黃河淳

（中石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，四川德陽618000）

1 TorkBuster扭力沖擊器工作原理

1.1 鉆井過程中的“卡-滑”現(xiàn)象

在正常鉆井條件下，PDC鉆頭能連續(xù)地破碎剪切地層(如圖1-a所示)。但是遇到堅硬、可鉆性差的地層時，PDC通常沒有足夠的扭矩來破碎地層，從而使鉆頭瞬間停止轉(zhuǎn)動(如圖1-b所示)。這時，扭矩能量就開始在鉆柱中聚集，鉆柱會像發(fā)條一樣扭緊(如圖1-c所示)，一旦達到剪切破碎地層所需的扭矩，鉆柱中的扭矩能量就會突然釋放出來，鉆頭將會以高于普通鉆頭的轉(zhuǎn)速破巖(如圖1-d所示)。這種猛烈變化運動被稱之為“卡-滑”現(xiàn)象[1-3]，這種現(xiàn)象會導致鉆頭過早失效，也會縮短下部鉆具的使用壽命。

1.2 TorkBuster扭力沖擊器工作原理

研究表明：在井下，PDC鉆頭的運動是極其無序的，包括橫向、縱向和扭向的振動及這幾種振動的組合。井下振動會損壞單個PDC切削齒，導致鉆頭壽命降低，引起扭矩波動干擾定向控制和隨鉆測井（LWD）信號，以及產(chǎn)生不規(guī)則井眼降低井身質(zhì)量。為了提高PDC鉆頭在硬巖中的鉆進效率和壽命，Ulterra公司和聯(lián)合金剛石公司研發(fā)出的一種扭轉(zhuǎn)沖擊發(fā)生器（Tork?Buster）[4-5]。它是一種純機械動力工具，巧妙地將鉆井液的流體能量轉(zhuǎn)換成扭向的、高頻的(每分鐘750～1500次)、均勻穩(wěn)定的機械沖擊能量，并直接傳遞給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。TorkBuster提供的這種額外的扭向沖擊力完全改變了PDC鉆頭的運作方式，就相當于每分鐘750～1500次切削地層，使鉆頭和井底始終保持連續(xù)性(如圖1-e所示)。TorkBuster大大消除了上述的“卡-滑”現(xiàn)象，因此不但能夠提高機械鉆速，而且還能延長鉆頭及下部鉆柱組合的壽命。

1.3 Torkbuster扭力沖擊器的結(jié)構(gòu)組成

Torkbuster扭力沖擊器由泥漿流量分配器（帶過濾單元）、動力沖擊部分、驅(qū)動短節(jié)（含驅(qū)動軸）以及鉆頭接頭幾個部分組成，如圖2所示。

扭力沖擊器利用鉆井液的液力能驅(qū)動。鉆井液從上接頭經(jīng)過泥漿流量分配器進入工具，驅(qū)動接頭內(nèi)沖擊錘的2個動力部分相互反轉(zhuǎn)運動，產(chǎn)生的均勻、穩(wěn)定的高頻沖擊扭轉(zhuǎn)能量，由驅(qū)動短節(jié)內(nèi)的驅(qū)動軸傳遞到鉆頭。

扭力沖擊器提供的這種額外扭向沖擊力完全改變了PDC鉆頭破巖的切削運動。此時，PDC鉆頭切削地層的扭力一個是轉(zhuǎn)盤提供的扭力，一個是工具提供、并直接施加到鉆頭的高頻、穩(wěn)定、連續(xù)的附加扭向沖擊力（對鉆具不產(chǎn)生作用，不改變鉆頭破巖的主要能量），這個沖擊力有助于鉆頭切削齒切入地層，使鉆頭不需要等待鉆具積蓄足夠的扭轉(zhuǎn)能量就可以保持高頻、連續(xù)切削地層的狀態(tài)，可消除鉆具積蓄能量后再突然釋放帶來的鉆頭振動、粘滑、彈跳及回轉(zhuǎn)，從而提高切削效率和鉆頭壽命。

圖1 井底鉆頭的工作狀態(tài)示意圖

圖2 鉆頭扭力沖擊器結(jié)構(gòu)

2 TorkBuster在TP234X井的應用實驗

2.1 基本情況

Torkbuster工具在TP234X井三開（215.9mm）井段5178.36～6167.84m共進行3趟鉆試驗，實際鉆遇地層如表1所示。

2.2 TorkBuster工具型號選擇

TP234X井TorkBuster工具的尺寸及性能參數(shù)如圖3、表2所示。

表1 試驗井段鉆遇地層表

圖3 165mm TorkBuster主要尺寸

2.3 鉆具組合

TP234X井TorkBuster鉆進井段采用的鉆具組合均為：215.9mmUD513鉆頭+165.1mmTorkbuster+165.1mm鉆鋌（2根）+214mm扶正器+165.1mm鉆鋌（17根）+127mm加重鉆桿（12根）+127mm鉆桿。

