防托壓沖擊器在盤40斜501井的應(yīng)用

羅恒榮， 索忠偉， 譚 勇， 張仁龍， 李 超

(1.中石化西南石油工程有限公司臨盤鉆井分公司，山東臨邑251507；2.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101)

羅恒榮1， 索忠偉2， 譚 勇1， 張仁龍2， 李 超1

(1.中石化西南石油工程有限公司臨盤鉆井分公司，山東臨邑251507；2.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101)

為了解決臨盤油田40塊區(qū)域內(nèi)定向井長(zhǎng)穩(wěn)斜段的托壓?jiǎn)栴}，提高機(jī)械鉆速，縮短建井周期，試驗(yàn)應(yīng)用了防托壓沖擊器。通過防托壓沖擊器水平井模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證了其在水平井、定向井應(yīng)用的可行性，并進(jìn)行了性能參數(shù)測(cè)試及壽命評(píng)價(jià)試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果表明，防托壓沖擊器的沖擊力為20～160 kN，沖擊頻率為8～20 Hz，工作壽命達(dá)120 h以上。依據(jù)施工井鉆井設(shè)計(jì)，模擬計(jì)算了應(yīng)用井段的鉆柱摩阻，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化了鉆具組合及鉆井參數(shù)。3套防托壓沖擊器在盤40-斜501井進(jìn)行了3井次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，總進(jìn)尺1 080 m，降摩減阻提速效果明顯，防托壓沖擊器的井下有效工作壽命均達(dá)到了100 h以上。應(yīng)用結(jié)果表明，防托壓沖擊器是解決水平井、定向井長(zhǎng)井段托壓?jiǎn)栴}的有效工具。

防托壓沖擊器 降摩減阻 鉆井提速 臨盤油田

臨盤油田40塊區(qū)域內(nèi)定向井油層埋深分布在3 000.00～3 580.00 m，地層巖性為泥巖和砂巖互層，定向井穩(wěn)斜段較長(zhǎng)，滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)托壓嚴(yán)重，托壓井段井斜角一般為15°～90°，狗腿嚴(yán)重度為(1°～20°)/30m，導(dǎo)致后期井眼軌跡控制難度大，常規(guī)鉆具組合需要更換2～3次才能達(dá)到軌跡控制目的，使用螺桿鉆具組合地層自然增斜率(4°～5°)/100m，導(dǎo)致滑動(dòng)鉆進(jìn)調(diào)整軌跡耗時(shí)長(zhǎng)，還不一定能達(dá)到預(yù)期效果。其原因在于重力效應(yīng)問題造成井下鉆柱受到很大摩阻(軸向摩擦力和摩擦扭矩)[1-9]，導(dǎo)致鉆壓無(wú)法有效傳到鉆頭，送鉆困難；工具面不穩(wěn)定，導(dǎo)致進(jìn)行滑動(dòng)鉆進(jìn)后卻不見滑動(dòng)鉆進(jìn)效果，延長(zhǎng)了鉆井周期，增加了鉆井成本。防托壓沖擊器的性能參數(shù)可調(diào)，不會(huì)對(duì)鉆頭或其他鉆具產(chǎn)生破壞；同時(shí)，采用防托壓沖擊器進(jìn)行降摩減阻，可以大幅度減少潤(rùn)滑劑的使用量，有利于環(huán)保。為些，在對(duì)沖擊器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)、優(yōu)化其性能參數(shù)的基礎(chǔ)上，在盤 40-斜501井鉆井過程中，試驗(yàn)應(yīng)用了防托壓沖擊器，并獲得良好的防托壓效果。

1 防托壓沖擊器工作原理及特點(diǎn)

防托壓沖擊器由控制機(jī)構(gòu)、動(dòng)力機(jī)構(gòu)和能量傳遞機(jī)構(gòu)等3部分組成。在直井提速用沖擊器的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了動(dòng)力機(jī)構(gòu)，以適用于水平井、定向井提速需求，具體結(jié)構(gòu)見圖1。

防托壓沖擊器的工作原理[10-11]：防托壓沖擊器位于鉆具組合的中和點(diǎn)下部和鉆頭之間 ，當(dāng)鉆井液循環(huán)、鉆頭接觸井底或中和點(diǎn)以下鉆柱遇阻時(shí)，防托壓沖擊器開始工作，鉆井液經(jīng)過換向機(jī)構(gòu)，流體產(chǎn)生有規(guī)律的換向，交替作用到活塞的上、下端面，推動(dòng)活塞帶動(dòng)沖錘產(chǎn)生高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)，沖錘高頻沖擊作用到砧子上，沖擊能量由傳遞機(jī)構(gòu)傳遞到鉆柱，鉆柱在高頻振動(dòng)下，將與井壁產(chǎn)生的靜摩擦轉(zhuǎn)換為動(dòng)摩擦，起到防摩減阻作用，有利于滑動(dòng)鉆進(jìn)、提高機(jī)械鉆速及擺放工作面。

