恒壓恒扭工具在渤海油田中的應用

陳冬毅 徐 鯤 張作偉 呂 廣 張 鑫 郭小明

（1、中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459 2、中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司，天津 300450）

隨著渤海油田開發(fā)的不斷深入，淺層易開采地層越來越少[1]，近年來，主要勘探渤海深層難開發(fā)地層，而這類地層主要含砂礫巖、礫細砂巖、細砂巖夾灰質(zhì)泥巖[2]，該類地層膠結比較致密、硬度大、抗壓強度較高、縱向上地層非均質(zhì)性強，研磨性強，并且地層軟硬交錯變化比較大，鉆進時易頻繁出現(xiàn)憋鉆和跳鉆等現(xiàn)象；在鉆定向井過程中，定向井軌跡復雜，井眼軸線彎曲度較大，鉆桿易與井壁產(chǎn)生很大摩擦，鉆桿施加在鉆頭上的鉆壓減少，尤其是大斜度井和水平井，托壓現(xiàn)象很嚴重，嚴重降低鉆井速度；鉆頭和鉆桿之間是剛性連接，地層不均質(zhì)，當鉆頭受到地層非正常的沖擊時，容易造成鉆頭切削齒過早磨損，存在機械鉆速低，鉆井周期長，鉆井成本高等問題[3,4]。

通過對鉆井過程中鉆頭破巖機理分析和大量實踐證明，鉆進時扭矩是間斷性傳遞到鉆頭上的，鉆頭受到軸向的沖擊力和周向扭力，能夠使鉆頭振動和滑動，并且鉆壓時刻在波動，導致鉆頭在鉆進過程中穩(wěn)定性變差，鉆頭受到較強的沖擊力，出現(xiàn)崩齒、掉齒等現(xiàn)象，損壞鉆頭，降低鉆頭使用壽命[5-7]。針對此問題，如果井底鉆具能夠提供給鉆頭穩(wěn)定并且持續(xù)不斷的扭矩，并且還能提升鉆頭連續(xù)觸地層的能力，就會大幅度提高鉆頭的破巖效率，從而提高鉆井時效[8]，本文以恒壓恒扭工具為研究對象，分析其在渤海區(qū)塊鉆井中的適應性，并以后鉆井提供技術參考。

1 恒壓恒扭工具鉆井提速技術

1.1 結構

恒壓恒扭工具主要由動力鉆具和轉(zhuǎn)速鉆壓恒定器組成。該工具的核心部分轉(zhuǎn)速鉆壓穩(wěn)定器，其包括水動力轉(zhuǎn)化器、周向脈沖動力發(fā)生器和鉆壓波動控制器組成[8]。

1.2 工作原理

鉆井液通過水動力轉(zhuǎn)換器將軸向水動力轉(zhuǎn)換成周向持續(xù)不斷的扭矩動力；周向脈沖動力發(fā)生器為鉆頭提供周向的高頻沖擊載荷，輔助PDC鉆頭破巖，降低了粘滑現(xiàn)象和定向井作業(yè)過程中發(fā)生托壓的概率；鉆壓波動控制器為鉆頭提供連續(xù)的穩(wěn)定鉆壓，消除憋鉆、跳鉆現(xiàn)象，將鉆壓控制在合理的范圍之內(nèi)，能極大地提高機械鉆速和鉆頭使用壽命，提高鉆井效率[7]。

1.3 技術優(yōu)勢

通過調(diào)研和現(xiàn)場實踐表明，恒壓恒扭工具常用的技術參數(shù)如表1所示。應用恒壓恒扭工具使井下近鉆頭部分的鉆具輸出扭矩大，隨著工具本體尺寸的增加，輸出扭矩增大，在本體尺寸為286mm時，輸出扭矩可達到34kN·m，鉆頭相匹配的恒壓恒扭工具的輸出扭矩能夠滿足施工條件；在低扭矩載荷情況下，該工具輸出的轉(zhuǎn)速比螺桿工具低，有利于延長PDC鉆頭的使用壽命，增加鉆頭進尺。井下使用壽命較長達到了300h，循環(huán)時間最低為180h，最高為240h，降低起鉆次數(shù)，增加鉆井時效。工具內(nèi)部使用耐腐蝕配件，可耐油基和高濃度鹽水的鉆井液；抗溫性強，最高抗溫180℃，耐壓可達到35MPa。在能量轉(zhuǎn)換和傳遞方面，能量損失較小，壓耗遠低于螺桿鉆具，與其他鉆具相比不存在高泵壓作業(yè)的風險，降低安全事故發(fā)生的概率。恒壓恒扭工具沖擊頻率較高，單位時間內(nèi)增加破巖效率，有利于快速鉆進。恒壓恒扭工具能夠適當調(diào)整角度，可以適當提高井眼擴大率，方便后續(xù)下套管等作業(yè)。

