SLTIDT型鉆井提速工具研制

2013-01-12 06:24:16金有海董懷榮

石油礦場機械 2013年1期

周燕，金有海，董懷榮，謝慧，羅熙

（1.中國石油大學（華東），山東東營257061；2.勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營257000） ①

在我國能源戰略及鉆井大提速的背景下，對鉆井速度與質量的要求越來越高。隨著油氣勘探開發向深層、深海等高難度、高風險區域的擴展，井越來越深，地層越來越復雜，鉆井難度也越來越大，尤其是深部地層機械鉆速低，制約著深井鉆井速度，直接影響著油氣勘探開發的進展，因此提高難鉆地層機械鉆速極為迫切。另一方面，近年來PDC鉆頭已逐步成為石油鉆井主力鉆頭，2006年美國PDC鉆頭進尺約占總進尺的60%；美國落基山脈地區75%鉆井進尺都是PDC鉆頭完成的。然而，PDC鉆頭在工程應用中還存在一些制約因素：對于中硬以上及高研磨性地層，嚴重的“卡滑”問題（stick-slip）、吃入深度不夠以及使用壽命低等問題，限制了PDC鉆頭的應用范圍［1－3］。

SLTIDT型扭轉沖擊鉆井提速工具（以下簡稱扭沖）的研制正是以解決PDC鉆頭卡滑問題、提高難鉆地層機械鉆速為目的。目前，美國Ulterra公司和和哈里伯頓公司（Halliburton Energy Services，inc.）也有此類產品。其中，Ulterra公司的Torkbuster利用高速泥漿渦輪帶動錘體旋轉敲擊鉆頭聯接短節，將扭轉沖擊能量傳遞給鉆頭，渦輪部件多，易損壞，傳遞效率低（約50%～60%）；而哈里伯頓在其發明專利——旋轉沖擊鉆井系統及方法（Rotary Impact Well Drillingsystem and Method）（US 7，096，980B2）［4］中公布了一種裝置，利用鉆井液帶動葉輪旋轉，控制旋轉閥體導通流量，沖擊2個封閉區域內的沖擊塊，但2個沖擊塊并不能保證同步運動，且沖擊能量較小，存在紊亂、起反作用的可能性。西南石油大學公布了一種扭轉沖擊鉆井工具（專利申請號：200910058083.9），利用螺桿鉆具驅動沖擊錘。以上幾種產品雖原理不同，但都是流體驅動的扭轉沖擊發生器，都能給鉆頭施加一定的扭轉沖擊能量，是PDC鉆頭破巖方式的突破和創新。目前以Torkbuster最為成熟，在我國現場應用超50口井，其中，Torkbuster在元陸9井純鉆時間＞200h，在玉門油田青西2-66井提高行程鉆速7.66倍。

SLTIDT型扭轉沖擊鉆井提速工具的設計思路來源于心臟，有相互隔離的腔室，有與之相聯的“血管”，在流體壓差的作用下，直接驅動內部沖擊錘做圓周反復沖擊。相對上述國內外技術，這顆“鋼鐵之心”內部無渦輪、螺桿、葉輪等復雜零件，可靠性好，效率高，具有我國自主知識產權。隨著技術工藝的逐步完善，必將展現其技術優勢。

1 結構原理

SLTIDT型扭沖工具主要由鉆鋌短接、沖擊錘、導向機構、鉆頭座等部件組成（如圖1）。鉆鋌短接上部連接鉆鋌，鉆頭座連接PDC鉆頭，鉆鋌短接和鉆頭座由定位裝置聯接，由花鍵限制其相對轉動的角度，其余部件封閉在內部。扭沖內部的沖擊錘和導向機構能夠轉動，形成相互隔離的鉆井液流道。鉆井液經噴嘴截取部分鉆井液驅動沖擊錘旋轉。在沖擊錘敲擊鉆頭座時，通往導向機構的流道打開，導向機構的反向觸發帶動沖擊錘向反方向旋轉，周而復始。沖擊錘能夠連續完成圓周反復扭轉沖擊，使PDC鉆頭在接收轉盤或頂驅傳遞扭矩的同時，接收來自扭沖12～40Hz的周向沖擊能量。

圖1 SLTIDT型扭轉沖擊鉆井提速工具結構

2 功能與參數

2.1 功能

SLTIDT型扭沖以提高難鉆地層機械鉆速為目的，屬于一種井下輔助破巖工具。其主要功能包括：①能夠克服PDC鉆頭卡滑（stick-slip），提高轉盤或頂驅到鉆頭的能量傳遞效率；②在PDC鉆頭原有剪切破巖的基礎上增加了扭轉沖擊破巖的方式和能量；③減小扭矩積累，平衡鉆柱扭轉震蕩［5－7］，鉆進過程扭矩波動小，延長鉆頭、鉆具壽命。另外，因為巖石各向異性（aeolotropism of rock）［8－9］因素，扭沖提供的高頻沖擊能量更容易使其破碎，提高機械鉆速。