防托壓沖擊器的特點(diǎn)：1)性能參數(shù)可調(diào)，不會(huì)對(duì)鉆頭或其他鉆具產(chǎn)生破壞；2)振動(dòng)頻率不會(huì)干擾MWD/LWD信號(hào)的傳遞；3)沒有閥及彈簧等易損件，工作可靠，使用壽命與螺桿壽命匹配；4)設(shè)計(jì)了防空打機(jī)構(gòu)，防托壓沖擊器在下部鉆柱遇阻或鉆頭接觸井底時(shí)開始工作，否則防托壓沖擊器不工作，避免了防托壓沖擊器做無(wú)用功；5)適用于不同井型(直井、水平井及定向井)鉆井提速及防摩減阻。

2 臺(tái)架模擬試驗(yàn)

2.1 模擬試驗(yàn)

模擬測(cè)試了防托壓沖擊器在水平井工作狀態(tài)下的工作穩(wěn)定性及連續(xù)工作壽命，以期為防托壓沖擊器用于水平井、定向井鉆井提速及降摩減阻提供試驗(yàn)依據(jù)。試驗(yàn)步驟為：將防托壓沖擊器水平放置在試驗(yàn)臺(tái)架上，下面墊好枕木并固定；上測(cè)試接頭與進(jìn)水管線連接，下測(cè)試接頭與回水管線連接；固定好進(jìn)水管線及回水管線，開泵，記錄防托壓沖擊器啟動(dòng)排量及泵壓；調(diào)整排量，繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

由表1可知，隨著排量增大，防托壓沖擊器的振動(dòng)力及振動(dòng)頻率增大。此外，防托壓沖擊器在不同角度下放置均能穩(wěn)定工作，可以用于斜井段的鉆井提速。防托壓沖擊器正常工作時(shí)間達(dá)120 h后，仍然能繼續(xù)工作。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 運(yùn)動(dòng)副單邊磨損程度分析

防托壓沖擊器缸體內(nèi)壁保持完好，一側(cè)與活塞配合面處有磨痕；活塞和活塞桿表現(xiàn)出了明顯的單面磨損，即水平放置的下側(cè)磨損明顯，上側(cè)沒有任何磨損痕跡。

拆開后檢查測(cè)量，活塞和缸體間單邊間隙磨損0.04～0.06 mm，活塞桿和缸蓋之間的間隙單邊磨損0.03～0.05 mm。

2.2.2 密封沖蝕情況分析

分流裝置的徑向密封保持完好，沒有沖蝕情況。軸向密封完好無(wú)損。分流裝置和射流元件配合緊密，密封完好。缸蓋與缸體配合徑向密封完好，未見沖蝕。

2.2.3 沖錘與砧子端面情況

沖錘錘頭和砧子端面相互撞擊產(chǎn)生微小變形，沖錘端面直徑從55.0 mm增至55.4 mm；砧子端面直徑從60.0 mm增至60.5 mm，砧子上無(wú)肉眼可見裂紋。

2.2.4 沖錘扶正塊單面磨損

沖錘扶正塊出現(xiàn)了明顯的單面磨損，扶正塊單面磨損量為0.4 mm。

試驗(yàn)結(jié)果表明：防托壓沖擊器在模擬水平井的試驗(yàn)時(shí)間達(dá)120 h，工作穩(wěn)定，仍可繼續(xù)工作；防托壓沖擊器的軸向、徑向密封完好，運(yùn)動(dòng)副表現(xiàn)出單面磨損，磨損量在0.06 mm以內(nèi)，沖錘錘頭與砧子端面的變形量在0.5 mm以下，防托壓沖擊器缸體組件的耐磨損時(shí)間在120 h以上，適用于水平井、定向井鉆井提速。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

盤40-斜501井是臨盤油田的一口滾動(dòng)勘探井，井型為定向井，設(shè)計(jì)井深為3 683.00 m，主要目的層為沙4下段。該井在鉆井施工過程中試驗(yàn)應(yīng)用了防托壓沖擊器，降摩減阻提速效果顯著。

3.1 應(yīng)用井段摩阻分析

摩阻是目前各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井作業(yè)中最突出的問題,尤其是在滑動(dòng)鉆進(jìn)中托壓、黏阻嚴(yán)重。因摩阻產(chǎn)生大扭矩使鉆柱發(fā)生屈曲，利用防托壓沖擊器產(chǎn)生軸向振動(dòng)，將靜摩擦轉(zhuǎn)化為動(dòng)摩擦，可以有效降低鉆柱摩阻。應(yīng)用摩阻軟件分析應(yīng)用井段的扭矩情況，結(jié)果如圖2、圖3所示。

由圖2、圖3可知，實(shí)鉆中扭矩明顯降低，表明防托壓沖擊器具有防摩減阻效果。

3.2 防托壓沖擊器參數(shù)優(yōu)化

在沖擊器臺(tái)架性能測(cè)試的基礎(chǔ)上，結(jié)合臨盤油田盤40-斜501井的鉆井設(shè)計(jì),對(duì)防托壓沖擊器性能參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整優(yōu)化，并進(jìn)行了性能測(cè)試。通過測(cè)試確定了工具的結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)，為后續(xù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)參數(shù)優(yōu)選提供了依據(jù)。

