研發一種石油天然氣鉆井液動力扭轉沖擊裝置

2015-10-12 08:03:30劉升旗

科技創新導報 2015年19期

劉升旗

摘要：石油天然氣鉆井液動力扭轉沖擊裝置：在用PDC鉆頭鉆難鉆進地層時，通常沒有足夠的扭矩來破碎地層，從而使鉆頭瞬間停止轉動，扭轉能量在鉆柱中儲存，鉆柱會像發條一樣扭緊，一旦產生了剪切破碎地層所需的扭矩，鉆柱儲存能量便會瞬間釋放開來，在PDC齒上施加比平常高得多的沖擊載荷，最終使金剛石齒破碎并導致鉆頭失效。鉆井液動力扭轉沖擊裝置被直接安裝在PDC鉆頭的上方，使用鉆井作業過程中使用的高壓鉆井液介質為動能，使沖擊裝置能給鉆頭施加一種高頻扭轉沖擊力和高頻上下沖擊力，能直接對鉆頭產生很高的功率，從而消除鉆頭的粘—滑—卡現象，大幅提高機械鉆速進尺，延長鉆頭壽命。該扭轉沖擊裝置申報獲得兩項專利，一項發明專利：201310108104；一項實用新型專利：201320153703。

關鍵詞：鉆井工程鉆井技術 PDC鉆頭機械鉆速扭轉沖擊發生器（TorkBuster）扭力沖擊發生器阿特拉卡—滑提速鉆井液滑—卡難鉆地層剪切破巖

中圖分類號：TE242 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（a）-0119-03

伴隨社會進步發展，人類對石油、天然氣能源需求越發依賴。石油、天然氣的開采量越來越大，易采區域正在逐年萎縮，難采區的鉆探開采逐年增加，難鉆地層的鉆井成本也在翻倍增長。目前世界各鉆井平臺在難鉆地層提高機械鉆速和降低成本方案是，使用聯合金剛石公司（United Diamond）和阿特拉公司（Ulterra）合作研發的“扭力沖擊發生器”（TorkBuster）。在元壩區應用分析得出結論：（1）“TorkBuster扭力沖擊器+PDC鉆頭”鉆進較牙輪鉆頭提速效果明顯，機械鉆速提高3倍以上。（2）在現場應用中，應根據地層巖性、研磨性等相關因素選擇和調整相應鉆頭類型，將TorkBuster扭力沖擊器的提速作用發揮到最大。（3）對TorkBuster扭力沖擊器做進一步改進，使之能在高固相水基泥漿中也能正常持續高效率地工作。（4）在元壩地區的應用為后續該技術的實施積累了寶貴經驗。為降低采購成本，盡快實現國產化研發使用。

為了打破國外在該領域技術壟斷，我公司與2010年開始展開“石油天然氣鉆井液動力扭轉沖擊裝置”研發工作。經歷數次結構調整，幾種備選鋼種試樣力學性能測試、化學分析、及熱處理工藝改進，最終在2013年研制成功。通過在新疆油田、勝利油田、川東北的油氣田進行鉆井試驗，使用壽命和機械鉆速等各項指標達到或優于“TorkBuster扭力沖擊器”。獲得兩項專利，一項發明專利：201310108104；一項實用新型專利：201320153703。“石油天然氣鉆井液動力扭轉沖擊裝置”的研發成功，打破了國外此領域的技術壟斷，降低了我國采購成本，提高我國在難鉆地層開采速度。

1 工藝總體技術方案

1.1 研發背景

提速是鉆井工程永恒的主題。隨著鉆井深度的不斷增加，鉆遇地層日益復雜，一方面，難鉆地層的機械鉆速有待提高；另一方面，作為石油鉆井的主力鉆頭—PDC鉆頭的卡—滑現象亟待解決。在正常鉆井條件下，多晶金剛石復合片（PDC）鉆頭能以極高的速度和效率鉆穿地層。但是，PDC鉆頭在堅硬、固結巖層中會降低切削深度。這也意味著PDC切刀必須依靠研磨地層鉆進，而不是剪切地層，這就會降低鉆速（ROP），大大增加刀片磨損度。隨著地層張力的增加，需要加大鉆壓（WOB），維持有效切削深度。鉆壓（WOB）增加常會引起“卡—滑”現象。在用鋒利PDC鉆頭鉆這些難度大的地層時候，鉆頭會隨時停轉，直至有足夠的扭矩來剪切開巖層。由于扭矩能量寄存其中，鉆具會打卷扭曲。一旦所需扭矩產生足夠多，鉆頭將會以高于普通鉆頭的轉速破巖。這種猛烈變化沖擊動作就稱之為“卡—滑”，最終會破壞鉆頭嵌入金剛石的完整性，導致切刀受損，鉆頭失效。卡—滑導致鉆柱扭轉振蕩、鉆進過程不穩定，以剪切破巖為機理的PDC鉆頭普遍存在卡滑問題，平均每10s發生1次卡—滑。這種劇烈不穩定的鉆進不但容易造成復合切削片崩齒，導致PDC鉆頭失效，也易使鉆頭松扣，誘發井下事故；而且鉆柱配套部件及井下工具組合受力工況惡劣，疲勞強度和使用壽命低，也在一定程度上降低了鉆井效率。

