扭力沖擊器在新疆地區(qū)的應用研究

楊鎮(zhèn)榜，朱忠喜，林瀚

長江大學石油工程學院油氣鉆井技術(shù)國家工程實驗室防漏堵漏技術(shù)研究室，湖北 武漢 430100

扭力沖擊器在新疆地區(qū)的應用研究

楊鎮(zhèn)榜，朱忠喜，林瀚

長江大學石油工程學院油氣鉆井技術(shù)國家工程實驗室防漏堵漏技術(shù)研究室，湖北 武漢 430100

新疆某井A位于克拉瑪依東約35km，區(qū)域位于準葛爾盆地，地質(zhì)條件復雜。在地層深度2500～3300m的井段，PDC鉆頭鉆進困難，鉆速緩慢，于是使用了扭力沖擊器提速。分析了扭力沖擊器在A井的適用性，與鄰井相比，鉆速可提高138%；與上下鄰井段相比，可使鉆速提高286%，并且有效減少了鉆頭黏滑現(xiàn)象，延長了鉆頭使用壽命，這為該區(qū)塊的鉆井提速提供了新途徑。

PDC鉆頭；鉆速；扭力沖擊器；新疆地區(qū)

A井下部井段機械鉆速低，在下克拉瑪依組、上烏爾禾組、夏子街組存在夾層，相對于鄰井地層可鉆性差。在上述地層中，牙輪鉆頭的磨損情況較為嚴重，于是改用PDC鉆頭。使用PDC鉆頭時，在該地層又發(fā)生了黏滑現(xiàn)象，導致鉆頭的鉆速較慢且總進尺短。所以加強鉆頭的抗研磨性十分關(guān)鍵，同時鉆頭的機械鉆速和進尺也能得到提高。通過現(xiàn)場使用扭力沖擊器，成功提升了機械鉆速，克服了黏滑現(xiàn)象，提高了機械鉆速。

1 扭力沖擊器的工作原理及技術(shù)特點

1.1 工作原理

井下PDC鉆頭的運動并不是規(guī)則的，包括橫向、縱向扭向振動以及它們的組合，圖1中為幾種井下鉆具工作情況：(a)表示鉆頭在井底正常鉆進的理想情況，該情況在實際現(xiàn)場中很少出現(xiàn)；(b)表示鉆頭吃入地層不足時，鉆頭出現(xiàn)短暫的卡頓，此時能量漸漸聚集到鉆頭上；(c)表示鉆頭被卡住后無法繼續(xù)轉(zhuǎn)動，但是上部轉(zhuǎn)盤依然還在旋轉(zhuǎn)，導致鉆柱被扭曲，扭矩全部蓄積在鉆柱上；(d)表示當扭矩聚集到足夠大足以破碎地層時，鉆柱扭矩突然釋放，此時鉆頭會突然加速并破巖。由于鉆頭瞬間承受巨大壓力，多次經(jīng)歷以上過程后鉆頭會被磨損，PDC切削齒會被破壞，從而導致鉆頭壽命降低，同時在這種卡鉆后瞬間滑動的過程也會產(chǎn)生不規(guī)則井眼從而降低井身質(zhì)量；(e)表示使用扭力沖擊器的工作情況，由于其高頻均勻的沖擊，鉆頭不會出現(xiàn)黏滑現(xiàn)象而是快速穩(wěn)定地在地層中鉆進。

圖1 井底鉆頭及鉆具組合示意圖

扭力沖擊器是一種通過鉆井液能量產(chǎn)生高頻機械振動從而改變PDC鉆頭運動方式的提速工具。扭力沖擊器結(jié)構(gòu)如圖2所示，當井下扭力沖擊器工作時，鉆井液流量分配器將進入沖擊器內(nèi)部的鉆井液分配到管狀接頭內(nèi)。位于接頭內(nèi)的2個動力錘在鉆井液能量帶動下開始相互轉(zhuǎn)動，驅(qū)動短節(jié)內(nèi)的驅(qū)動軸將該過程所產(chǎn)生的沖擊能量集中均勻地傳送到鉆頭上，這使得鉆頭對地層產(chǎn)生了穩(wěn)定均勻且高頻的沖擊力，鉆頭此時切削地層的速度提高到800～1600次/min，PDC鉆頭的運動方式從根本上改變了。此時扭力沖擊器產(chǎn)生的力直接作用在鉆頭上，鉆柱不會產(chǎn)生過量載荷，大大降低了黏滑現(xiàn)象，并且提高了鉆速，延長了鉆頭總進尺[1～4]。

圖2 扭力沖擊器結(jié)構(gòu)

1.2 技術(shù)特點

扭力沖擊器內(nèi)部結(jié)構(gòu)堅實牢靠，沒有橡膠件和電子件，即使出現(xiàn)失效的情況，也只會造成機械鉆速的降低而不會引起其他事故，因此安全可靠。同時，扭力沖擊器不僅可以提高機械鉆速，還可以在一定程度上防止井斜，從而提高井身質(zhì)量。扭力沖擊器由鉆井液的能量帶動，因此鉆井液的流量越大，扭力沖擊器的沖擊頻率越高，對鉆速的提升以及克服黏滑現(xiàn)象的能力也就越大。由于扭力沖擊器是穩(wěn)定高頻沖擊，普通牙輪鉆頭無法承受，所以通常在PDC鉆頭上使用，通過扭力沖擊器的高頻振動來減小或消除鉆頭吃入地層時的黏滑現(xiàn)象，提高機械鉆速并延長PDC鉆頭的壽命。

