研發(fā)一種石油天然氣鉆井液動(dòng)力扭轉(zhuǎn)沖擊裝置

劉升旗

摘 要：石油天然氣鉆井液動(dòng)力扭轉(zhuǎn)沖擊裝置：在用PDC鉆頭鉆難鉆進(jìn)地層時(shí)，通常沒有足夠的扭矩來破碎地層，從而使鉆頭瞬間停止轉(zhuǎn)動(dòng)，扭轉(zhuǎn)能量在鉆柱中儲(chǔ)存，鉆柱會(huì)像發(fā)條一樣扭緊，一旦產(chǎn)生了剪切破碎地層所需的扭矩，鉆柱儲(chǔ)存能量便會(huì)瞬間釋放開來，在PDC齒上施加比平常高得多的沖擊載荷，最終使金剛石齒破碎并導(dǎo)致鉆頭失效。鉆井液動(dòng)力扭轉(zhuǎn)沖擊裝置被直接安裝在PDC鉆頭的上方，使用鉆井作業(yè)過程中使用的高壓鉆井液介質(zhì)為動(dòng)能，使沖擊裝置能給鉆頭施加一種高頻扭轉(zhuǎn)沖擊力和高頻上下沖擊力，能直接對鉆頭產(chǎn)生很高的功率，從而消除鉆頭的粘—滑—卡現(xiàn)象，大幅提高機(jī)械鉆速進(jìn)尺，延長鉆頭壽命。該扭轉(zhuǎn)沖擊裝置申報(bào)獲得兩項(xiàng)專利，一項(xiàng)發(fā)明專利：201310108104；一項(xiàng)實(shí)用新型專利：201320153703。

關(guān)鍵詞：鉆井工程 鉆井技術(shù) PDC鉆頭 機(jī)械鉆速 扭轉(zhuǎn)沖擊發(fā)生器（TorkBuster） 扭力沖擊發(fā)生器 阿特拉 卡—滑 提速 鉆井液 滑—卡 難鉆地層 剪切破巖

中圖分類號：TE242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（a）-0119-03

伴隨社會(huì)進(jìn)步發(fā)展，人類對石油、天然氣能源需求越發(fā)依賴。石油、天然氣的開采量越來越大，易采區(qū)域正在逐年萎縮，難采區(qū)的鉆探開采逐年增加，難鉆地層的鉆井成本也在翻倍增長。目前世界各鉆井平臺(tái)在難鉆地層提高機(jī)械鉆速和降低成本方案是，使用聯(lián)合金剛石公司（United Diamond）和阿特拉公司（Ulterra）合作研發(fā)的“扭力沖擊發(fā)生器”（TorkBuster）。在元壩區(qū)應(yīng)用分析得出結(jié)論：（1）“TorkBuster扭力沖擊器+PDC鉆頭”鉆進(jìn)較牙輪鉆頭提速效果明顯，機(jī)械鉆速提高3倍以上。（2）在現(xiàn)場應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)地層巖性、研磨性等相關(guān)因素選擇和調(diào)整相應(yīng)鉆頭類型，將TorkBuster扭力沖擊器的提速作用發(fā)揮到最大。（3）對TorkBuster扭力沖擊器做進(jìn)一步改進(jìn)，使之能在高固相水基泥漿中也能正常持續(xù)高效率地工作。（4）在元壩地區(qū)的應(yīng)用為后續(xù)該技術(shù)的實(shí)施積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。為降低采購成本，盡快實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化研發(fā)使用。

為了打破國外在該領(lǐng)域技術(shù)壟斷，我公司與2010年開始展開“石油天然氣鉆井液動(dòng)力扭轉(zhuǎn)沖擊裝置”研發(fā)工作。經(jīng)歷數(shù)次結(jié)構(gòu)調(diào)整，幾種備選鋼種試樣力學(xué)性能測試、化學(xué)分析、及熱處理工藝改進(jìn)，最終在2013年研制成功。通過在新疆油田、勝利油田、川東北的油氣田進(jìn)行鉆井試驗(yàn)，使用壽命和機(jī)械鉆速等各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于“TorkBuster扭力沖擊器”。獲得兩項(xiàng)專利，一項(xiàng)發(fā)明專利：201310108104；一項(xiàng)實(shí)用新型專利：201320153703?！笆吞烊粴忏@井液動(dòng)力扭轉(zhuǎn)沖擊裝置”的研發(fā)成功，打破了國外此領(lǐng)域的技術(shù)壟斷，降低了我國采購成本，提高我國在難鉆地層開采速度。

