扭力沖擊器在渤海中深層的應(yīng)用

林家昱，張羽臣，李進(jìn)，霍宏博，張磊

扭力沖擊器在渤海中深層的應(yīng)用

林家昱，張羽臣，李進(jìn)，霍宏博，張磊

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

中深層油氣田是渤海油田進(jìn)一步勘探開發(fā)的重點(diǎn)，其中渤中X油氣田是典型的中深層油氣田，主要目的儲(chǔ)層埋深均超過4 000 m，巖性致密、研磨性極強(qiáng)，前期鉆探出現(xiàn)了較多復(fù)雜情況，嚴(yán)重制約了儲(chǔ)層的勘探進(jìn)程。為了解決中深層地層壓力復(fù)雜、鉆具憋跳嚴(yán)重及機(jī)械鉆速慢等難題?；诓持蠿油氣田地層特征，開展了扭力沖擊器配合忍者齒鉆頭提效技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，其破巖時(shí)以沖擊破碎為主，并加以旋轉(zhuǎn)剪切，在保證井身質(zhì)量的同時(shí)提高機(jī)械鉆速。扭力沖擊器配合專用忍者齒鉆頭在BZ?E井進(jìn)行了應(yīng)用，能夠較好地克服地層硬度高且致密的花崗巖地層，在提高機(jī)械鉆速的同時(shí)，延長鉆頭的使用壽命，同時(shí)對(duì)提高渤海油田中深層鉆進(jìn)速度，節(jié)省鉆井成本提供了新的方法。

扭力沖擊器； 忍者齒鉆頭； 中深層； 花崗片麻巖

隨著渤海油田的開發(fā)，中深層油氣田成為進(jìn)一步勘探開發(fā)的重點(diǎn)，而在鉆探的過程中面臨很多復(fù)雜的問題。渤中X油氣田是渤海灣迄今為止發(fā)現(xiàn)的最大天然氣田，對(duì)我國北方天然氣保供和綠色低碳發(fā)展具有重要意義[1?2]。但是，本區(qū)塊的主要目的層埋深均超過4 000 m，地層異常壓力及儲(chǔ)層巖性硬、研磨性極強(qiáng)，多次發(fā)生鉆具斷裂、憋鉆卡鉆及機(jī)械鉆速慢的問題，因此探索出適合于渤海油田中深層鉆井技術(shù)是亟待解決的問題。在陸地油田扭力沖擊器已經(jīng)較多地應(yīng)用在深井地層的鉆進(jìn)[3?6]，渤海油田也進(jìn)行過相關(guān)的應(yīng)用，主要是進(jìn)行較淺油井的鉆井提速，但對(duì)于中深層的鉆井技術(shù)還不成熟[7]。

本文通過對(duì)渤中X油氣田中深部地層特征的研究分析，優(yōu)選了扭力沖擊器及忍者齒復(fù)合片，解決了中深層太古界地層可鉆性差、機(jī)械鉆速慢的難題，并在BZ?E井進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。

1 渤中X油氣田地層特征

渤中X油氣田儲(chǔ)層層埋深均超過4 000 m，以東營組東三段、沙河街組（薄層）及厚層孔店組砂礫巖為主，地層可鉆性很差[8]。上部發(fā)育火成巖、下部孔店組砂礫巖地層地層壓力異常，實(shí)測地層壓力系數(shù)最高1.52。在3 810～4 055 m地層巖性主要為砂礫巖，地層平均抗壓強(qiáng)度為86.18 MPa，硬夾層抗壓強(qiáng)度達(dá)到186.16 MPa，平均內(nèi)摩擦角39.5°。在4 055～4 249 m地層巖性為砂礫巖、花崗片麻巖，地層平均抗壓強(qiáng)度為12.66 MPa，硬夾層抗壓強(qiáng)度達(dá)到241.32 MPa，平均內(nèi)摩擦角41.3°。渤中X油氣田前期鉆探出現(xiàn)復(fù)雜情況較多，嚴(yán)重制約了潛山儲(chǔ)層的勘探進(jìn)程。

