李歡歡，王玉璽，李秋杰

(大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江 大慶163413)

近年來(lái)，大慶油田開(kāi)展了鉆井提速提效專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)，隨著空氣鉆井、復(fù)合鉆進(jìn)、鉆頭優(yōu)選和防斜打快等技術(shù)的不斷完善，鉆井速度逐年提高。對(duì)于深井，由于下部地層巖石的硬度和強(qiáng)度大，可鉆性差，同時(shí)平均地溫梯度達(dá)到4.1℃/100 m，4000～5500 m深的井，其井底溫度高達(dá)160～220℃，嚴(yán)重地影響了鉆井工具的使用，造成井下復(fù)雜和固井難度增加，尤其是下部井段每起下鉆一次，所耗時(shí)間長(zhǎng)。為了解決大慶深部地層鉆井周期長(zhǎng)、常規(guī)牙輪鉆頭單只進(jìn)尺少、螺桿鉆具壽命短等一系列問(wèn)題，2012年9月，在肇深17井開(kāi)展了扭力沖擊器配合PDC鉆頭提速現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，探索大慶深層鉆井提速新途徑。TorkBuster扭力沖擊器試驗(yàn)提速效果明顯，機(jī)械鉆速提高150%以上，平均可節(jié)省起下鉆5趟以上，節(jié)省鉆井周期13天以上。

1 扭力沖擊器的工作機(jī)理及技術(shù)特點(diǎn)

1.1 扭力沖擊器工作機(jī)理

在井下，PDC鉆頭的運(yùn)動(dòng)是極其無(wú)序的，包括橫向、縱向和扭向的振動(dòng)及這幾種振動(dòng)的組合，即產(chǎn)生“粘－滑現(xiàn)象”，如圖1所示。(a)所示是鉆頭在井底的正常理想鉆進(jìn)狀態(tài)，但這種理想化的狀態(tài)是不存在的;(b)所示是當(dāng)鉆頭剛剛出現(xiàn)“吃入”地力不足時(shí)，鉆頭出現(xiàn)暫時(shí)停頓的現(xiàn)象，這時(shí)鉆頭開(kāi)始積蓄能量;(c)所示是鉆頭無(wú)法繼續(xù)鉆進(jìn)，而轉(zhuǎn)盤(pán)在旋轉(zhuǎn)，扭矩的能量就積蓄在整個(gè)鉆桿上，鉆桿處于扭曲狀態(tài);(d)當(dāng)鉆柱上的扭力應(yīng)力突然達(dá)到剪切破碎地層所需的扭矩時(shí)，則鉆柱上積蓄的能量突然得到釋放，鉆頭會(huì)突然加速，以極快的速度進(jìn)行破巖，造成鉆頭損壞。這樣會(huì)損壞單個(gè)PDC切削齒，導(dǎo)致鉆頭壽命降低，引起扭矩波動(dòng)干擾定向控制和隨鉆測(cè)井(LWD)信號(hào)，以及產(chǎn)生不規(guī)則井眼降低井身質(zhì)量。

TorkBuster扭力沖擊器是美國(guó)阿特拉(ULTERRA)UD公司的專(zhuān)利產(chǎn)品，它由鉆井液流量分配器、動(dòng)力沖擊部分、驅(qū)動(dòng)短節(jié)以及鉆頭接頭組成。泥漿從上接頭經(jīng)過(guò)泥漿流量分配器流進(jìn)沖擊器并二次分配到管狀接頭內(nèi)，來(lái)源于泥漿的巨大能量使得接頭內(nèi)的2個(gè)動(dòng)力錘相互反轉(zhuǎn)起來(lái)，產(chǎn)生的機(jī)械沖擊能量由驅(qū)動(dòng)短節(jié)內(nèi)的驅(qū)動(dòng)軸集中均勻地傳送到鉆頭上，持續(xù)穩(wěn)定的高頻沖擊扭力可達(dá)750～1500次/min，其破巖機(jī)理是以沖擊破碎為主，并在鉆頭上增加一個(gè)額外的旋轉(zhuǎn)方向的均勻穩(wěn)定的高頻沖擊力，大幅度提高剪切效率，減少反沖扭力，主要作用是在保證井身質(zhì)量的同時(shí)提高機(jī)械鉆速。這時(shí)候PDC鉆頭上就有2個(gè)力在切削地層，一個(gè)是鉆盤(pán)提供的扭力，一個(gè)是TorkBuster扭力沖擊器提供的力，并且這個(gè)力直接作用到鉆頭本身，對(duì)鉆桿并不產(chǎn)生任何作用和改變整個(gè)沖擊能量的荷載，從而大大降低鉆頭的粘滑現(xiàn)象，大幅提高鉆進(jìn)速度，延長(zhǎng)鉆頭壽命。