1 工藝總體技術(shù)方案

1.1 研發(fā)背景

提速是鉆井工程永恒的主題。隨著鉆井深度的不斷增加，鉆遇地層日益復(fù)雜，一方面，難鉆地層的機(jī)械鉆速有待提高；另一方面，作為石油鉆井的主力鉆頭—PDC鉆頭的卡—滑現(xiàn)象亟待解決。在正常鉆井條件下，多晶金剛石復(fù)合片（PDC）鉆頭能以極高的速度和效率鉆穿地層。但是，PDC鉆頭在堅(jiān)硬、固結(jié)巖層中會(huì)降低切削深度。這也意味著PDC切刀必須依靠研磨地層鉆進(jìn)，而不是剪切地層，這就會(huì)降低鉆速（ROP），大大增加刀片磨損度。隨著地層張力的增加，需要加大鉆壓（WOB），維持有效切削深度。鉆壓（WOB）增加常會(huì)引起“卡—滑”現(xiàn)象。在用鋒利PDC鉆頭鉆這些難度大的地層時(shí)候，鉆頭會(huì)隨時(shí)停轉(zhuǎn)，直至有足夠的扭矩來剪切開巖層。由于扭矩能量寄存其中，鉆具會(huì)打卷扭曲。一旦所需扭矩產(chǎn)生足夠多，鉆頭將會(huì)以高于普通鉆頭的轉(zhuǎn)速破巖。這種猛烈變化沖擊動(dòng)作就稱之為“卡—滑”，最終會(huì)破壞鉆頭嵌入金剛石的完整性，導(dǎo)致切刀受損，鉆頭失效?？ā瑢?dǎo)致鉆柱扭轉(zhuǎn)振蕩、鉆進(jìn)過程不穩(wěn)定，以剪切破巖為機(jī)理的PDC鉆頭普遍存在卡滑問題，平均每10s發(fā)生1次卡—滑。這種劇烈不穩(wěn)定的鉆進(jìn)不但容易造成復(fù)合切削片崩齒，導(dǎo)致PDC鉆頭失效，也易使鉆頭松扣，誘發(fā)井下事故；而且鉆柱配套部件及井下工具組合受力工況惡劣，疲勞強(qiáng)度和使用壽命低，也在一定程度上降低了鉆井效率。

1.2 研發(fā)目的

‘石油天然氣鉆井液動(dòng)力扭轉(zhuǎn)沖擊裝置研發(fā)總體設(shè)計(jì)方案分成兩大內(nèi)容：第一利用高壓鉆井液作為動(dòng)力源，液壓傳動(dòng)原理為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，通過對結(jié)構(gòu)零件形狀設(shè)計(jì)，能產(chǎn)生高頻脈沖扭矩沖擊力，達(dá)到破巖剪切功效，解決“卡—滑”現(xiàn)象，提高機(jī)械鉆速。第二井下環(huán)境條件惡略，產(chǎn)品要具有高耐磨性、高硬度、高強(qiáng)度、高韌性、高抗沖擊性、高耐腐蝕性、高耐高溫性等特點(diǎn)。

1.3 結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì)

我們引用液壓動(dòng)力原理技術(shù)，通過流體導(dǎo)向分布及形狀結(jié)構(gòu)科技技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生高頻沖擊脈沖。利用鉆井時(shí)所用的高壓鉆井液壓力作為動(dòng)能，經(jīng)過一級變徑節(jié)流使鉆井液一分為二形成兩個(gè)有壓差的壓力腔，經(jīng)過機(jī)械機(jī)構(gòu)改變壓力液體流體導(dǎo)向，使工作壓力腔產(chǎn)生上下沖擊動(dòng)作；經(jīng)過一級做功后的液體和一級節(jié)流減壓過的液體合流后，進(jìn)行二級變徑節(jié)流再次形成兩個(gè)有壓差的壓力腔，同樣經(jīng)過機(jī)械機(jī)構(gòu)改變壓力液體流體導(dǎo)向，使工作壓力腔產(chǎn)生左右沖擊動(dòng)作；這樣沖擊裝置就產(chǎn)生左右旋轉(zhuǎn)沖擊和上下竄動(dòng)沖擊的三維立體高頻沖擊脈沖，沖擊頻率600～1300次/min。在鉆井過程中，旋轉(zhuǎn)動(dòng)力系統(tǒng)將扭矩傳遞給PDC鉆頭同時(shí)，由鉆井液壓力為動(dòng)力，“石油天然氣鉆井液動(dòng)力扭轉(zhuǎn)沖擊裝置”產(chǎn)生的高頻沖擊脈沖動(dòng)力，進(jìn)行脈動(dòng)沖擊破巖。由原來對堅(jiān)硬巖石的一層層研磨刮削變成把巖石沖擊破碎；就像一下子把普通鉆變成沖擊鉆一樣，提高鉆頭壽命和掘進(jìn)速度。

1.4 材料選用和熱處理工藝

考慮項(xiàng)目產(chǎn)品特殊的應(yīng)用環(huán)境，要經(jīng)受鹽、氯離子、二氧化碳、硫化氫、硫化物、酸、堿、含有腐蝕性化合物的水等多種腐蝕性介質(zhì)的強(qiáng)烈腐蝕，及砂粒等磨礪性顆粒的強(qiáng)力磨損，條件極其苛刻。如何解決石油天然氣鉆井液動(dòng)力扭轉(zhuǎn)沖擊裝置提速工具嚴(yán)重腐蝕與磨損問題，提高和延長其使用壽命，是一項(xiàng)重要研發(fā)內(nèi)容。