通過比對(duì)該區(qū)塊中深層平均抗壓強(qiáng)度與平均內(nèi)摩擦角，可發(fā)現(xiàn)地層抗壓強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角均呈現(xiàn)上升趨勢（見表1），底部硬夾層較明顯，可鉆性很差，鉆具憋跳嚴(yán)重，機(jī)械鉆速慢，鉆井工期長，成本高。

表1　BZ X油氣田中深層平均抗壓強(qiáng)度與平均內(nèi)摩擦角對(duì)比

在鉆遇花崗片麻巖時(shí)機(jī)械鉆速明顯變慢，BZ?A所在儲(chǔ)層特性尤為明顯，以BZ?C井為例，在4 400 m井深的鉆時(shí)最高，達(dá)到60 min/m，同時(shí)地層抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值206.84 MPa。相比較其它層對(duì)應(yīng)層位巖性更為堅(jiān)硬致密，可鉆性更差，對(duì)鉆頭的破壞性（見圖1）、研磨性更高。

圖1　BZ?C井鉆頭磨損情況

2 提效措施分析

通常在鉆頭鉆入硬地層時(shí)會(huì)出現(xiàn)鉆頭卡滑現(xiàn)象，極大降低破巖效率，增加鉆頭的無規(guī)律運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的沖擊破壞，以及在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過程中的各向振動(dòng)及渦動(dòng)等多種無規(guī)律的有害振動(dòng)，也會(huì)導(dǎo)致PDC鉆頭切削效率降低，影響鉆頭使用壽命及井眼井身質(zhì)量。

為了提高PDC鉆頭在砂礫巖、花崗片麻巖等硬地層的鉆進(jìn)速度，引進(jìn)了扭力沖擊器短節(jié)，依靠高壓鉆井液作為傳壓介質(zhì)，推動(dòng)扭矩錘旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生動(dòng)力撞擊鉆頭，沖擊破碎巖石，提高鉆井速度，提速效果[9]、防卡滑及保護(hù)鉆頭作用非常明顯。

2.1 扭力沖擊器的原理

扭力沖擊器結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要可分為沖擊發(fā)生及能量轉(zhuǎn)化兩個(gè)模塊。沖擊發(fā)生模塊的分流器可根據(jù)排量自動(dòng)分配進(jìn)入換向閥的流體，高壓換向閥負(fù)責(zé)切換高壓流道，沖擊機(jī)構(gòu)用于瞬間釋放儲(chǔ)能錘的動(dòng)能，扭矩傳遞裝置負(fù)責(zé)將扭矩傳遞給鉆頭。能量轉(zhuǎn)化模塊連接于沖擊發(fā)生模塊上部，將有害的水力能量吸收并轉(zhuǎn)化成水力能量，既有利于提高沖擊器的效果又有利于提高水力破巖能量[10]。

1過濾系統(tǒng),2上部動(dòng)力站,3非平衡重量,4下部動(dòng)力站,5中間軸承,6下部軸承,7上部軸承

井下鉆頭及鉆桿受力如圖3所示，井下PDC鉆頭在動(dòng)靜載荷的作用下發(fā)生各向振動(dòng)及渦動(dòng)等多種無規(guī)律、極其無序的運(yùn)動(dòng)。鉆頭振動(dòng)及無序運(yùn)動(dòng)會(huì)損壞其切削齒，影響鉆頭使用壽命，引起扭矩波動(dòng)干擾井下儀器信號(hào)傳輸及軌跡控制，造成管柱疲勞破壞，產(chǎn)生不規(guī)則井眼，引發(fā)井壁穩(wěn)定問題[11?12]。