三趟鉆均使用的UD513型號鉆頭，其中第一趟鉆和第二趟鉆使用的是同一只鉆頭。

表2 165mm TorkBuster主要性能參數(shù)

2.4 鉆進參數(shù)

TP234X井TorkBuster鉆進井段采用的鉆進參數(shù)見表3。

表3 TorkBuster鉆進井段鉆進參數(shù)數(shù)據(jù)

2.5 鉆井液性能

TP234X井TorkBuster鉆進井段采用的鉆井液性能一致，見表4。

表4 TorkBuster鉆進井段鉆井液性能數(shù)據(jù)

2.6 實鉆數(shù)據(jù)

TP234X井TorkBuster鉆進井段實鉆數(shù)據(jù)見表5。

3 試驗效果分析與評價

表5 試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

3.1 第一趟鉆分析

（1）鉆頭靠近中心部位復合片底座沖蝕嚴重，由于鉆頭泥包，造成鉆頭水力分配不均，使高密度的泥漿集中沖蝕鉆頭冠部未被泥包部位，鉆頭的PDC齒焊接部位抵抗沖蝕能力差，造成復合片焊接部位沖蝕嚴重，如圖4所示。鉆頭產(chǎn)生泥包，一定程度上反映了UD513鉆頭不適應托甫臺區(qū)地層。

（2）從鉆速曲線上看出，在砂巖中鉆速較快，在泥巖中鉆速減慢較多，推測鉆頭在泥巖中產(chǎn)生泥包是影響鉆速的一個原因。

圖4 第一趟鉆頭出井情況

3.2 第二趟鉆分析

如圖5所示，鉆頭中心部位磨凹，根據(jù)第一趟鉆鉆頭底部PDC片沖蝕嚴重，可推斷第二趟鉆進過程中復合片剝落，并和鉆頭本體中心研磨，造成中心磨損嚴重。

3.3 第三趟鉆分析

第三趟鉆下入了同型號的新鉆頭，機械鉆速較高，達到7.7m/h，但由于鉆至中完井深，進尺只有160.84m，無法驗證TorkBuster是否能夠增加PDC鉆頭進尺和延長PDC鉆頭使用時間。

圖5 第二趟鉆頭出井情況

3.4 試驗總體評價分析

（1）與鄰井鉆頭機械鉆速對比。從表6可以看出：在5240.70～5997.15m井段機械鉆速提高77%；井段6007～6167.84m機械鉆速最高提高110%。

（2）鉆頭在卡拉沙依組泥包嚴重，出現(xiàn)泥包2次，耽誤時間較長。這反映出選用的UD513不適宜卡拉沙依組的泥巖。UD513鉆頭抵抗高密度泥漿沖蝕的能力差，致使在第二趟試驗中鉆頭冠部切削齒脫落，造成鉆頭磨損嚴重。

（3）TorkBuster延長PDC的使用壽命并未體現(xiàn)出來，試驗中PDC雖然機械鉆速提升較大，但使用壽命并不比國產(chǎn)的長。

表6 機械鉆速對比表

4 結(jié)論與認識

（1）TorkBuster+PDC大大消減硬地層鉆進的“卡-滑”現(xiàn)象，在托甫臺區(qū)塊能夠較大幅度地提高機械鉆速。

（2）此次試驗并沒有顯現(xiàn)出TorkBuster增加鉆頭進尺、延長鉆頭壽命的優(yōu)點。

（3）選用抗泥包性能強、鉆頭胎體耐沖蝕的PDC的鉆頭進一步試驗，驗證TorkBuster延長PDC鉆頭使用時間的優(yōu)點。若能降低鉆頭成本，TorkBuster可作為托甫臺區(qū)深井鉆井提速的一種有效手段。

[1] 童金旺.幾種典型難鉆地層提速方法[J].石油機械，2016，44(12)：38-41.

[2] 熊繼有，錢聲華，嚴仁俊，等.鉆井高效破巖新進展[J].天然氣工業(yè)，2004，24(4)：27-29.

[3] 蘭凱，張金成，母亞軍，等.高研磨性硬地層鉆井提速技術(shù)[J].石油鉆采工藝，2015，37(6)：18-22.

[4] 張海山，葛俊瑞，楊進，等.扭力沖擊器在海上深部地層的提速效果評價[J].斷塊油氣田，2014，21(2)：249-251

[5] 周祥林，張金成，張東清.TorkBuster扭力沖擊器在元壩地區(qū)的試驗應用[J].鉆采工藝，2012，35(2)：45-49.