扭轉沖擊提速工具在文安區塊的現場應用

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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扭轉沖擊提速工具在文安區塊的現場應用

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、超深井硬地層應用的一個重要因素。針對該問題，研制了扭轉提速沖擊工具。該工具通過給鉆頭提供一定頻率的扭轉沖擊力，從而抑制鉆具黏滑振動，提高鉆速。通過室內實驗驗證了周期性扭轉沖擊外載能夠有效地抑制PDC鉆頭的黏滑效應。現場試驗結果表明，使用扭轉沖擊提速工具后的機械鉆速提高了102%。該研究為扭轉沖擊提速工具在鉆井過程中的合理應用提供了理論依據。

鉆井提速；黏滑效應；PDC鉆頭；扭轉沖擊提速工具；文安區塊

0 引 言

隨著石油工業的發展，深井超深井勘探開發的比例正逐步增加。在深部鉆井過程中，由于鉆柱長度過長、扭轉剛度降低，井下摩阻扭矩大，鉆柱在井下轉動變得異常困難，從而產生了黏滯滑動現象[1-3]，該現象是造成機械鉆速降低的重要原因之一[4-6]。該文研發了扭轉沖擊提速工具，并分析了該工具的工作原理，通過室內實驗和現場應用，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 扭轉沖擊提速工具

1.1 工具結構

扭轉沖擊提速工具為純機械原件，其主要結構如圖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，其反復的周期性運動可以實現液動錘的換向開關；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生反復的扭轉沖擊。

圖1 扭轉沖擊工具結構剖面

1.2 工作原理

扭轉沖擊提速工具可以將鉆井液的流體動能轉換成周向、高頻、穩定的機械沖擊能，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，通過啟動器實現液動錘周期性、反復扭轉沖擊。液動錘形成的扭轉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 關鍵技術

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

圖2 液動錘外殼、液動錘、啟動器等部件結構的對應關系

鉆井液的流動分為3個部分：一是流經中心噴嘴，二是流經液動錘外殼2組分流孔，三是流經分流器、啟動器和液動錘進入到沖擊槽，流體最終匯聚在分流器下端。起始位置時，由于流經沖擊槽和液動錘外殼的液流壓力不同，可在啟動器一側產生壓差，進而推動啟動器旋轉，啟動器帶動液動錘轉動，產生第1次撞擊。到達終點位置后，啟動器在慣性作用下轉動，而液動錘撞到外殼后停止。到達終點位置后，啟動器繼續旋轉，實現流道開關和壓差變換，在啟動器另一側產生壓差，推動啟動器反向旋轉，進而帶動液動錘回轉產生第2次撞擊。如此往復運動，產生高頻撞擊振動。

1.4 工藝參數

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

2 扭轉沖擊破巖實驗及結果分析

2.1 實驗條件

應用鉆頭扭轉沖擊破巖模擬測試系統，在室內進行了PDC鉆頭的扭轉沖擊破巖實驗。鉆頭直徑為50.0mm，切削齒直徑為13.2mm，轉速設計為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 實驗結果分析

室內實驗主要對扭轉沖擊載荷對PDC鉆頭機械鉆速的影響規律進行研究，在實驗過程中記錄鉆時和扭矩等數據。實驗結果如圖3所示。

圖3 5000N鉆壓下的扭矩與鉆時關系

圖3為5 000N鉆壓下的扭矩與鉆時的關系曲線。由圖3可知，在靜壓鉆井時，鉆頭產生了明顯的周期性黏滑振動，導致鉆壓發生大幅度周期性波動。當鉆頭扭矩不足時，發生黏滯，轉數降低，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。而扭轉沖擊破巖技術改變了PDC鉆頭的破巖方式，從持續的轉矩輸入轉變為持續轉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，而在高頻扭轉沖擊條件下，扭矩穩定在一個小范圍內，可以穩定地切削巖石。

室內實驗驗證了扭轉沖擊作用可以明顯地抑制黏滑效應，在鉆進過程中，高能鉆井液在流過工具時，工具產生的扭轉沖擊力(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鉆頭的黏滑現象，從而提高機械鉆速。

3 扭轉沖擊提速工具的現場試驗

文安101x為評價井，設計井深為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井使用扭轉沖擊工具，機械鉆速得到大幅度提高。

3.2 鉆井參數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，根據不同的鉆壓、轉速求得各段鉆時平均值并繪圖(圖4)。

圖4 鉆時與井深關系曲線

第1階段鉆壓為80 000N，轉速為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，提高轉速至80r/min，平均鉆時為15min/m，鉆進至4 132m；第3階段轉速為80r/min，鉆壓降至50 000N，鉆時繼續提高，平均約為17min/m；第4階段，繼續鉆進至井深4 156m，提高鉆壓至80 000N，降低轉速至50r/min，鉆時顯著降低，平均為14min/m。通過實鉆數據可以看出，工具在工作過程中，存在最優鉆井參數，即采用高鉆壓、低轉速，可最大限度地提高鉆速。

4 結 論

(1) 自主研發了可產生1 500Hz/min沖擊頻率的扭轉沖擊工具，介紹了工具的主體結構，并分析了工具的工作狀態及提速機理。

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

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

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[2] 陳養龍，等. 托甫臺地區超深井優快鉆井技術研究與應用[J]. 特種油氣藏，2012，19(6)：138-140.

[3] 常興浩，秦玉英，王錦昌. 大牛地氣田水平井鉆完井工藝技術[J]. 特種油氣藏，2013，20(2)：130-133.

[4] 韓春杰，閻鐵. 大位移井鉆柱“黏滯-滑動”規律研究[J]. 天然氣工業，2004，24(11)：58-60.

[5] 羅恒榮.臨盤油田PDC鉆頭防斜打快鉆具組合優化及應用[J]. 石油鉆探技術，2016，44(1)：12-17.

[6] 王燕， 等.垂直鉆井系統糾斜機構脈寬調制控制研究[J]. 石油鉆探技術，2010，38(2)：120-125.

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年畢業于大慶石油學院油氣井工程專業，2010年畢業于東北石油大學油氣井工程專業，獲博士學位，現主要從事高效鉆井破巖、水力壓裂、鉆井優化等方面的理論與技術研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.04.034

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