在下部鉆具組合中扭力沖擊器位于鉆井管柱的最下端，與PDC鉆頭連接配合使用，破巖由傳統(tǒng)“剪切”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皼_擊破碎+旋轉(zhuǎn)剪切沖擊”，扭力沖擊器的工作過程如圖4所示，圖4（a）為理想狀態(tài)下正常鉆進(jìn)（由于鉆頭井下運(yùn)動(dòng)的無序性，這種狀態(tài)是不存在的），圖4（b）為當(dāng)PDC切削齒剛吃入硬地層，由于扭力不足，鉆頭出現(xiàn)短暫卡頓現(xiàn)象，圖4（c）為鉆頭卡頓不動(dòng)，而頂驅(qū)在不斷旋轉(zhuǎn)，扭矩能積蓄在整條鉆井管柱上，使得鉆桿處于扭曲蓄能狀態(tài)，圖4 （d）為PDC切削齒吃入硬地層的巖屑剝落后，鉆井管柱上的扭矩瞬間釋放，鉆頭急劇加速，圖4（e）為PDC鉆頭同TorkBuster扭力沖擊器連接配合使用，可以在很大程度上降低鉆頭卡滑現(xiàn)象，提高鉆頭硬地層破巖效率，延長其使用壽命。

圖3　井下鉆頭及鉆桿受力情況

圖4　扭力沖擊器的工作過程

2.2 扭力沖擊器工具特點(diǎn)

扭力沖擊器在750～1 500次/min高頻沖擊力下切削地層。具有以下特點(diǎn)：幾何尺寸小，可與井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)、動(dòng)力鉆具、垂直鉆井系統(tǒng)等配合使用；工具組成部件少，結(jié)構(gòu)簡單，即使工具失效也不影響鉆進(jìn)作業(yè)；工作頻率、扭轉(zhuǎn)能量隨著鉆井液排量的增大而提高；平衡扭矩震蕩，減少卡滑現(xiàn)象和能量損失，延長鉆頭、鉆具壽命；配合PDC鉆頭使用，減少刀翼切削地層時(shí)出現(xiàn)的有害振動(dòng)，提高切削效率；提高機(jī)械鉆速的同時(shí)，可以防止井斜，提高井身質(zhì)量；與MWD、LWD同時(shí)使用，不影響錄井、測井作業(yè)[13]。

2.3 忍者齒PDC鉆頭適應(yīng)性分析

渤海深部硬地層鉆井提速技術(shù)，針對(duì)中深部沙河街及東營組砂礫巖、深部潛山花崗巖地層研磨性強(qiáng)、巖石可鉆性差的問題，基于室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)、理論計(jì)算、數(shù)值模擬分析創(chuàng)建了復(fù)雜地質(zhì)條件下的鉆具優(yōu)化組合，忍者齒PDC鉆頭配合扭力沖擊器，首次實(shí)現(xiàn)了海上PDC鉆花崗巖地層，復(fù)合片抗沖擊性比常規(guī)復(fù)合片提高80%，實(shí)現(xiàn)了潛山段機(jī)械鉆速、鉆井周期、單只鉆頭進(jìn)尺“三項(xiàng)翻番”重大突破。

對(duì)于巖性較硬、研磨性較強(qiáng)的太古界潛山地層，研發(fā)了潛山花崗巖PDC鉆頭。為增加鉆頭整體抗沖擊性，選用忍者齒，忍者齒復(fù)合片把受到的地層沖擊力分化到4個(gè)象限，所受沖擊力遠(yuǎn)小于單片復(fù)合片。

與常規(guī)PDC復(fù)合片相比，忍者齒復(fù)合片（見圖5）具有如下特點(diǎn)：

圖5　忍者齒復(fù)合片

（1）忍者齒不再采用平面結(jié)構(gòu)，復(fù)合片中間部位采用十字棱結(jié)構(gòu)，4個(gè)象限呈扇形；

（2）常規(guī)平面復(fù)合片厚度1.5 mm，忍者齒圓周厚度1.5 mm，中心厚度2.0 mm，中間厚四周??；

（3）忍者齒復(fù)合片在剪切地層時(shí)，能將側(cè)向切削力分散至四周每個(gè)扇形復(fù)合片；

（4）忍者齒復(fù)合片十字棱結(jié)構(gòu)形成錐形更易壓入地層，與地層呈咬合狀。

扭力沖擊器在忍者齒鉆頭上方增加旋轉(zhuǎn)方向上均勻穩(wěn)定的高頻沖擊力，將高抗沖擊性能的忍者齒復(fù)合片錐形十字棱結(jié)構(gòu)壓入地層，與地層呈咬合狀，橫向震動(dòng)及旋轉(zhuǎn)過程中，采用4象限受力模式的忍者齒，把受到的地層沖擊力分化到4個(gè)象限，使單個(gè)象限受到的沖擊力遠(yuǎn)小于常規(guī)單個(gè)復(fù)合片受到的沖擊力，起到防止崩齒、保護(hù)鉆頭的作用。

