SLTIDT型钻井提速工具研制

2013-01-12金有海董怀荣

石油矿场机械 2013年1期

周燕，金有海，董怀荣，谢慧，罗熙

（1.中国石油大学（华东），山东东营257061；2.胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东东营257000） ①

在我国能源战略及钻井大提速的背景下，对钻井速度与质量的要求越来越高。随着油气勘探开发向深层、深海等高难度、高风险区域的扩展，井越来越深，地层越来越复杂，钻井难度也越来越大，尤其是深部地层机械钻速低，制约着深井钻井速度，直接影响着油气勘探开发的进展，因此提高难钻地层机械钻速极为迫切。另一方面，近年来PDC钻头已逐步成为石油钻井主力钻头，2006年美国PDC钻头进尺约占总进尺的60%；美国落基山脉地区75%钻井进尺都是PDC钻头完成的。然而，PDC钻头在工程应用中还存在一些制约因素：对于中硬以上及高研磨性地层，严重的“卡滑”问题（stick-slip）、吃入深度不够以及使用寿命低等问题，限制了PDC钻头的应用范围［1－3］。

SLTIDT型扭转冲击钻井提速工具（以下简称扭冲）的研制正是以解决PDC钻头卡滑问题、提高难钻地层机械钻速为目的。目前，美国Ulterra公司和和哈里伯顿公司（Halliburton Energy Services，inc.）也有此类产品。其中，Ulterra公司的Torkbuster利用高速泥浆涡轮带动锤体旋转敲击钻头联接短节，将扭转冲击能量传递给钻头，涡轮部件多，易损坏，传递效率低（约50%～60%）；而哈里伯顿在其发明专利——旋转冲击钻井系统及方法（Rotary Impact Well Drillingsystem and Method）（US 7，096，980B2）［4］中公布了一种装置，利用钻井液带动叶轮旋转，控制旋转阀体导通流量，冲击2个封闭区域内的冲击块，但2个冲击块并不能保证同步运动，且冲击能量较小，存在紊乱、起反作用的可能性。西南石油大学公布了一种扭转冲击钻井工具（专利申请号：200910058083.9），利用螺杆钻具驱动冲击锤。以上几种产品虽原理不同，但都是流体驱动的扭转冲击发生器，都能给钻头施加一定的扭转冲击能量，是PDC钻头破岩方式的突破和创新。目前以Torkbuster最为成熟，在我国现场应用超50口井，其中，Torkbuster在元陆9井纯钻时间＞200h，在玉门油田青西2-66井提高行程钻速7.66倍。

SLTIDT型扭转冲击钻井提速工具的设计思路来源于心脏，有相互隔离的腔室，有与之相联的“血管”，在流体压差的作用下，直接驱动内部冲击锤做圆周反复冲击。相对上述国内外技术，这颗“钢铁之心”内部无涡轮、螺杆、叶轮等复杂零件，可靠性好，效率高，具有我国自主知识产权。随着技术工艺的逐步完善，必将展现其技术优势。

1 结构原理

SLTIDT型扭冲工具主要由钻铤短接、冲击锤、导向机构、钻头座等部件组成（如图1）。钻铤短接上部连接钻铤，钻头座连接PDC钻头，钻铤短接和钻头座由定位装置联接，由花键限制其相对转动的角度，其余部件封闭在内部。扭冲内部的冲击锤和导向机构能够转动，形成相互隔离的钻井液流道。钻井液经喷嘴截取部分钻井液驱动冲击锤旋转。在冲击锤敲击钻头座时，通往导向机构的流道打开，导向机构的反向触发带动冲击锤向反方向旋转，周而复始。冲击锤能够连续完成圆周反复扭转冲击，使PDC钻头在接收转盘或顶驱传递扭矩的同时，接收来自扭冲12～40Hz的周向冲击能量。

