扭力沖擊器在新疆地區的應用研究

2017-09-03 10:22:48楊鎮榜朱忠喜林瀚

長江大學學報(自科版) 2017年15期

楊鎮榜，朱忠喜，林瀚

長江大學石油工程學院油氣鉆井技術國家工程實驗室防漏堵漏技術研究室，湖北武漢 430100

扭力沖擊器在新疆地區的應用研究

楊鎮榜，朱忠喜，林瀚

長江大學石油工程學院油氣鉆井技術國家工程實驗室防漏堵漏技術研究室，湖北武漢 430100

新疆某井A位于克拉瑪依東約35km，區域位于準葛爾盆地，地質條件復雜。在地層深度2500～3300m的井段，PDC鉆頭鉆進困難，鉆速緩慢，于是使用了扭力沖擊器提速。分析了扭力沖擊器在A井的適用性，與鄰井相比，鉆速可提高138%；與上下鄰井段相比，可使鉆速提高286%，并且有效減少了鉆頭黏滑現象，延長了鉆頭使用壽命，這為該區塊的鉆井提速提供了新途徑。

PDC鉆頭；鉆速；扭力沖擊器；新疆地區

A井下部井段機械鉆速低，在下克拉瑪依組、上烏爾禾組、夏子街組存在夾層，相對于鄰井地層可鉆性差。在上述地層中，牙輪鉆頭的磨損情況較為嚴重，于是改用PDC鉆頭。使用PDC鉆頭時，在該地層又發生了黏滑現象，導致鉆頭的鉆速較慢且總進尺短。所以加強鉆頭的抗研磨性十分關鍵，同時鉆頭的機械鉆速和進尺也能得到提高。通過現場使用扭力沖擊器，成功提升了機械鉆速，克服了黏滑現象，提高了機械鉆速。

1 扭力沖擊器的工作原理及技術特點

1.1 工作原理

井下PDC鉆頭的運動并不是規則的，包括橫向、縱向扭向振動以及它們的組合，圖1中為幾種井下鉆具工作情況：(a)表示鉆頭在井底正常鉆進的理想情況，該情況在實際現場中很少出現；(b)表示鉆頭吃入地層不足時，鉆頭出現短暫的卡頓，此時能量漸漸聚集到鉆頭上；(c)表示鉆頭被卡住后無法繼續轉動，但是上部轉盤依然還在旋轉，導致鉆柱被扭曲，扭矩全部蓄積在鉆柱上；(d)表示當扭矩聚集到足夠大足以破碎地層時，鉆柱扭矩突然釋放，此時鉆頭會突然加速并破巖。由于鉆頭瞬間承受巨大壓力，多次經歷以上過程后鉆頭會被磨損，PDC切削齒會被破壞，從而導致鉆頭壽命降低，同時在這種卡鉆后瞬間滑動的過程也會產生不規則井眼從而降低井身質量；(e)表示使用扭力沖擊器的工作情況，由于其高頻均勻的沖擊，鉆頭不會出現黏滑現象而是快速穩定地在地層中鉆進。

圖1 井底鉆頭及鉆具組合示意圖

扭力沖擊器是一種通過鉆井液能量產生高頻機械振動從而改變PDC鉆頭運動方式的提速工具。扭力沖擊器結構如圖2所示，當井下扭力沖擊器工作時，鉆井液流量分配器將進入沖擊器內部的鉆井液分配到管狀接頭內。位于接頭內的2個動力錘在鉆井液能量帶動下開始相互轉動，驅動短節內的驅動軸將該過程所產生的沖擊能量集中均勻地傳送到鉆頭上，這使得鉆頭對地層產生了穩定均勻且高頻的沖擊力，鉆頭此時切削地層的速度提高到800～1600次/min，PDC鉆頭的運動方式從根本上改變了。此時扭力沖擊器產生的力直接作用在鉆頭上，鉆柱不會產生過量載荷，大大降低了黏滑現象，并且提高了鉆速，延長了鉆頭總進尺[1～4]。