測(cè)試結(jié)果表明，沖擊器的沖擊力與沖擊頻率隨排量增大而增大。依據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)選出防托壓沖擊器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用參數(shù)，防托壓沖擊器行程為45 mm，錘重為63 kg，活塞直徑為85 mm，分流孔直徑為13 mm；其沖擊力為60～80 kN，頻率為8～10 Hz。

3.3 鉆具組合優(yōu)化

優(yōu)化鉆具組合為：φ215.9 mm PDC鉆頭+φ172.0 mm 1.5°螺桿+411×4A10回壓閥+4A11×4A10無(wú)磁定向接頭+φ165.1 mm無(wú)磁鉆鋌1根+4A11×410配合接頭+φ127.0 mm加重鉆桿×1柱+411×431配合接頭+φ177.8 mm防托壓沖擊器×2.6 m+φ127.0 mm加重鉆桿×5柱+φ127.0 mm鉆桿。

工作過程中，該沖擊器的振動(dòng)頻率保持不變，能量逐漸衰減。其沖擊力越大，對(duì)鉆柱的影響長(zhǎng)度越大，因此通過調(diào)整該沖擊器的沖擊力，可以調(diào)整其影響鉆柱的長(zhǎng)度?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，根據(jù)井身結(jié)構(gòu)、井眼直徑及鉆井參數(shù)優(yōu)化該沖擊器在鉆具組合中的位置。

3.4 應(yīng)用效果分析

共3套防托壓沖擊器在盤40-斜501井進(jìn)行了3井次的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，總進(jìn)尺1 080 m。地層為沙河街組沙4段，地層巖性主要為泥巖、砂巖及粉砂巖，應(yīng)用井段分別為2 598.00～2 979.00，2 984.00～3 343.00和3 343.00～3 683.00 m，第一、二井次工作時(shí)間分別為103和101 h，第三井次工作時(shí)間85 h，完鉆起鉆。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，定向順暢。在滑動(dòng)鉆進(jìn)中，機(jī)械鉆速較鄰井相近井段平均機(jī)械鉆速提高50%以上；在復(fù)合鉆進(jìn)中，機(jī)械鉆速較鄰井相近井段的平均機(jī)械鉆速提高30%以上，具體對(duì)比情況見表2。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用防托壓沖擊器并采用同一種鉆具組合可以進(jìn)行深部井段鉆進(jìn)直至完鉆，節(jié)省了用于更換鉆具組合的起下鉆時(shí)間。

4 結(jié) 論

1) 防托壓沖擊器應(yīng)用于定向井斜井段鉆進(jìn)時(shí)，滑動(dòng)鉆進(jìn)順利，鉆壓和立壓平穩(wěn)，防托壓效果明顯，工具面擺放更容易、更精準(zhǔn)。與同類工具相比，防托壓沖擊器性能參數(shù)可調(diào)，適用范圍更廣。

2) 防托壓沖擊器在水平井段的應(yīng)用效果和使用壽命還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證；防托壓沖擊器在鉆具組合中的位置還有較大的優(yōu)化空間，有必要深入開展相關(guān)理論研究。

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[編輯 滕春鳴]

Application of Reducing WOB Stack Impactor in Well Pan 40-Xie 501

Luo Hengrong1，Suo Zhongwei2，Tan Yong1，Zhang Renlong2，Li Chao1

(1.LinpanDrillingCompany，SinopecXinanOilfieldServiceCorporation，Linyi，Shandong，251507，China；2.SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering，Beijing，100101，China)

In order to solve reducing WOB stack of horizontal and directional wells，increase the ROP and shorten the period of drilling in Block 40 Linpan Oilfield, an impactor reducing WOB stack has been tested and applied. The feasibility of the impactor in horizontal and directional wells has been verified through the impactor simulation in horizontal wells, and its performance parameters and life evaluation have been tested. The test results showed the impactor had an impact force of 20-160 kN，impact frequency of 8-20 Hz，and working life of more than 120 h. According to the design of the wells, the friction of the drill string was simulated. On this basis, the BHA and drilling parameters were optimized. Field test of three sets of reducing weight stack preventing impactors were conducted in Well Pan 40-Xie 501 with a total footage of 1 080 m, and an effective working life of more than 100 h, and significant friction drag reduction. The results of application showed that the impactor was an effective tool to solve the friction problem in long horizontal section of horizontal and directional wells.

reducing WOB stack impactor；reduction of friction drag；increase ROP；Linpan Oilfield

2015-03-12；改回日期：2015-09-06。

羅恒榮(1970—)，男，云南云縣人，1993年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)鉆井工程專業(yè)，2007年獲中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油與天然氣工程專業(yè)工程碩士學(xué)位，高級(jí)工程師，主要從事鉆井技術(shù)研究工作。

?鉆采機(jī)械?

10.11911/syztjs.201505019

TE242

A

1001-0890(2015)05-0112-04

聯(lián)系方式：(0534)5051987，13953451809@139.com。