本項(xiàng)目裝置采用新型高強(qiáng)度、耐腐蝕的鋼材料制造，按重量百分比計(jì)主要以鐵元素為基礎(chǔ)，包含有一定量的鉻、錳元素，并含有少量的、鎳、鉬和銅元素以及微量的碳、鈮和鈦元素，不但增強(qiáng)了鋼材的機(jī)械性能，還大幅度地提高了鋼材的高抗介質(zhì)腐蝕性，其抗摩擦性能是20CrMoNi的16倍，抗腐蝕性能是20CrMoA的50倍，是一種節(jié)Ni、Mo型新材料，解決多種腐蝕性介質(zhì)的強(qiáng)烈腐蝕問題，保護(hù)鉆頭和井下工具，延長鉆頭使用壽命。

零件用新鋼種胚料經(jīng)過鍛造成零件毛坯，為了提高材料易加工性，進(jìn)行正火熱處理后粗加工，粗加工后零件進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)后零件進(jìn)行半精加工，半精加工后零件進(jìn)行淬火、回火熱處理，處理好的零件進(jìn)行磨床磨削精加工，完成以上工藝后對零件進(jìn)行真空離子氮化工藝。經(jīng)熱處理后的零件深部硬度在45-48HRC，表面硬度在61-63HRC，零件具有良好的抗沖擊韌性、高耐磨的表面硬度和優(yōu)越的耐腐蝕性。

2 技術(shù)性能

主要技術(shù)參數(shù)表。（見表1）

3 應(yīng)用案例

2012年2月在勝利油田樊55井3198.06-3430m井段，使用鉆井液動(dòng)力扭轉(zhuǎn)沖擊裝置提速工具+PDC鉆頭，平均機(jī)械鉆速5.68m/h，是同井單純使用PDC鉆頭的2.27倍。

2012年2月在勝利油田高946井3265-3515m井段，使用鉆井液動(dòng)力扭轉(zhuǎn)沖擊裝置提速工具+PDC鉆頭，平均機(jī)械鉆速5.75m/h，是同井單純使用PDC鉆頭的1.99倍。

鉆井液動(dòng)力扭轉(zhuǎn)沖擊裝置在高946井實(shí)測扭矩及鉆時(shí)對比。（見圖1）

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）“鉆井液動(dòng)力扭轉(zhuǎn)沖擊裝置”能大大消減在硬地層鉆進(jìn)時(shí)的“卡—滑”現(xiàn)象。減輕鉆柱扭轉(zhuǎn)振蕩，能夠有效保護(hù)鉆頭和鉆具等配套部件，有效降低鉆井成本。

（2）該項(xiàng)技術(shù)消除了井下鉆頭運(yùn)動(dòng)時(shí)可能出現(xiàn)的一種或多種振動(dòng)現(xiàn)象，使整個(gè)鉆柱的扭矩保持穩(wěn)定和平衡，使鉆頭不需要等待扭力積蓄足夠的能量就可以切削地層。

（3）“鉆井液動(dòng)力扭轉(zhuǎn)沖擊裝置+PDC鉆頭”鉆頭提速效果明顯，機(jī)械鉆速和單只鉆頭進(jìn)尺提高3倍以上。

（4）經(jīng)濟(jì)性分析表明，鉆井實(shí)際使用中PDC鉆頭加“鉆井液動(dòng)力扭轉(zhuǎn)沖擊裝置”鉆井技術(shù)與牙輪鉆頭常規(guī)鉆井技術(shù)的單位成本相當(dāng)，或者更低。

（5）“鉆井液動(dòng)力扭轉(zhuǎn)沖擊裝置”基本解決了PDC鉆頭在復(fù)雜地層壽命短和機(jī)械鉆速低的難題，其輔助PDC鉆頭鉆井工藝打破了對PDC鉆頭使用的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，該工具的推廣應(yīng)用應(yīng)會(huì)拓展PDC鉆頭應(yīng)用的范圍，在適于PDC鉆頭鉆進(jìn)的地層使用，會(huì)獲得更好的提速效果和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔡瑞達(dá)，張?jiān)ゴ?元壩地區(qū)提速技術(shù)在元壩272H井的應(yīng)用及后續(xù)鉆井方案論證[J].西部探礦工程，2012（2）：67-71.

[2] 孫起昱，張雨生，李少海，等.鉆頭扭轉(zhuǎn)沖擊器在元壩10井的試驗(yàn)[J].石油鉆探技術(shù)，2010，38（6）：84—87.

[3] 張克勤.元壩地區(qū)鉆井難題分析與技術(shù)對策探討[J].石油鉆探技術(shù)，2010，38（3）：27—31.

[4] 郭元恒，何世明，宋建偉，等.Tork Buster扭力沖擊器在元壩地區(qū)提高鉆速中的應(yīng)用[J].天然氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2012（3）：52—54，79.