2.2 技術參數

SLTIDT型扭沖的部分技術參數如表1。

表1 SLTIDT型扭沖的部分技術參數

3 關鍵技術

SLTIDT型扭轉沖擊鉆井提速工具將部分鉆井液的流體能量轉化成機械能（即扭轉沖擊能量），關鍵技術主要有4個方面。

1）扭沖內部流動特性研究。包含能量分配規律研究以及輸入參數（如流量、流體介質特性等）、結構參數對扭沖性能的影響等。

2）扭轉沖擊性能的評價判據。在現有PDC鉆頭破巖機理的基礎上，分析扭沖額外提供的、一定頻率的扭轉沖擊能量對破巖效果的影響，還有扭沖性能參數檢測與分析技術，這是建立評價判據的基礎與依據。

3）需要研發更加適合扭轉沖擊鉆井提速工具的專用PDC鉆頭。需要更加耐沖擊的、能夠更好吃入地層的PDC鉆頭，與扭轉沖擊鉆井提速工具一起配合使用，才能充分發揮其優勢。

4）扭轉沖擊復合鉆井技術。扭沖工具雖不像鉆頭對地層適應性敏感，對于適合PDC鉆進但機械鉆速≤5m／h的難鉆地層來說，不同的參數控制會產生極大差異。也就是說，扭沖工具應與鉆井工藝技術共同形成一套系統的提速技術。

4 現場試驗

截至2012-05，SLTIDT型扭轉沖擊鉆井提速工具在勝利和新疆油田共完成現場試驗7口井，提速效果顯著。其中：2012-02，SLTIDT型扭沖與PDC鉆頭的組合在樊55井試驗，試驗井段3 198.06～3 430.00m完鉆（進尺231.94m），純鉆時間40.98 h，機械鉆速達5.66m／h，同井同地層相鄰井段對比，機械鉆速提高127%，行程鉆速提高274%。

扭沖在高946井的提速效果也十分顯著。高946井是一口評價井，構造位置為濟陽坳陷博興洼陷正理莊—樊家鼻狀構造帶高946塊較高部位，設計井深4 200m。該井井身結構一開0～201m，井眼直徑?444.5mm，?339.7mm表層套管下至井深200m，水泥返至地面；二開201～2 252m，井眼直徑?311.2mm，?244.5mm 技術套管下至井深2 250m，封過本區沙三上開發層系，相當于高894井2 228m的輝長巖地層；三開?215.9mm鉆頭鉆至井深4 200m，下入?139.7mm生產套管，水泥返至井深2 000m。

該井自三開后，鉆進地層屬沙三中、下層，以深灰色泥巖、灰質泥巖、砂質泥巖為主。在井段2 461.0～2 666.8m使用PDC鉆頭鉆進，轉盤轉速100r／min，鉆壓40kN，排量32L／s，鉆時不穩定，平均鉆時超20min，最長超時達70min，行程鉆速1.715m／h；在井段3 515～3 788m也使用PDC鉆頭鉆進，鉆井參數相同，平均鉆時22.34min，行程鉆速1.8m／h。

為提高機械鉆速，使用PDC扭沖工具，試驗井段3 265～3 515m。鉆壓80kN，轉盤轉速60r／min，泵壓16MPa，排量32L／s，鉆井液密度1.23g／cm3。自2 461～3 788m的5趟鉆鉆進數據如表2，鉆時曲線如圖2，轉盤扭矩曲線如圖3。錄井數據表明：5趟鉆中PDC＋扭沖的鉆進井段鉆時最低，均值10.56min／m，且鉆時波幅最小；同時，PDC＋扭沖時的鉆進扭矩也最低，均值2.7kN·m；鉆進扭矩可以和沒有卡滑問題的牙輪鉆頭相媲美，而且扭矩波動最小，僅為1.4kN·m。

此次現場試驗中，PDC＋扭沖進尺250m，純鉆時間44.03h，機械鉆速5.68m／h，行程鉆速3m／h，與同井同地層前、后2次單獨使用PDC鉆頭鉆進的井段相比，PDC＋扭沖工具機械鉆速分別提高98.6%、111.5%，行程鉆速分別提高74.9%、66.7%。在整個鉆進過程中，SLTIDT型扭轉沖擊鉆井提速工具能夠很好地解決PDC卡滑問題，提高了機械鉆速；同時由于其穩定了鉆進過程，還延長了鉆頭等鉆具的使用壽命，是一種經濟高效的鉆井提速工具。