表1 恒壓恒扭工具技術參數(shù)

1.4 恒壓恒扭工具和馬達的對比

渤海某井基本參數(shù)如表2所示，鉆進參數(shù)如表3所示。

表2 某井基本參數(shù)

表3 鉆井參數(shù)

同井段作業(yè)中，恒壓恒扭工具的機械鉆速比馬達機械鉆速提升了25%，提速效果明顯。

2 恒壓恒扭工具的應用

2.1 油田地質(zhì)簡介與工程概況

龍口25-2構造位于渤南低凸起向黃河口凹陷傾沒的斷階帶上，南部渤中36-1油田及西部渤中29-6油田的成功勘探證明，本構造處于油氣從黃河口東洼及黃河口中洼兩個生烴凹陷向渤南低凸起運移的有利區(qū)帶，該構造整體埋深較淺，構造區(qū)內(nèi)次生斷層發(fā)育，具有優(yōu)越的運聚條件，研究區(qū)發(fā)育多條強活動斷層，淺層亮點發(fā)育，表明油氣運移活躍。油田鉆遇地層自上而下為：平原組、明化鎮(zhèn)組、館陶組和中生界。本井設計的井身結構：20"&13-3/8"×416.09 m/16"×428.00 m+9-5/8"×1702.65 m/12-1/4"×1705.00 m+8-1/2"×1823.00 m。LK25-2-1井為龍口25-2區(qū)塊第1口探井，由于地層缺失，在1705m就鉆進潛山地層，其中1705～1796m蝕變安山巖：灰色，少量黃褐色，成分主要為長石，少量角閃石，部分長石風化成高嶺土，角閃石局部綠泥石化；1796～1823m安山巖：灰色，部分深灰色，成分主要為長石，少量角閃石，角閃石局部綠泥石化，致密，堅硬。中生界巖石可鉆性差，研磨性強，不易打鉆，應用普通馬達難以提升機械鉆速，對鉆頭磨損比較嚴重，增加施工成本，在三開8-1/2"井眼段應用恒壓恒扭提速工具。

2.2 鉆具組合及參數(shù)優(yōu)選

鉆具組合為：8-1/2"BTS545+6-3/4"恒壓恒扭工具+6-1/2"DC+8-1/2"STB+7"堵漏短節(jié)+6-1/2"DC×15+5"HWDP×14。鉆 井 參 數(shù)：鉆 壓3～8t，排 量1700～2000L/min，泵壓9～12MPa，轉(zhuǎn)速40～60r/min，扭矩2～7kN·m，機械鉆速為13.9 m/h，累計進尺118m，純鉆時間為8.5 h。該鉆具組合一趟完成本次鉆井作業(yè)，應用恒壓恒扭提速工具可以有效保護鉆頭，為鉆頭提供穩(wěn)定扭矩；出井鉆頭基本無磨損。恒壓恒扭提速工具能夠有效提升鉆井速度，機械鉆速達到相關要求。

3 結論

3.1 恒壓恒扭工具性能穩(wěn)定，對于不均質(zhì)嚴重的地層能夠為鉆頭提供較穩(wěn)定的鉆壓和連續(xù)扭矩，降低鉆頭泥包幾率和鉆頭磨損程度，提高鉆頭的破巖效率，降低成本。

3.2 恒壓恒扭工具壓耗比馬達壓耗小，能夠提供較大排量，增加攜砂性；耐高溫高壓，持續(xù)作業(yè)時間長，減少因動力故障而起鉆的次數(shù)，提升鉆井效率。

3.3 恒壓恒扭工具在渤海兩口井應用效果較好，其中一口井機械鉆速提升了25%，達到了提速提效的目的。