復合式扭力沖擊器在堅硬地層中的應用

蘇 嶄, 王 博, 蓋京明, 李 瑋*, 趙 歡, 陳冰鄧

(1.東北石油大學石油工程學院，黑龍江大慶 163318; 2.吉林油田鉆井工藝研究院，吉林松原 138000)

0 引言

我國深部地層油氣資源十分豐富，東部地區(qū)53億t的石油資源、中部地區(qū)52%的天然氣資源以及西部地區(qū)73%的石油資源均埋藏在深部，如何節(jié)約鉆井成本、提高機械鉆速已成為當前研究的重點[1-3]。

2000年，加拿大United Diamond公司提出了輔助PDC鉆頭破巖的扭力沖擊器的構想[4]；2010年，我國開始引進扭力沖擊器并應用于川東北地區(qū)元壩海相氣田、玉門鴨兒峽油田等研磨性強、可鉆性差的地層，但是引進手續(xù)復雜，金額較大，難以大范圍推廣應用[5]；2013年，許京國等研制的自激振蕩式沖擊鉆井工具以給PDC鉆頭施加軸向沖擊力的方式提高鉆頭的破巖效率[6]； 2016年，李瑋等研制的扭轉沖擊提速工具以給PDC鉆頭施加扭轉沖擊力的方式抑制其黏滑振動，提高鉆速[7]。2018年，李瑋等研制的脈沖射流式液動沖擊工具實現(xiàn)了液動沖擊與脈沖射流相結合破巖[8]。對鉆井提速工具的研究主要集中在單一方向施加一種或多種沖擊上，在軸向沖擊與扭轉沖擊協(xié)同破巖方面的研究還比較少[9]。

根據(jù)鉆井提速工具已有的研究成果和優(yōu)化方向，研制了復合式扭力沖擊器。復合式扭力沖擊器是我國擁有自主知識產權的鉆井提速工具，它可以將鉆井液的流體能量轉換成高頻的、周期性的扭轉和軸向沖擊力，抑制PDC鉆頭的黏滑效應，使鉆頭由單一持續(xù)的扭轉沖擊破巖轉變?yōu)榕まD和軸向沖擊相結合破巖。分析工具的工作原理，并在吉林油田營城組火成巖中進行應用，驗證其效果。

1 工具設計

1.1 工具結構

復合式扭力沖擊器的內部結構如圖1所示。該工具是純金屬機械件，沒有電子、橡膠部件，耐用性較強。

1—外殼接頭；2—T型內襯管；3—V型內襯管；4—內分流器；5—啟動器；6—液動錘；7—液動錘外殼；8—傳動短接圖1 工具內部結構Figure 1 Tool interior structure

1.2 工作原理

在鉆進過程中，PDC鉆頭要破壞巖石必須克服巖石的剪切應力，當鉆柱提供給鉆頭的扭矩小于巖石的剪切極限時，鉆頭不會隨鉆柱轉動，處于黏滯狀態(tài)；當扭矩累計到大于剪切極限時，鉆頭會發(fā)生突然轉動，將能量釋放出來， 此時鉆頭處于滑脫狀態(tài)，然后鉆頭又不動， 直到扭矩累積到一定程度導致下一次突然轉動[10-12]。PDC鉆頭的黏滯狀態(tài)和滑脫狀態(tài)是周期性轉變的，統(tǒng)稱為黏滑效應。黏滑效應會加速PDC鉆頭失效，降低機械鉆速[13-15]。

復合式扭力沖擊器的工作原理為：鉆井液流經液動錘外殼的A位置時，會產生一個推力，使液動錘帶動啟動器一起轉動，如圖2(a)；轉動到死點后，液動錘撞擊到液動錘外殼停止，產生工作周期內的第一次撞擊，此時液動錘外殼和液動錘的流道重合、打開，流進來的鉆井液會推動啟動器繼續(xù)旋轉，如圖2(b)；啟動器到達死點位置，如圖2(c)；隨后，在B位置產生一個推力，使液動錘帶動啟動器反方向旋轉，如圖2(d)；到達死點后，液動錘撞擊到液動錘外殼停止，產生工作周期內的第二次撞擊，流道打開，鉆井液流進來，使啟動器旋轉，如圖2(e)；最終工具達到圖2(f)的狀態(tài)，即回到圖2(a)的狀態(tài)，完成一個工作周期。如此反復，產生高頻低幅的扭轉沖擊力，直接傳遞給PDC鉆頭，能有效抑制黏滑效應，穩(wěn)定切削巖石。利用鉆井液的能量啟動并驅動液動錘時，會形成內外高低壓腔體，壓降的作用使液動錘產生軸向撞擊，使鉆頭由單一持續(xù)的扭轉沖擊破巖轉變?yōu)榕まD和軸向沖擊相結合破巖。

圖2 工具工作原理Figure 2 Tool working principles

2 工具性能

在石油鉆井中，地層巖石的可鉆性和研磨性是選擇鉆頭的重要依據(jù)之一[16-18]。2019年，吉林油田鉆井工藝研究院從吉林油田德惠區(qū)塊營城組取心進行測試。巖石可鉆性為6.8～8.7，可鉆性差，為中硬到堅硬難鉆巖石；巖石研磨性為6～8級，為中等研磨性到極高研磨性巖石。德惠區(qū)塊地層巖石硬度高，塑性系數(shù)低，可鉆性差，研磨性強，PDC鉆頭鉆進時，扭矩的變化幅度大，易產生黏滑效應[19-21](圖3)。

