李 瑋，李卓倫，劉偉卿，邱曉寧，陳世春

(1.東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163318；2.中國石油華北油田分公司，山西 晉城 048000；3.中國石油渤海鉆探工程有限公司，天津 300457)

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扭轉(zhuǎn)沖擊提速工具在文安區(qū)塊的現(xiàn)場應(yīng)用

李 瑋1，李卓倫1，劉偉卿2，邱曉寧3，陳世春3

(1.東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163318；2.中國石油華北油田分公司，山西 晉城 048000；3.中國石油渤海鉆探工程有限公司，天津 300457)

鉆具黏滑振動現(xiàn)象造成PDC鉆頭過早失效是限制PDC鉆頭在深井、超深井硬地層應(yīng)用的一個重要因素。針對該問題，研制了扭轉(zhuǎn)提速沖擊工具。該工具通過給鉆頭提供一定頻率的扭轉(zhuǎn)沖擊力，從而抑制鉆具黏滑振動，提高鉆速。通過室內(nèi)實驗驗證了周期性扭轉(zhuǎn)沖擊外載能夠有效地抑制PDC鉆頭的黏滑效應(yīng)?，F(xiàn)場試驗結(jié)果表明，使用扭轉(zhuǎn)沖擊提速工具后的機(jī)械鉆速提高了102%。該研究為扭轉(zhuǎn)沖擊提速工具在鉆井過程中的合理應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

鉆井提速；黏滑效應(yīng)；PDC鉆頭；扭轉(zhuǎn)沖擊提速工具；文安區(qū)塊

0 引 言

隨著石油工業(yè)的發(fā)展，深井超深井勘探開發(fā)的比例正逐步增加。在深部鉆井過程中，由于鉆柱長度過長、扭轉(zhuǎn)剛度降低，井下摩阻扭矩大，鉆柱在井下轉(zhuǎn)動變得異常困難，從而產(chǎn)生了黏滯滑動現(xiàn)象[1-3]，該現(xiàn)象是造成機(jī)械鉆速降低的重要原因之一[4-6]。該文研發(fā)了扭轉(zhuǎn)沖擊提速工具，并分析了該工具的工作原理，通過室內(nèi)實驗和現(xiàn)場應(yīng)用，驗證了工具提速效果，為鉆井提速工具的高效利用提供了一定的指導(dǎo)。

1 扭轉(zhuǎn)沖擊提速工具

1.1 工具結(jié)構(gòu)

扭轉(zhuǎn)沖擊提速工具為純機(jī)械原件，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中分流器、啟動器和液動錘是該工具的核心部件。分流器固定在液動錘外殼，該部件不運動，其功能主要用來分流流體和定位啟動器；啟動器是閥控機(jī)構(gòu)，其反復(fù)的周期性運動可以實現(xiàn)液動錘的換向開關(guān)；液動錘是該工具的沖擊部件，主要功能是在高壓流體能的作用下產(chǎn)生反復(fù)的扭轉(zhuǎn)沖擊。

圖1 扭轉(zhuǎn)沖擊工具結(jié)構(gòu)剖面

1.2 工作原理

扭轉(zhuǎn)沖擊提速工具可以將鉆井液的流體動能轉(zhuǎn)換成周向、高頻、穩(wěn)定的機(jī)械沖擊能，并將該機(jī)械能傳遞給鉆頭。配合PDC鉆頭使用時，工具能很好地抑制鉆頭的黏滑振動，是目前鉆井行業(yè)的前沿提速工具。導(dǎo)流器將從鉆鋌傳送來的鉆井液進(jìn)行分流，將含有大顆粒的鉆井液經(jīng)分流器排出工具；將不含大顆粒的鉆井液輸送到啟動器和液動錘中，避免工具工作過程中卡死。來自分流器的流體打開啟動器，通過啟動器實現(xiàn)液動錘周期性、反復(fù)扭轉(zhuǎn)沖擊。液動錘形成的扭轉(zhuǎn)沖擊力通過傳動接頭傳遞給鉆頭，從而克服PDC鉆頭的黏滑振動。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

該工具的扭轉(zhuǎn)沖擊力是由液動錘沖擊液動錘外殼產(chǎn)生的，穩(wěn)定地控制液動錘的運動過程是該工具的關(guān)鍵技術(shù)。液動錘運動過程可以分解為起始位置、終點位置和臨界轉(zhuǎn)變等3個階段(圖2)。