2 扭力沖擊器在A井的應用分析

2.1 扭力沖擊器應用情況

A井井深3625m，使用牙輪鉆頭和普通PDC鉆頭鉆完一開、二開，三開在二疊系白堿灘組及上克拉瑪依組井深2640～2922m井段使用MS1952SS型號PDC鉆頭，遭遇夾層使得效果較差，機械鉆速僅為1.75m/h。提速換鉆頭在上克拉瑪依組及下克拉瑪依組井深2922～2964m井段使用MS1953SS型號PDC鉆頭加螺桿組合，由于遭遇夾層，效果同樣較差，機械鉆速僅為0.97m/h。此時提速使用阿特拉?215.9mmPDC鉆頭U513S加扭力沖擊器，大幅提升了機械鉆速，在下克拉瑪依組、上烏爾禾組、夏子街組2964～3625m的井段機械鉆速為3.75m/h，該井段進尺為661m。A井使用鉆井參數(shù)為鉆壓120kN，泵排量為28L/s，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為60r/min，鉆井液密度為1.32g/cm3，含砂量為0.3%。

使用的鉆具組合為?215.9mm鉆頭×0.23m+?181mm扭力沖擊器×0.79m+4A0×411接頭×0.47m+?158.75mm鉆鋌2根×18.4m+?214mm穩(wěn)定器×1.38m+?158.75mm鉆鋌21根×191.93m+4A1×410接頭×0.36m+?127mm鉆桿355根×3400.23m+?133mm方鉆桿×11.21m。

2.2 使用效果分析

2.2.1 地層巖性

扭力沖擊器使用地層為下克拉瑪依組下部、上烏爾禾組和夏子街組，其中下克拉瑪依組下部巖性為灰色砂礫巖夾薄層泥巖，上烏爾禾組為棕褐色、綠灰色礫巖夾褐色砂質(zhì)泥巖，夏子街組為雜色小礫巖、褐灰色砂礫巖、含礫巖質(zhì)細砂巖。該井段地層以礫巖為主。

2.2.2 與鄰井段對比

如圖3所示在2640～2922m井段使用單只PDC鉆頭，由于遭遇夾層，機械鉆速僅為1.75m/h，進尺282m。鉆至2922m后提換鉆頭并搭配螺桿，并鉆至2964m，進尺42m。由于存在夾層，該井段機械鉆速僅為0.97m/h，且黏滑現(xiàn)象嚴重，鉆至2964m后，更換阿特拉PDC鉆頭并且使用扭力沖擊器，鉆至3625m后，使用扭力沖擊器，機械鉆速立即提升為3.75m/h，對比上部井段提升了286%?？梢妼τ趶碗s地層，使用扭力沖擊器可以大幅提高機械鉆速，延長鉆頭壽命，并且在一定程度上預防復雜事故。

圖3 A井不同井段機械鉆速對比

2.2.3 與同地層鄰井對比

A、B、C、D這4口井處于同一區(qū)塊，在該區(qū)塊上烏爾禾組、夏子街組位于2900～3700m，上述4口井全部采用PDC鉆頭進行鉆進，表1為4口同地層鉆井情況的對比，可以看出，在2900～3700m的不同井的對比中，由于存在夾層，單純使用PDC鉆頭鉆速較慢，而使用了扭力沖擊器的A井機械鉆速明顯高于附近未使用扭力沖擊器的B、C、D井，與B井相比鉆速提高了138%。

表1 4口井同地層鉆井情況的對比

3 結(jié)論和建議

1)扭力沖擊器在新疆地區(qū)A井的應用大大提高了機械鉆速，與上部井段相比鉆速提高了286%。在礫巖為主且含夾層的地層中，PDC鉆頭黏滑現(xiàn)象嚴重，使用扭力沖擊器可以大大避免該類情況，增加機械鉆速。

2)使用扭力沖擊器相對比鄰井未使用扭力沖擊器在同地層中的鉆進相比，機械鉆速明顯提升，最大可提升138%，表明扭力沖擊器對含夾層的復雜地層鉆進具有一定的提升作用。

3)扭力沖擊器使得A井節(jié)省了大量的經(jīng)濟投入，縮短了鉆井周期，降低了鉆井成本，具有廣闊的前景和經(jīng)濟效益。

4)該技術(shù)成功的應用為復雜地層鉆井提供了寶貴的經(jīng)驗，建議大力發(fā)展該技術(shù)，并在同類地層鉆井中推廣開來。

[1]呂曉平，李國興，王震宇，等.扭力沖擊器在鴨深1井志留系地層的試驗應用[J].石油鉆采工藝，2012，34(2)：99～101.

[2]郭元恒，何世明，宋建偉，等.TorkBuster扭力沖擊器在元壩地區(qū)提高鉆速中的應用[J]天然氣技術(shù)與經(jīng)濟，2012,6(3)：52～54.

[3]張云連.沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井工具的發(fā)展現(xiàn)狀及應用研究[J].石油礦場機械，2001,30(5):12～14.

[4]周祥林，張金成，張東清. TorkBuster扭力沖擊器在元壩地區(qū)的試驗應用[J].鉆采工藝，2012，35(2)：15～17.

[編輯] 帥群

2016-06-10

國家自然科學基金項目(51202024)。

楊鎮(zhèn)榜(1993-)，男，碩士生，主要從事鉆井工藝方面的學習與研究，yangzhenbang0116@163.com。

TE242

A

1673-1409(2017)15-0043-03

[引著格式]楊鎮(zhèn)榜，朱忠喜，林瀚.扭力沖擊器在新疆地區(qū)的應用研究[J].長江大學學報(自科版), 2017,14(15):43～45.