扭力沖擊器配合忍者齒鉆頭在渤中X油氣田的應(yīng)用，能夠有效克服類似致密花崗巖的高硬度地層，有效地解決鉆頭卡滑現(xiàn)象，提高破巖效率，在提高機(jī)械鉆速的同時(shí)，保護(hù)鉆頭切削齒，延長其使用壽命。

3 應(yīng)用實(shí)例

BZ?E井4 231～4 419 m井段為太古界巖性，以花崗片麻巖為主，花崗片麻巖交接致密，可鉆性極差，牙輪鉆頭一趟鉆進(jìn)尺段，機(jī)械鉆速低，影響時(shí)效，而常規(guī)PDC鉆頭又無法鉆進(jìn)該地層。2019年6月該井在五開井段使用阿特拉忍者齒鉆頭+扭力沖擊器鉆進(jìn)，鉆具組合為：“215.9 mm忍者齒鉆頭×0.24 m+180.8 mm扭力沖擊器×0.78 m +165.1 mm鉆鋌×18.61 m+165.1 mm浮閥×1.20 m+215.9 mm扶正器×1.70 m+165.1 mm DC×145.62 m+165.1 mm震擊器×10.12 m +127.0 mm加重鉆桿×9.60 m+165.1 mm投入式止回閥×0.80 m +127.0 mm加重鉆桿×124.80 m+127.0 mm鉆桿”，鉆井參數(shù)為鉆壓3～5 t，排量51.2 L/s，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速80 r/min，鉆井液密度為1.54 g/cm3。

BZ?E井忍者齒+扭力沖擊器鉆時(shí)曲線如圖6所示，單趟鉆進(jìn)尺188 m，平均機(jī)械鉆速5.34 m/h，比牙輪鉆頭單趟鉆進(jìn)尺提高一倍，平均機(jī)械鉆速提高一倍，鉆井周期節(jié)約2.7 d，提速效果明顯。通過對(duì)忍者齒鉆頭入井和出井對(duì)比（見圖7）可以看到，除了少數(shù)忍者復(fù)合片磨損嚴(yán)重，大多數(shù)忍者復(fù)合片均磨損較小。在忍者齒+扭力沖擊器使用過程中，各項(xiàng)鉆井參數(shù)正常，泵壓平穩(wěn)，扭力沖擊器工作正常。

圖6　BZ?E井忍者齒+扭力沖擊器鉆時(shí)曲線

圖7　忍者齒鉆頭入井和出井對(duì)比

各井鉆進(jìn)參數(shù)對(duì)比結(jié)果見表2。由表2可知，在對(duì)渤中X油氣田中深層太古界地層進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí)，BZ?E井整體指標(biāo)均較前四口井有顯著提高。BZ?A-BZ?D井平均機(jī)械鉆速為2.20 m/h，BZ?E井平均機(jī)械鉆速為5.34 m/h，機(jī)械鉆速提高142%；BZ?A-BZ?D井單只鉆頭進(jìn)尺為78.75 m，BZ?E井單只鉆頭進(jìn)尺提高到188.00 m，提高了139%；而鉆井周期BZ?E井相比于其他各井均有較大幅度的縮短。

表2　各井鉆進(jìn)參數(shù)對(duì)比

綜合整井的建井周期，作業(yè)效率對(duì)比如表3所示。由表3可知，BZ?E井鉆井周期僅為51.42 d，2 500 m當(dāng)量鉆井周期也只有29.09 d，相比其他井均大幅下降。而其鉆井日效率及平均機(jī)械鉆速均具有較大幅度提升，分別為84.98 m/d及15.21 m/h。說明忍者齒+扭力沖擊器的使用明顯提高渤中X油氣田中深層太古界地層的機(jī)械鉆速。