圖2 液動錘外殼、液動錘、啟動器等部件結(jié)構(gòu)的對應(yīng)關(guān)系

鉆井液的流動分為3個部分：一是流經(jīng)中心噴嘴，二是流經(jīng)液動錘外殼2組分流孔，三是流經(jīng)分流器、啟動器和液動錘進(jìn)入到?jīng)_擊槽，流體最終匯聚在分流器下端。起始位置時，由于流經(jīng)沖擊槽和液動錘外殼的液流壓力不同，可在啟動器一側(cè)產(chǎn)生壓差，進(jìn)而推動啟動器旋轉(zhuǎn)，啟動器帶動液動錘轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生第1次撞擊。到達(dá)終點位置后，啟動器在慣性作用下轉(zhuǎn)動，而液動錘撞到外殼后停止。到達(dá)終點位置后，啟動器繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)流道開關(guān)和壓差變換，在啟動器另一側(cè)產(chǎn)生壓差，推動啟動器反向旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動液動錘回轉(zhuǎn)產(chǎn)生第2次撞擊。如此往復(fù)運動，產(chǎn)生高頻撞擊振動。

1.4 工藝參數(shù)

扭轉(zhuǎn)沖擊提速工具外徑為178mm，工作排量為18～25L/s，耐溫為350 ℃，可以產(chǎn)生750～1500 次/min的沖擊頻率，沖擊力為2 000N/m，產(chǎn)生的壓降僅為0.5～1.5MPa。

2 扭轉(zhuǎn)沖擊破巖實驗及結(jié)果分析

2.1 實驗條件

應(yīng)用鉆頭扭轉(zhuǎn)沖擊破巖模擬測試系統(tǒng)，在室內(nèi)進(jìn)行了PDC鉆頭的扭轉(zhuǎn)沖擊破巖實驗。鉆頭直徑為50.0mm，切削齒直徑為13.2mm，轉(zhuǎn)速設(shè)計為200r/min。采用自來水作為鉆井液攜帶巖屑和冷卻鉆頭。該實驗中選擇紅色砂巖為實驗巖樣，采用的PDC鉆頭為雙齒，鉆壓為5 000N。

2.2 實驗結(jié)果分析

室內(nèi)實驗主要對扭轉(zhuǎn)沖擊載荷對PDC鉆頭機(jī)械鉆速的影響規(guī)律進(jìn)行研究，在實驗過程中記錄鉆時和扭矩等數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 5000N鉆壓下的扭矩與鉆時關(guān)系

圖3為5 000N鉆壓下的扭矩與鉆時的關(guān)系曲線。由圖3可知，在靜壓鉆井時，鉆頭產(chǎn)生了明顯的周期性黏滑振動，導(dǎo)致鉆壓發(fā)生大幅度周期性波動。當(dāng)鉆頭扭矩不足時，發(fā)生黏滯，轉(zhuǎn)數(shù)降低，積蓄扭矩；當(dāng)積蓄的扭矩達(dá)到破碎巖石的扭矩時，鉆頭突然釋放，滑脫，扭矩積蓄得越多，釋放后的波動也越大。而扭轉(zhuǎn)沖擊破巖技術(shù)改變了PDC鉆頭的破巖方式，從持續(xù)的轉(zhuǎn)矩輸入轉(zhuǎn)變?yōu)槌掷m(xù)轉(zhuǎn)矩與周期性的高能沖擊相互疊加，PDC鉆頭受力與巖石受力及破碎均不同于常規(guī)鉆井，通過施加一定頻率的扭矩，可以明顯降低鉆頭的扭矩波動，從而穩(wěn)定地切削破碎巖石，避免了對鉆柱的損傷。從圖3中可以看出，低頻脈沖條件下，扭矩的波動明顯變緩，而在高頻扭轉(zhuǎn)沖擊條件下，扭矩穩(wěn)定在一個小范圍內(nèi)，可以穩(wěn)定地切削巖石。