圖3 復合式扭力沖擊器對扭矩的影響Figure 3 Impact from compound torsional impacter on torque

由圖3可知，使用復合式扭力沖擊器時，扭矩的變化幅度變小，說明工具可以抑制 PDC 鉆頭的黏滑效應，延長鉆頭的使用壽命(表1、表2)。

表1 復合式扭力沖擊器結構參數(shù)

表2 復合式扭力沖擊器工作參數(shù)

3 現(xiàn)場試驗

3.1 J1井

3.1.1 現(xiàn)場試驗情況

2019年，吉林油田鉆井工藝研究院在吉林油田J1井進行了復合式扭力沖擊器的現(xiàn)場試驗。鉆具組合為：Φ215.9mmPDC鉆頭+430mm×410mm扭沖接頭+ Φ 180mm復合式扭力沖擊器+浮閥+變扣接頭+扶正器+變扣接頭+定位接頭+變扣接頭+Φ165mm無磁鉆鋌+Φ165mm鉆鋌×8根+變扣接頭+Φ127mm加重鉆桿×18根+Φ127mm鉆桿+方保+下旋塞。鉆頭為GS1655FGA2型鉆頭，六刀翼，噴嘴為14mm×6mm+16mm×2mm。

工具工作井段為2 387～2 986m，鉆遇地層為營城組營四段，巖性為灰色含礫砂巖、沉凝灰?guī)r、安山巖。工具的鉆壓為2～15t，轉速為65rpm，排量為30L/min，扭矩<24.6kN·m。該井的試驗結果為下井總時間212h，純鉆進時間185h，累計總進尺599m，平均機械鉆速3.23m/h。

3.1.2 提速效果

由圖4可知，下入工具后，鉆時明顯減小。復合式扭力沖擊器在灰色含礫砂巖、沉凝灰?guī)r、安山巖中的鉆速有一定差距：在相同鉆壓下，鉆頭鉆進灰色含礫砂巖的機械鉆速要高于鉆進安山巖和沉凝灰?guī)r的機械鉆速，其主要原因是安山巖和沉凝灰?guī)r的硬度高于灰色含礫砂巖，導致鉆進困難。通過比較可知，在該試驗井段，鉆進安山巖的最優(yōu)鉆壓為8～9t，鉆進沉凝灰?guī)r的最優(yōu)鉆壓為10～11t，鉆進灰色含礫砂巖的最優(yōu)鉆壓為7～8t。營城組營四段平均情況和試驗井段情況的對比如表3所示。

表3 進尺和機械鉆速對比

圖4 J1井鉆時分布Figure 4 Well J1 drilling time distributions

復合式扭力沖擊器將進尺提升至599m，較未使用工具時提高91%；機械鉆速3.23m/h，較未使用工具時提高61%。運用復合式扭力沖擊器鉆井時，PDC鉆頭磨損較輕，如圖5所示，工具能有效保護鉆頭切削齒，延長鉆頭使用壽命。

圖5 未使用工具和使用工具的起鉆后鉆頭情況Figure 5 Bit situations after drill string lifting in casesof without and with tool use

3.2 J2井

3.2.1 現(xiàn)場試驗情況

2019年，吉林油田鉆井工藝研究院在吉林油田J2井進行了復合式扭力沖擊器的現(xiàn)場試驗。鉆具組合為Φ 215.9mmPDC鉆頭+ 430mm×410mm扭沖接頭+ Φ 180mm復合式扭力沖擊器+ 410mm×411mm單流閥+ 410mm×411mm托盤接頭+7寸無磁鉆鋌+ Φ 210mm扶正器+7寸鉆鋌×9+ Φ 165mm鉆鋌×15+ 410mm×411mm旁通閥+ Φ 127mm鉆桿。鉆頭為gs616型鉆頭，六刀翼，噴嘴為12.7mm×3mm+13.5mm×3mm。

工具工作井段為3 586～3 898m，鉆遇地層為營城組營一段，巖性為火山角礫巖和角礫溶巖。工具的鉆壓為2～15t，轉速為50～90r/min，排量為30～32L/min，扭矩<24.6kN·m。該井的試驗結果為：下井總時間180h，純鉆進時間147h，累計總進尺312m，平均機械鉆速2.12m/h。

3.2.2 提速效果

由圖6可以看出在下入工具后，鉆時明顯減小，后期由于深井巖石硬度增加，鉆時又略有上升。通過比較鉆時分布曲線和各井段鉆進參數(shù)可知，鉆進火山角礫巖的最優(yōu)鉆壓為9～10t，鉆進角礫溶巖的最優(yōu)鉆壓為10～11t。營城組營一段平均情況和試驗井段情況的對比如表4所示。

圖6 J2井鉆時分布Figure 6 Well J2 drilling time distributions

表4 進尺和機械鉆速對比

使用復合式扭力沖擊器后，進尺較未使用工具時提高134%；機械鉆速較未使用工具時提高116%。工具能夠為PDC鉆頭提供恒定的扭矩，有效保護鉆頭，延長鉆頭的使用壽命。

4 結論

1)設計了一種復合式扭力沖擊器，該工具獨特的流道結構可以將鉆井液的流體能量轉換成高頻的、周期性的扭轉和軸向沖擊力，抑制PDC鉆頭的黏滑效應，使鉆頭由單一持續(xù)的扭轉沖擊破巖轉變?yōu)榕まD和軸向沖擊相結合破巖。工具能夠有效保護PDC鉆頭的切削齒，提高機械鉆速。

2)在J1井，復合式扭力沖擊器井下進尺較未使用工具時提高91%；機械鉆速較未使用工具時提高61%。

3)在J2井，復合式扭力沖擊器井下進尺較未使用工具時提高134%；機械鉆速較未使用工具時提高116%。