是由于鉆頭發(fā)生泥包后，鉆頭中心部位復合片被沖蝕嚴重，造成復合片在鉆進過程中剝落，并和鉆頭本體研磨，使得鉆頭中心被磨凹。

玉北地區(qū)2口試驗井鉆頭出井情況如圖4所示，玉北9井第1趟鉆，1、2號水眼堵塞；第2趟鉆1、3號水眼堵塞。玉北6A井一個流道被泥包。

鉆頭泥包在TorkBuster扭力沖擊器使用過程中具有一定普遍性，它影響TorkBuster扭力沖擊器提速效果。如TP234X井第一次入井鉆進62．34m，就被迫起鉆，增加了一趟起下鉆。因此，如果解決了泥包問題，將使TorkBuster扭力沖擊器發(fā)揮更好的提速效果。

3.2 泥包原因分析

根據(jù)分析，TorkBuster扭力沖擊器易造成鉆頭泥包的原因主要有：

1）幾口試驗井產(chǎn)生泥包的地層均為砂泥巖互層段。在砂巖井段，使用TorkBuster扭力沖擊器后，機械鉆速升高，產(chǎn)生鉆屑量增多，同時TorkBuester工具將一部分泥漿動能轉(zhuǎn)化為扭向上的機械沖擊能量，并傳給鉆頭，使鉆頭水馬力降低，兩方面因素疊加使得鉆屑在井底堆積量大于未使用TorkBuster扭力沖擊器情況。進入泥巖地層后，鉆速變慢，砂巖段產(chǎn)生的未及時清除的鉆屑會磨損鉆頭頂部，可能堵塞鉆頭水眼，增大發(fā)生鉆頭泥包的幾率。

2）鉆井液抑制性較差，泥巖段鉆屑水化分散易成細小的顆粒，這些顆粒難以被地面固控設備清除，使得泥漿中無用固相體積分數(shù)增加，鉆井液黏度上升，使得易造成鉆頭泥包。巖屑不易排出，常包裹在鉆頭表面，形成泥包鉆頭。

3）鉆頭表面潤濕性一般為親水性，在水性環(huán)境中，易吸附同樣是親水性的泥巖鉆屑。

4）鉆頭表面經(jīng)摩擦后帶正電荷，泥巖鉆屑水化膨脹后表面帶負電荷，在靜電力的作用下泥巖鉆屑極易附著在鉆頭表面。

4 泥包問題對策

4.1 鉆井液體系優(yōu)選

實踐及理論研究均表明，抑制鉆屑水化分散，用聚合物包被鉆屑，使鉆屑處于較大尺寸，易被固控設備清除，這是防止鉆頭泥包的最有利武器。根據(jù)塔河油田實鉆及資料調(diào)研，推薦幾種抑制性能較好的鉆井液。

1）陽離子懸乳液聚磺 （或KCl陽離子乳液聚磺）體系 大分子量季銨鹽陽離子聚合物 （DS301）作為包被絮凝劑，小分子量有機季銨鹽陽離子（DS302）作為頁巖抑制劑，使用納米級乳化石蠟改變鉆井液連續(xù)相，同時起潤滑封堵作用。該體系主要處理劑配方為4%～5%KCl＋0．2%～0．3%DS-301＋2%～3%DS-302 （配方中百分數(shù)為質(zhì)量分數(shù)）。該體系在玉北5井使用，根據(jù)錄井資料，5600～5657m地層巖性主要為棕褐色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖與灰色泥質(zhì)粉砂巖不等厚互層。由圖5可以看出，鉆屑基本保持被PDC鉆頭切削的原貌，表明該體系具有良好的抑制泥巖水化分散能力。

圖5 玉北5井5600～5604m返出鉆屑

2）高性能水基鉆井液 主要由頁巖強抑制劑、包被劑、清潔潤滑劑和降濾失劑等組成，其實質(zhì)是應用了一種新的胺基聚合物。該胺鹽有良好的抑制能力和防泥包能力?，F(xiàn)場應用效果表明［4，5］，高性能水基鉆井液提高了機械鉆速，實現(xiàn)了低的稀釋率和較高的固相清除效率，摩擦因數(shù)與油基鉆井液基本相當，最大程度地減少了鉆頭泥包和聚結(jié)現(xiàn)象，節(jié)省鉆井、完井時間，提高了泥頁巖地層井壁穩(wěn)定性。

3）油基鉆井液 鉆頭在油基泥漿中基本不會發(fā)生泥包，油基泥漿防泥包機理為在油基泥漿中，鉆頭表面可形成一層油膜，由于接觸不到水，鉆屑基本不會分散；由于不能發(fā)生水化膨脹反應，鉆屑表面也不帶電荷，這些因素大大減弱了鉆屑在鉆頭表面的附著力，因此油基泥漿防泥包效果最好［6］。但成本高，會對環(huán)境造成污染。