PDC鉆頭與扭力沖擊器配合使用后，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)(橫向、縱向和扭向)的現(xiàn)象，使整個(gè)鉆柱的扭矩保持穩(wěn)定和平衡，巧妙地將泥漿的流體能量轉(zhuǎn)換成扭向的、高頻的、均勻穩(wěn)定的機(jī)械沖擊能量并直接傳遞給PDC鉆頭，使鉆頭旋轉(zhuǎn)過(guò)程始終保持連續(xù)性，延長(zhǎng)鉆頭的壽命。見(jiàn)圖1(e)。

圖1 井底鉆頭及鉆具工作示意圖

1.2 扭力沖擊器技術(shù)特點(diǎn)

扭力沖擊器外部物理尺寸緊湊，內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)合理，泥漿流道通暢，無(wú)任何橡膠件，無(wú)任何電子元器件。扭力沖擊器將泥漿的流體能量通過(guò)帶有金剛石敷面的渦輪組的上部動(dòng)力站，經(jīng)過(guò)中間的轉(zhuǎn)換構(gòu)件傳遞到同樣帶有金剛石敷面的渦輪組的下部動(dòng)力站;泥漿首先進(jìn)入過(guò)濾系統(tǒng)，內(nèi)部的多組構(gòu)件由裝有特殊材料的加重棒的偏心塊由芯軸帶動(dòng)(一體式)扭向反復(fù)作用，在給鉆頭驅(qū)動(dòng)軸一個(gè)徑向推力的同時(shí)，使鉆頭產(chǎn)生高頻沖擊力;由于形成了高頻的、均勻穩(wěn)定的機(jī)械沖擊能量，使鉆頭在井底能始終保持連續(xù)的高頻切削，提高剪切效率，消除鉆頭運(yùn)動(dòng)時(shí)可能出現(xiàn)的一種或多種有害振動(dòng)，消除“粘－滑現(xiàn)象”。

在旋轉(zhuǎn)鉆井或定向鉆井組合上，直接配上扭力沖擊發(fā)生器，再加上扭力沖擊發(fā)生器和PDC鉆頭獨(dú)特的倒扣式連接，大大減少了滑脫現(xiàn)象。由于通過(guò)扭力沖擊發(fā)生器作用到PDC鉆頭的是一個(gè)高頻的、均勻的扭力沖擊，相比不用扭力沖擊發(fā)生器的普通的PDC鉆進(jìn)，滑脫、卡鉆現(xiàn)象會(huì)成倍地減少，而且能極大地提高機(jī)械鉆速和鉆頭壽命。

2 扭力沖擊器在肇深17井的應(yīng)用情況

2.1 肇深17井基本情況

肇深17井是位于松遼盆地東南斷陷區(qū)徐家圍子斷陷徐西－肇州斜坡帶的一口預(yù)探井，設(shè)計(jì)井深3855 m，目的層位是營(yíng)城組火山巖、礫巖，兼探登婁庫(kù)組、沙河子組、基底。三開(kāi)首先采用牙輪鉆頭鐘擺鉆具組合鉆進(jìn)，鉆至3246.16 m，3245 m測(cè)斜1.6°，地層為登三段底。

2.2 試驗(yàn)情況

2012年9月2日從3246.16～3730 m進(jìn)行扭力沖擊器+PDC鉆頭提速試驗(yàn)，9月9日結(jié)束鉆進(jìn)，提速效果明顯。累計(jì)進(jìn)尺483.84 m，平均機(jī)械鉆速4 m/h，扭力沖擊器累計(jì)使用時(shí)間144 h。

2.2.1 鉆具組合

2.2.2 鉆井參數(shù)

肇深17井現(xiàn)場(chǎng)使用的鉆井參數(shù)為:鉆壓80～140 kN，扭矩7～12 kN·m，轉(zhuǎn)速55～60 r/min，排量33 L/s，泵壓14 ～15 MPa，泵沖105。

2.2.3 試驗(yàn)效果

扭力沖擊器在肇深17井配合阿特拉U613MPDC鉆頭使用，其使用效果統(tǒng)計(jì)為:使用井段3246.16～3730 m，地層是登二段、營(yíng)城組，進(jìn)尺483.84 m，純鉆時(shí)間121 h，機(jī)械鉆速4 m/h，井底井斜 1.86°。

2.2.4 分段統(tǒng)計(jì)

肇深17井扭力沖擊器使用效果按使用層段統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 扭力沖擊器分層段效果統(tǒng)計(jì)

2.2.5 工具、鉆頭情況

扭力沖擊器使用后狀況良好，配合扭力沖擊器使用的阿特拉特制PDC鉆頭總體效果很好。

2.2.5.1 鉆頭情況

鉆頭U613M出井照片見(jiàn)圖2，六刀翼詳細(xì)磨損情況見(jiàn)圖3。

圖2 U613M出井照片

圖3 U613M六刀翼詳細(xì)磨損情況

U613M鉆頭出井狀態(tài)良好，僅是牙齒3級(jí)磨損，直徑為0.5級(jí)磨損。

2.2.5.2 扭力沖擊器使用情況

扭力沖擊器入井之前的照片見(jiàn)圖4(a)，鉆完483.84 m進(jìn)尺后出井照片見(jiàn)圖4(b)。

圖4 扭力沖擊器入井和出井照片

扭力沖擊器出井后狀況良好，經(jīng)過(guò)探傷得出，具備不出井繼續(xù)鉆進(jìn)的能力，但因?yàn)橐堰_(dá)到鉆探目的，因此，在設(shè)計(jì)深度3730 m起出。