圖2 扭力沖擊器結構

1.2 技術特點

扭力沖擊器內部結構堅實牢靠，沒有橡膠件和電子件，即使出現失效的情況，也只會造成機械鉆速的降低而不會引起其他事故，因此安全可靠。同時，扭力沖擊器不僅可以提高機械鉆速，還可以在一定程度上防止井斜，從而提高井身質量。扭力沖擊器由鉆井液的能量帶動，因此鉆井液的流量越大，扭力沖擊器的沖擊頻率越高，對鉆速的提升以及克服黏滑現象的能力也就越大。由于扭力沖擊器是穩定高頻沖擊，普通牙輪鉆頭無法承受，所以通常在PDC鉆頭上使用，通過扭力沖擊器的高頻振動來減小或消除鉆頭吃入地層時的黏滑現象，提高機械鉆速并延長PDC鉆頭的壽命。

2 扭力沖擊器在A井的應用分析

2.1 扭力沖擊器應用情況

A井井深3625m，使用牙輪鉆頭和普通PDC鉆頭鉆完一開、二開，三開在二疊系白堿灘組及上克拉瑪依組井深2640～2922m井段使用MS1952SS型號PDC鉆頭，遭遇夾層使得效果較差，機械鉆速僅為1.75m/h。提速換鉆頭在上克拉瑪依組及下克拉瑪依組井深2922～2964m井段使用MS1953SS型號PDC鉆頭加螺桿組合，由于遭遇夾層，效果同樣較差，機械鉆速僅為0.97m/h。此時提速使用阿特拉?215.9mmPDC鉆頭U513S加扭力沖擊器，大幅提升了機械鉆速，在下克拉瑪依組、上烏爾禾組、夏子街組2964～3625m的井段機械鉆速為3.75m/h，該井段進尺為661m。A井使用鉆井參數為鉆壓120kN，泵排量為28L/s，轉盤轉速為60r/min，鉆井液密度為1.32g/cm3，含砂量為0.3%。

使用的鉆具組合為?215.9mm鉆頭×0.23m+?181mm扭力沖擊器×0.79m+4A0×411接頭×0.47m+?158.75mm鉆鋌2根×18.4m+?214mm穩定器×1.38m+?158.75mm鉆鋌21根×191.93m+4A1×410接頭×0.36m+?127mm鉆桿355根×3400.23m+?133mm方鉆桿×11.21m。

2.2 使用效果分析

2.2.1 地層巖性

扭力沖擊器使用地層為下克拉瑪依組下部、上烏爾禾組和夏子街組，其中下克拉瑪依組下部巖性為灰色砂礫巖夾薄層泥巖，上烏爾禾組為棕褐色、綠灰色礫巖夾褐色砂質泥巖，夏子街組為雜色小礫巖、褐灰色砂礫巖、含礫巖質細砂巖。該井段地層以礫巖為主。

2.2.2 與鄰井段對比

如圖3所示在2640～2922m井段使用單只PDC鉆頭，由于遭遇夾層，機械鉆速僅為1.75m/h，進尺282m。鉆至2922m后提換鉆頭并搭配螺桿，并鉆至2964m，進尺42m。由于存在夾層，該井段機械鉆速僅為0.97m/h，且黏滑現象嚴重，鉆至2964m后，更換阿特拉PDC鉆頭并且使用扭力沖擊器，鉆至3625m后，使用扭力沖擊器，機械鉆速立即提升為3.75m/h，對比上部井段提升了286%。可見對于復雜地層，使用扭力沖擊器可以大幅提高機械鉆速，延長鉆頭壽命，并且在一定程度上預防復雜事故。

圖3 A井不同井段機械鉆速對比

2.2.3 與同地層鄰井對比

A、B、C、D這4口井處于同一區塊，在該區塊上烏爾禾組、夏子街組位于2900～3700m，上述4口井全部采用PDC鉆頭進行鉆進，表1為4口同地層鉆井情況的對比，可以看出，在2900～3700m的不同井的對比中，由于存在夾層，單純使用PDC鉆頭鉆速較慢，而使用了扭力沖擊器的A井機械鉆速明顯高于附近未使用扭力沖擊器的B、C、D井，與B井相比鉆速提高了138%。