扭力沖擊器在海上深部地層的提速效果評價

張海山，葛俊瑞，楊進，楊建剛，李增奇，施覽玲

（1.中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海200030；2.中國石油大學（北京）石油工程學院，北京102249）

0 引言

隨著油氣勘探開發(fā)的不斷發(fā)展，海上油氣田深井、超深井的比例不斷增加。海上鉆井突出的問題是深部地層巖石強度大、研磨性高、可鉆性差，鉆具憋跳嚴重，機械鉆速慢，鉆井周期長，鉆井成本高［1］。

現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，硬地層鉆進時，施加在鉆頭上的轉(zhuǎn)速與扭矩存在較大波動，出現(xiàn)卡滑現(xiàn)象。當鉆頭破巖能量不足時，吃入巖石的鉆頭處于靜止狀態(tài)，鉆柱旋轉(zhuǎn)直到鉆頭積蓄的能量超過巖石破碎能，此時鉆頭瞬間高速轉(zhuǎn)動并釋放鉆柱能量，同時鉆柱扭矩也隨之發(fā)生大幅變化，隨后鉆頭進入下一個卡滑階段?？ɑ饔么蟠蠼档土算@頭破巖效率，增加鉆頭的無規(guī)律沖擊破壞，加速鉆頭失效［2-5］。

PDC 鉆頭在旋轉(zhuǎn)鉆進過程中切削井底巖石，但同時也會出現(xiàn)多種無規(guī)律有害的振動，主要為橫向振動、縱向振動、扭轉(zhuǎn)振動、渦動和各種耦合作用，降低PDC鉆頭切削效率，降低鉆井速度，縮短鉆頭使用壽命，降低井身質(zhì)量［6］。為了提高PDC 鉆頭在深井、超深井深部井段的鉆井速度，引進了扭力沖擊器配合PDC 鉆頭技術(shù)，提速效果和防卡滑作用非常明顯。

1 工作原理及破巖機理

1.1 工作原理

扭力沖擊器主要由沖擊機構(gòu)、流道轉(zhuǎn)換機構(gòu)、扭矩傳遞機構(gòu)等組成，直接連接在鉆頭上部。鉆進中，鉆井液流過沖擊器，依靠流體能量驅(qū)動沖擊機構(gòu)轉(zhuǎn)動，通過扭矩傳遞機構(gòu)為鉆頭提供周向沖擊扭矩，沖擊完成后流道轉(zhuǎn)換機構(gòu)開啟改變鉆井液流動方向，帶動沖擊機構(gòu)反向轉(zhuǎn)動回到初始位置，這樣周期性的工作為鉆頭提供高頻、低幅脈沖扭矩，提高破巖效率。

1.2 破巖機理

扭力沖擊器配合PDC 鉆頭使用時，鉆頭受到2 方面作用：1）沖擊器提供的周期性、持續(xù)性、具有一定強度的扭矩；2）鉆機旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)通過鉆桿提供的扭矩。以上2 種能量相互配合，使巖石在沖擊破碎和旋轉(zhuǎn)剪切的共同作用下，迅速達到載荷極限而發(fā)生破壞，提高了巖石破碎的連續(xù)性。連續(xù)高頻的沖擊扭矩有效地釋放鉆頭切削地層時鉆柱變形積蓄的能量，降低卡滑現(xiàn)象的危害，減少鉆頭無序振動，保證了鉆頭切削齒獲得理想的切入深度，提高鉆頭壽命和切削效率［7］。這樣大大降低了鉆柱扭轉(zhuǎn)震蕩，保證鉆桿傳遞的扭矩完全用于切削地層，減少無破巖運動的能量損失，提高機械鉆速。

2 扭力沖擊器工具特點

扭力沖擊器工具具有以下特點：1）幾何尺寸小，可與井下動力鉆具、旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)、垂直鉆井系統(tǒng)等配合使用；2）工具部件少，結(jié)構(gòu)簡單，即使工具失效也不影響鉆進作業(yè)；3）工作頻率、扭轉(zhuǎn)能量隨著鉆井液排量的增大而提高；4）平衡扭矩震蕩，減少卡滑現(xiàn)象和能量損失，延長鉆頭、鉆具壽命；5）配合PDC 鉆頭使用，減少切削地層時的有害振動，提高切削效率；6）提高機械鉆速的同時，可以防止井斜，提高井身質(zhì)量；7）與LWD、MWD 同時使用，不影響測井、錄井作業(yè)。

