李 瑋,李卓倫,劉偉卿,邱曉寧,陳世春
(1.東北石油大學,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,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)。現(xiàn)場試驗結(jié)果表明,使用扭轉(zhuǎn)沖擊提速工具后的機械鉆速提高了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
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。
1.1 工具結(jié)構(gòu)
扭轉(zhuǎn)沖擊提速工具為純機械原件,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;啟動器是閥控機構(gòu),其反復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)定的機械沖擊能,并將該機械能傳遞給鉆頭。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。導流器將從鉆鋌傳送來的鉆井液進行分流,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),進而帶動液動錘回轉(zhuǎn)產(chǎn)生第2次撞擊。如此往復運動,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。
2.1 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鉆頭機械鉆速的影響規(guī)律進行研究,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,導致鉆壓發(fā)生大幅度周期性波動。當鉆頭扭矩不足時,發(fā)生黏滯,轉(zhuǎn)數(shù)降低,積蓄扭矩;當積蓄的扭矩達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,從而提高機械鉆速。
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)鉆具組合機械鉆速為1.75m/h,鄰井文古3井在沙四段機械鉆速為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。
(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
國家自然科學基金“鉆頭諧振激勵下巖石的響應(yīng)機制及破碎機理研究”(51274072);東北石油大學培育基金項目“高頻低幅沖擊鉆井破巖理論研究”(PY120121)
李瑋(1979-),男,教授,博士生導師,2003年畢業(yè)于大慶石油學院油氣井工程專業(yè),2010年畢業(yè)于東北石油大學油氣井工程專業(yè),獲博士學位,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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