4.2 鉆井參數(shù)強化

1）提高鉆井液排量 由于TorkBuster扭力沖擊器能極大提高機械鉆速，產(chǎn)生的鉆屑相對較多，提高排量能將井底鉆屑及時帶出，避免鉆屑在井底堆積，堵塞水眼或者泥包鉆頭。但是提高排量受到地面循環(huán)系統(tǒng)承壓能力的限制。試驗井的排量在24～29L／s，泵壓在20～23MPa，提高排量的余地不大。

2）減小鉆壓，提高轉(zhuǎn)速 在軟泥巖地層，加大鉆壓易形成泥包。應適當減小鉆壓，提高轉(zhuǎn)速，以減少發(fā)生泥包的可能?，F(xiàn)場施工泥巖段鉆壓60～80kN，轉(zhuǎn)速60～75r／min，比較適合。

3）鉆時變慢，增大排量，提高轉(zhuǎn)速 鉆進中，如果鉆時變慢，就要考慮是否發(fā)生了泥包，可將PDC鉆頭上提1～2m，增大排量，提高轉(zhuǎn)速，將附著在鉆頭上的鉆屑甩掉。

4.3 改進鉆頭

1）改進PDC鉆頭水力結(jié)構(gòu) 優(yōu)化PDC鉆頭的井底流場和水力結(jié)構(gòu)是控制泥包生成和發(fā)展的有效手段，國內(nèi)外許多學者采用數(shù)值模擬和試驗的方法針對噴嘴形狀、安裝位置、鉆頭流道形狀等因素，進行了大量的研究，侯成［7］建立了帶有側(cè)向射流噴嘴的PDC鉆頭井底結(jié)構(gòu)的物理模型，為PDC鉆頭水力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了新思路?，F(xiàn)場應用中，玉北6A井使用的MD1646（4刀翼）鉆頭防泥包效果優(yōu)于玉北9井使用的MT1657（5刀翼）鉆頭。

2）改變鉆頭表面性質(zhì) 改變鉆頭表面性質(zhì)主要通過改變潤濕性及電性，減弱鉆屑與鉆頭表面的作用力，使得鉆屑不易黏附在鉆頭上。較為典型的方法是表面滲氮 （使得鉆頭表面帶負電）和涂覆改進Teflon涂層 （主要成分為聚四氟乙烯）［8］。另外，加入泥巖清潔劑后可在鉆頭和鉆具表面形成一層油膜，使鉆頭表面潤濕性變?yōu)橛H油性，這樣鉆屑就不易在表面黏附，進而起到防泥包作用。玉北6A井在使用TorkBuster扭力沖擊器＋PDC鉆頭鉆進鉆至4425、4613、4787m井深時，鉆時變慢，均使用浸泡泥巖清潔劑的方法，鉆速得以恢復，一直鉆進至4856m。比玉北9井及玉北1-3H井節(jié)約了一趟起下鉆時間，在玉北地區(qū)3口井中，玉北6A井提速效果最佳。

5 結(jié)論及建議

1）TorkBuster扭力沖擊器在砂巖井段提速效果較好，但在砂泥巖互層段易發(fā)生泥包，影響了總體提速效果。

2）從鉆井液、鉆井工程參數(shù)及PDC鉆頭3個方面考慮防泥包對策，如玉北區(qū)塊今后使用Tork－Buster扭力沖擊器時，PDC鉆頭選用4刀翼，鉆井液可選擇KCl－陽離子乳液聚磺體系，鉆壓60～80kN，轉(zhuǎn)速60～75r／min，排量24～29L／s（泵壓允許的情況下，越大越好）。

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［3］Robnett E W，Hood J A，Heisig G，et al．Analysis of the stick／slip phenomenon using down hole-drill string-rotation data ［J］．SPE 52821，1999．

［4］王建華，鄢捷年，丁彤偉 ．高性能水基鉆井液研究進展 ［J］．鉆井液與完井液，2007，24（1）：71～75．

［5］王治法，劉貴傳，劉金華，等 ．國外高性能水基鉆井液研究最新進展 ［J］．鉆井液與完井液，2009，26（5）：71～72．

［6］鄢捷年 ．鉆井液工藝學 ［M］．東營：石油大學出版社，2003．

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［8］Zijsling D H，Nederlandse A M，Iiierhaus R．PDC鉆頭 drill bit design concept eliminates balling in water-base drilling fluids ［J］．SPE21933，1991．