室內(nèi)實驗驗證了扭轉(zhuǎn)沖擊作用可以明顯地抑制黏滑效應(yīng)，在鉆進(jìn)過程中，高能鉆井液在流過工具時，工具產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)沖擊力(約為2 000N/m)會直接傳遞給PDC鉆頭，這就使鉆頭不需要等待積蓄足夠的扭力能量就可以切削地層，有效避免PDC鉆頭的黏滑現(xiàn)象，從而提高機(jī)械鉆速。

3 扭轉(zhuǎn)沖擊提速工具的現(xiàn)場試驗

文安101x為評價井，設(shè)計井深為5 041.20m，垂深為4 900.00m，三開井深為4 713.00m，目的層位和完鉆層位均為奧陶系。井深為3 890.00m時，井斜角為27.24 °。

3.1 工具應(yīng)用情況及效果

由于該井井斜過大，所下入螺桿鉆具組合對控制井斜沒有效果，達(dá)不到降斜目的，因此，選擇扭轉(zhuǎn)沖擊工具配合小鐘擺鉆具組合完成下部鉆進(jìn)工作。使用工具段為3 890～4 457m，鉆壓為80 000N，轉(zhuǎn)速為50r/min，排量為29～30L/s，泥漿密度為1.37 ～1.42g/cm3。采用PDC鉆頭，鉆遇地層為沙四段孔店組，巖性以砂巖泥巖為主。機(jī)械鉆速為4.29m/h。鄰井文安1井在沙四段常規(guī)鉆具組合機(jī)械鉆速為1.75m/h，鄰井文古3井在沙四段機(jī)械鉆速為2.12m/h。對比分析顯示，文安101x井使用扭轉(zhuǎn)沖擊工具，機(jī)械鉆速得到大幅度提高。

3.2 鉆井參數(shù)對工具提速效果的影響

4 020～4 185m井段巖性相同，均為灰色砂巖，根據(jù)不同的鉆壓、轉(zhuǎn)速求得各段鉆時平均值并繪圖(圖4)。

圖4 鉆時與井深關(guān)系曲線

第1階段鉆壓為80 000N，轉(zhuǎn)速為50r/min，鉆時平均值約為11min/m，鉆進(jìn)至4 110m；第2階段鉆壓為80 000N，提高轉(zhuǎn)速至80r/min，平均鉆時為15min/m，鉆進(jìn)至4 132m；第3階段轉(zhuǎn)速為80r/min，鉆壓降至50 000N，鉆時繼續(xù)提高，平均約為17min/m；第4階段，繼續(xù)鉆進(jìn)至井深4 156m，提高鉆壓至80 000N，降低轉(zhuǎn)速至50r/min，鉆時顯著降低，平均為14min/m。通過實鉆數(shù)據(jù)可以看出，工具在工作過程中，存在最優(yōu)鉆井參數(shù)，即采用高鉆壓、低轉(zhuǎn)速，可最大限度地提高鉆速。

4 結(jié) 論

(1) 自主研發(fā)了可產(chǎn)生1 500Hz/min沖擊頻率的扭轉(zhuǎn)沖擊工具，介紹了工具的主體結(jié)構(gòu)，并分析了工具的工作狀態(tài)及提速機(jī)理。

(2) 通過室內(nèi)實驗，驗證了周期性的扭轉(zhuǎn)沖擊外載能夠有效地抑制PDC鉆頭的黏滑效應(yīng)。

(3) 現(xiàn)場試驗表明，扭轉(zhuǎn)沖擊提速工具能提高機(jī)械鉆速。應(yīng)用扭轉(zhuǎn)沖擊提速工具文安101x井相對于文安1井常規(guī)鉆具組合提速145%，相對于文古3井常規(guī)鉆具組合提速102%；扭轉(zhuǎn)沖擊工具采用高鉆壓、低轉(zhuǎn)速可以最大限度地提速。

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編輯 朱雅楠

20160222；改回日期：20160520

國家自然科學(xué)基金“鉆頭諧振激勵下巖石的響應(yīng)機(jī)制及破碎機(jī)理研究”(51274072)；東北石油大學(xué)培育基金項目“高頻低幅沖擊鉆井破巖理論研究”(PY120121)

李瑋(1979-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，2003年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院油氣井工程專業(yè)，2010年畢業(yè)于東北石油大學(xué)油氣井工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)主要從事高效鉆井破巖、水力壓裂、鉆井優(yōu)化等方面的理論與技術(shù)研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.04.034

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