2.3 效果對(duì)比

2.3.1 同本開(kāi)次使用的上一只牙輪鉆頭對(duì)比

三開(kāi)從3192.58～3246.16m使用一只HJT637GH牙輪鉆頭鉆進(jìn)53.58 m，最后使用扭力沖擊器鉆至3730 m完鉆，其入井機(jī)械鉆速8 m/h。詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 U613M和本開(kāi)次上部使用的牙輪鉆頭對(duì)比

從表4可看出，扭力沖擊器使用前的上趟鉆使用牙輪鉆頭，其平均機(jī)械鉆速1.56 m/h，而扭力沖擊器平均機(jī)械鉆速為4 m/h，機(jī)械鉆速提高156%;而進(jìn)尺多了430.26 m，提高了803%，層位更是鉆穿營(yíng)城組和沙河子組，鉆達(dá)基底。可見(jiàn)扭力沖擊器配合專(zhuān)用PDC鉆頭在本井使用較適合該層位，效果遠(yuǎn)比使用牙輪鉆頭更好。

2.3.2 和未用扭力沖擊器的鄰井效果對(duì)比

肇深17井和未用扭力沖擊器的4口鄰井的詳細(xì)對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 和鄰井未用TB的深井對(duì)比

通過(guò)統(tǒng)計(jì)肇深17鄰井4口井登婁庫(kù)以下鉆速， 常規(guī)牙輪鉆進(jìn)平均機(jī)械鉆速為1.76 m/h，而該井段本次采用扭力沖擊器鉆進(jìn)機(jī)械鉆速為4 m/h，機(jī)械鉆速提高了1倍多。試驗(yàn)井段3246.16～3730.00 m，累計(jì)進(jìn)尺近483.84 m，耗時(shí)7.2天。如果用常規(guī)牙輪鉆進(jìn)需要約5只牙輪鉆頭，進(jìn)尺時(shí)間約為15.2天，時(shí)間節(jié)約8天;起下5趟鉆，每趟起下鉆需要用時(shí)約24 h，約合5天。用扭力沖擊器共計(jì)節(jié)省起下鉆5趟，節(jié)省約13天時(shí)間。

2.4 經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

若使用U613M PDC鉆頭、扭力沖擊器等，鉆完該段井段所需花費(fèi)包含鉆頭費(fèi)用、扭力沖擊器費(fèi)用以及鉆機(jī)費(fèi)用，共需大約159萬(wàn)元。

若使用牙輪鉆頭鉆進(jìn)，則按鄰井使用牙輪鉆頭鉆進(jìn)效果，可估出本井段大約需要5只HJT637GH鉆頭，還需要減震器1只以及鉆機(jī)費(fèi)用，共計(jì)大約需要241萬(wàn)元。

用扭力沖擊器比常規(guī)鉆進(jìn)成本結(jié)余=常規(guī)鉆井成本－扭力沖擊器鉆井成本=241－159=82萬(wàn)元。

3 結(jié)論與建議

(1)扭力沖擊器配合專(zhuān)用PDC鉆頭鉆進(jìn)較牙輪鉆頭常規(guī)鉆進(jìn)提速效果明顯，從鉆速及周期上相比牙輪鉆頭都有突破，尤其登婁庫(kù)井段，與上趟鉆相比機(jī)械鉆速提高4倍，總體平均機(jī)械鉆速提高近2倍。與肇深鄰井鉆進(jìn)效果相比，提速效果同樣明顯，平均機(jī)械鉆速提高近2倍。

(2)扭力沖擊器配合PDC鉆頭鉆進(jìn)，節(jié)約了周期、成本，在肇深17井使用扭力沖擊器鉆進(jìn)，節(jié)省了82萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益可觀。在合適的井段應(yīng)用扭力沖擊器配合專(zhuān)用PDC鉆頭鉆進(jìn)，能夠大幅度提高機(jī)械鉆速并縮短鉆井周期，降低鉆井成本，具有廣闊的應(yīng)用前景和較大的經(jīng)濟(jì)效益。

(3)扭力沖擊器在肇深17井的成功應(yīng)用為后續(xù)該技術(shù)在大慶油田的實(shí)施，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，建議繼續(xù)推廣應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)，延長(zhǎng)其應(yīng)用井段。

(4)該次成功應(yīng)用突破了硬且研磨性高的地層只能使用牙輪鉆頭的情況，為探索提速新技術(shù)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

［1］呂曉平，李國(guó)興，王震宇，等.扭力沖擊器在鴨深1井志留系地層的試驗(yàn)應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2012，34(2):99 －101.

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