3 應(yīng)用效果

3.1 A3 井概況

A3 井是某海域的一口探井，其完鉆井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)見表1。

表1 A3 井完鉆井身結(jié)構(gòu)

3.2 施工情況

3.2.1 鉆具組合

φ212.725 mm PDC 鉆頭+扭力沖擊器+φ171.45 mm隨鉆測井+φ171.45 mm 隨鉆測斜+φ209.55 mm 扶正器+φ165.1 mm 浮閥+φ165.1 mm 鉆鋌×16+φ165.1 mm（撓性接頭+震擊器）+411×520 變扣+φ139.7 mm 加重鉆桿×1+投入式止回閥+φ139.7 mm 加重鉆桿×13+φ139.7 mm 鉆桿。

3.2.2 使用情況

該工具在整個五開井段 （4 128.50～4 800.00 m）都進行了應(yīng)用，地層巖性為花崗組灰色泥巖與粉砂巖、含礫細砂巖和中砂巖互層；鉆井參數(shù)：鉆壓8～10 t，轉(zhuǎn)速100～120 r/min，鉆 井 液 密 度1.2 g/cm3，泵 壓21～22 MPa，排量42 L/s。扭力沖擊器配合PDC 鉆頭連續(xù)下入2 次，共入井224.5 h，純鉆時122.17 h，進尺671.5 m，平均機械鉆速5.50 m/h。各井段使用情況見表2，表中ROP 為平均機械轉(zhuǎn)速。

表2 A3 井217.725 mm 井段情況

3.2.3 效果對比

3.2.3.1 提速效果

A3 井與未使用扭力沖擊器的鄰井A1 井、A2 井同井段對比，結(jié)果見表3。

表3 同井段機械鉆速對比

A3 井使用扭力沖擊器效果明顯，相對鄰井A2 井同井段機械鉆速提高29.5%，相對鄰井A1 井機械鉆速提高20.6%。

3.2.3.2 防卡滑效果

根據(jù)斯倫貝謝LWD 提供的數(shù)據(jù)——卡滑指數(shù)（指近鉆頭儀器所測得瞬時最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速的差值，r/min）顯示（見圖1），3 847.00～4 128.00 m 井段平均卡滑值為59.7 r/min，扭力沖擊器工具作業(yè)井段4 128.50～4 391.00 m 平均卡滑指數(shù)為13.9 r/min，同比下降76.7%，扭力沖擊器防卡滑作用效果非常顯著。

由于斯倫貝謝LWD 在卡滑嚴重時無法正常工作（PDC 鉆進時頻繁報警），即LWD 需要在穩(wěn)定鉆進環(huán)境中工作，此次應(yīng)用體現(xiàn)了扭力沖擊器與LWD 工具配合使用的技術(shù)優(yōu)勢。

圖1 卡滑指數(shù)

3.2.3.3 改善鉆頭工作環(huán)境

錄井數(shù)據(jù)反映扭矩波動較小 （即扭矩變化在1.36kN·m 以內(nèi)），鉆進過程穩(wěn)定，扭力沖擊器工作正常，明顯改善PDC 鉆頭等鉆具與儀器的工作環(huán)境。扭力沖擊器出井外形完好，錄井數(shù)據(jù)顯示直到4 800 m 完鉆，工作正常。

第一趟鉆（4 128.50～4 391.00 m），PDC 鉆頭（川克CK406DW）入井前及出井情況（見圖2）。

圖2 川克CK406DW

第二趟鉆（4 391.00～4 800.00 m），PDC 鉆頭（貝克休斯QD506FX）出井情況見圖3。

由圖2、圖3可以看出，2 趟鉆出井的PDC 鉆頭正常磨損，扭力沖擊器為PDC 鉆頭提供了良好的工作環(huán)境，有效地延長鉆頭使用壽命。

圖3 貝克休斯鉆頭QD506FX 出井情況

4 結(jié)論

1）扭力沖擊器在海上油氣田A3 井成功應(yīng)用，取得良好的應(yīng)用效果，相比鄰井提高機械鉆速20%以上，很好地解決了深部地層機械鉆速慢的問題。

2）扭力沖擊器配合PDC 鉆頭使用，降低了鉆柱扭轉(zhuǎn)振動現(xiàn)象，卡滑值相對相鄰井段降低76.7%，具有非常明顯的防卡滑作用。

3）扭力沖擊器減少鉆頭在井底運動時的不規(guī)則振動，明顯改善鉆頭等鉆具及儀器的工作環(huán)境，提高鉆頭切削效率，延長使用壽命。

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