1.2 研發目的

‘石油天然氣鉆井液動力扭轉沖擊裝置研發總體設計方案分成兩大內容：第一利用高壓鉆井液作為動力源，液壓傳動原理為設計基礎，通過對結構零件形狀設計，能產生高頻脈沖扭矩沖擊力，達到破巖剪切功效，解決“卡—滑”現象，提高機械鉆速。第二井下環境條件惡略，產品要具有高耐磨性、高硬度、高強度、高韌性、高抗沖擊性、高耐腐蝕性、高耐高溫性等特點。

1.3 結構原理設計

我們引用液壓動力原理技術，通過流體導向分布及形狀結構科技技術創新，實現產生高頻沖擊脈沖。利用鉆井時所用的高壓鉆井液壓力作為動能，經過一級變徑節流使鉆井液一分為二形成兩個有壓差的壓力腔，經過機械機構改變壓力液體流體導向，使工作壓力腔產生上下沖擊動作；經過一級做功后的液體和一級節流減壓過的液體合流后，進行二級變徑節流再次形成兩個有壓差的壓力腔，同樣經過機械機構改變壓力液體流體導向，使工作壓力腔產生左右沖擊動作；這樣沖擊裝置就產生左右旋轉沖擊和上下竄動沖擊的三維立體高頻沖擊脈沖，沖擊頻率600～1300次/min。在鉆井過程中，旋轉動力系統將扭矩傳遞給PDC鉆頭同時，由鉆井液壓力為動力，“石油天然氣鉆井液動力扭轉沖擊裝置”產生的高頻沖擊脈沖動力，進行脈動沖擊破巖。由原來對堅硬巖石的一層層研磨刮削變成把巖石沖擊破碎；就像一下子把普通鉆變成沖擊鉆一樣，提高鉆頭壽命和掘進速度。

1.4 材料選用和熱處理工藝

考慮項目產品特殊的應用環境，要經受鹽、氯離子、二氧化碳、硫化氫、硫化物、酸、堿、含有腐蝕性化合物的水等多種腐蝕性介質的強烈腐蝕，及砂粒等磨礪性顆粒的強力磨損，條件極其苛刻。如何解決石油天然氣鉆井液動力扭轉沖擊裝置提速工具嚴重腐蝕與磨損問題，提高和延長其使用壽命，是一項重要研發內容。

本項目裝置采用新型高強度、耐腐蝕的鋼材料制造，按重量百分比計主要以鐵元素為基礎，包含有一定量的鉻、錳元素，并含有少量的、鎳、鉬和銅元素以及微量的碳、鈮和鈦元素，不但增強了鋼材的機械性能，還大幅度地提高了鋼材的高抗介質腐蝕性，其抗摩擦性能是20CrMoNi的16倍，抗腐蝕性能是20CrMoA的50倍，是一種節Ni、Mo型新材料，解決多種腐蝕性介質的強烈腐蝕問題，保護鉆頭和井下工具，延長鉆頭使用壽命。

零件用新鋼種胚料經過鍛造成零件毛坯，為了提高材料易加工性，進行正火熱處理后粗加工，粗加工后零件進行調質處理，調質后零件進行半精加工，半精加工后零件進行淬火、回火熱處理，處理好的零件進行磨床磨削精加工，完成以上工藝后對零件進行真空離子氮化工藝。經熱處理后的零件深部硬度在45-48HRC，表面硬度在61-63HRC，零件具有良好的抗沖擊韌性、高耐磨的表面硬度和優越的耐腐蝕性。

2 技術性能

主要技術參數表。（見表1）

3 應用案例

2012年2月在勝利油田樊55井3198.06-3430m井段，使用鉆井液動力扭轉沖擊裝置提速工具+PDC鉆頭，平均機械鉆速5.68m/h，是同井單純使用PDC鉆頭的2.27倍。

2012年2月在勝利油田高946井3265-3515m井段，使用鉆井液動力扭轉沖擊裝置提速工具+PDC鉆頭，平均機械鉆速5.75m/h，是同井單純使用PDC鉆頭的1.99倍。

鉆井液動力扭轉沖擊裝置在高946井實測扭矩及鉆時對比。（見圖1）

4 結論與認識

（1）“鉆井液動力扭轉沖擊裝置”能大大消減在硬地層鉆進時的“卡—滑”現象。減輕鉆柱扭轉振蕩，能夠有效保護鉆頭和鉆具等配套部件，有效降低鉆井成本。

（2）該項技術消除了井下鉆頭運動時可能出現的一種或多種振動現象，使整個鉆柱的扭矩保持穩定和平衡，使鉆頭不需要等待扭力積蓄足夠的能量就可以切削地層。

（3）“鉆井液動力扭轉沖擊裝置+PDC鉆頭”鉆頭提速效果明顯，機械鉆速和單只鉆頭進尺提高3倍以上。

（4）經濟性分析表明，鉆井實際使用中PDC鉆頭加“鉆井液動力扭轉沖擊裝置”鉆井技術與牙輪鉆頭常規鉆井技術的單位成本相當，或者更低。

（5）“鉆井液動力扭轉沖擊裝置”基本解決了PDC鉆頭在復雜地層壽命短和機械鉆速低的難題，其輔助PDC鉆頭鉆井工藝打破了對PDC鉆頭使用的傳統認識，該工具的推廣應用應會拓展PDC鉆頭應用的范圍，在適于PDC鉆頭鉆進的地層使用，會獲得更好的提速效果和經濟效益。