表3　各井效率對(duì)比

十字棱結(jié)構(gòu)的錐形忍者齒復(fù)合片，其抗沖擊性比常規(guī)復(fù)合片提高了80%，降低了鉆柱扭轉(zhuǎn)振動(dòng)現(xiàn)象，具有非常明顯的防卡滑作用，在鉆進(jìn)過程中能夠有效減少磨損，在提高機(jī)械鉆速的同時(shí)保護(hù)鉆頭，減少了起鉆更換鉆頭次數(shù)。

BZ?E井4 231～4 419 m太古界巖性井段使用忍者齒鉆頭+扭力沖擊器鉆進(jìn)，平均機(jī)械鉆速為2.20 m/h，提高了142%，單只鉆頭進(jìn)尺提高到188 m，提高了139%，整井的鉆井周期也只有29.09 d，相比其他井均大幅下降，可大幅度降低鉆井成本，在渤海潛山花崗巖地層具有廣泛的應(yīng)用前景。

4 結(jié) 論

（1）本文通過對(duì)渤中X油氣田中深層太古界地層特征的分析，選擇了扭力沖擊器作為鉆井過程中提質(zhì)增效的手段，以減少鉆頭在井底運(yùn)動(dòng)時(shí)的不規(guī)則有害振動(dòng)，提高鉆頭切削效率，延長使用壽命。

（2）優(yōu)選了呈錐形十字棱結(jié)構(gòu)的忍者齒復(fù)合片，其抗沖擊性比常規(guī)復(fù)合片提高了80%，降低了鉆柱扭轉(zhuǎn)振動(dòng)現(xiàn)象，具有非常明顯的防卡滑作用，在鉆進(jìn)過程中能夠有效減少磨損。

（3）對(duì)BZ?E井4 231～4 419 m太古界巖性井段進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，平均機(jī)械鉆速提高了142%，單只鉆頭進(jìn)尺提高了139%，整井的鉆井周期也只有29.09 d，相比其他井均大幅下降。

（4）扭力沖擊器可以有效改進(jìn)PDC鉆頭的工作方式，配合忍者齒有效地解決渤中X油氣田潛山地層鉆進(jìn)困難的問題，將成為解決致密地層鉆井作業(yè)不可缺少的工具，在渤海深部潛山花崗巖地層具有廣泛的應(yīng)用前景。

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Application of TorkBuster in Middle?Deep Strata of Bohai Oilfield

Lin Jiayu， Zhang Yuchen， Li Jin， Huo Hongbo， Zhang Lei

（Tianjin Branch of CNOOC （China） Ltd.， Tianjin 300459， China）

Middle?deep strata of Bohai oilfield is the focus of further exploration and development, of which Bozhong X is a typical mid?deep oil and gas field. The main reservoir with dense lithology and strong abrasiveness is stored for more than 4 000 m depth, resulting in much more complex situations during the early drilling stage, which seriously restricted the reservoir exploration process. In order to solve the problems of complex pressure, serious tool choke and slow penetration rate in the deep?medium strata, this work figured out TorkBuster and Ninja teeth PDC bit efficiency improvement technology and its corresponding applications, using stratigraphic features of Bozhong X oil and gas field as a research sample. The rock breaking mainly involves combination of crushing and rotary shearing, which is mainly used to improve the drilling speed while ensuring the well quality. The TorkBuster with special Ninja teeth PDC bit in BZ?E well can properly overcome the high hardness and compact of granite gneiss, which can increase the drilling speed and prolong the service life of the bit at the same time. It provides a new method for improving the drilling speed in the deep?medium strata of Bohai oilfield and saving drilling cost.

TorkBuster； Ninja teeth PDC bit； Middle?deep strata； Granite gneiss

TE242

A

10.3969/j.issn.1006?396X.2021.04.013

1006?396X（2021）04?0078?06

http://journal.lnpu.edu.cn

2020?04?09

2020?06?05

“十三五”國家科技重大專項(xiàng)（2016ZX05058）。

林家昱（1984?），男，碩士，工程師，從事海洋石油定向井鉆井技術(shù)方面研究；E?mail：linjy14@cnooc.com.cn。

（編輯 王亞新）