图1 SLTIDT型扭转冲击钻井提速工具结构

2 功能与参数

2.1 功能

SLTIDT型扭冲以提高难钻地层机械钻速为目的，属于一种井下辅助破岩工具。其主要功能包括：①能够克服PDC钻头卡滑（stick-slip），提高转盘或顶驱到钻头的能量传递效率；②在PDC钻头原有剪切破岩的基础上增加了扭转冲击破岩的方式和能量；③减小扭矩积累，平衡钻柱扭转震荡［5－7］，钻进过程扭矩波动小，延长钻头、钻具寿命。另外，因为岩石各向异性（aeolotropism of rock）［8－9］因素，扭冲提供的高频冲击能量更容易使其破碎，提高机械钻速。

2.2 技术参数

SLTIDT型扭冲的部分技术参数如表1。

表1 SLTIDT型扭冲的部分技术参数

3 关键技术

SLTIDT型扭转冲击钻井提速工具将部分钻井液的流体能量转化成机械能（即扭转冲击能量），关键技术主要有4个方面。

1）扭冲内部流动特性研究。包含能量分配规律研究以及输入参数（如流量、流体介质特性等）、结构参数对扭冲性能的影响等。

2）扭转冲击性能的评价判据。在现有PDC钻头破岩机理的基础上，分析扭冲额外提供的、一定频率的扭转冲击能量对破岩效果的影响，还有扭冲性能参数检测与分析技术，这是建立评价判据的基础与依据。

3）需要研发更加适合扭转冲击钻井提速工具的专用PDC钻头。需要更加耐冲击的、能够更好吃入地层的PDC钻头，与扭转冲击钻井提速工具一起配合使用，才能充分发挥其优势。

4）扭转冲击复合钻井技术。扭冲工具虽不像钻头对地层适应性敏感，对于适合PDC钻进但机械钻速≤5m／h的难钻地层来说，不同的参数控制会产生极大差异。也就是说，扭冲工具应与钻井工艺技术共同形成一套系统的提速技术。

4 现场试验

截至2012-05，SLTIDT型扭转冲击钻井提速工具在胜利和新疆油田共完成现场试验7口井，提速效果显著。其中：2012-02，SLTIDT型扭冲与PDC钻头的组合在樊55井试验，试验井段3 198.06～3 430.00m完钻（进尺231.94m），纯钻时间40.98 h，机械钻速达5.66m／h，同井同地层相邻井段对比，机械钻速提高127%，行程钻速提高274%。

扭冲在高946井的提速效果也十分显著。高946井是一口评价井，构造位置为济阳坳陷博兴洼陷正理庄—樊家鼻状构造带高946块较高部位，设计井深4 200m。该井井身结构一开0～201m，井眼直径ø444.5mm，ø339.7mm表层套管下至井深200m，水泥返至地面；二开201～2 252m，井眼直径ø311.2mm，ø244.5mm 技术套管下至井深2 250m，封过本区沙三上开发层系，相当于高894井2 228m的辉长岩地层；三开ø215.9mm钻头钻至井深4 200m，下入ø139.7mm生产套管，水泥返至井深2 000m。

该井自三开后，钻进地层属沙三中、下层，以深灰色泥岩、灰质泥岩、砂质泥岩为主。在井段2 461.0～2 666.8m使用PDC钻头钻进，转盘转速100r／min，钻压40kN，排量32L／s，钻时不稳定，平均钻时超20min，最长超时达70min，行程钻速1.715m／h；在井段3 515～3 788m也使用PDC钻头钻进，钻井参数相同，平均钻时22.34min，行程钻速1.8m／h。

为提高机械钻速，使用PDC扭冲工具，试验井段3 265～3 515m。钻压80kN，转盘转速60r／min，泵压16MPa，排量32L／s，钻井液密度1.23g／cm3。自2 461～3 788m的5趟钻钻进数据如表2，钻时曲线如图2，转盘扭矩曲线如图3。录井数据表明：5趟钻中PDC＋扭冲的钻进井段钻时最低，均值10.56min／m，且钻时波幅最小；同时，PDC＋扭冲时的钻进扭矩也最低，均值2.7kN·m；钻进扭矩可以和没有卡滑问题的牙轮钻头相媲美，而且扭矩波动最小，仅为1.4kN·m。

此次现场试验中，PDC＋扭冲进尺250m，纯钻时间44.03h，机械钻速5.68m／h，行程钻速3m／h，与同井同地层前、后2次单独使用PDC钻头钻进的井段相比，PDC＋扭冲工具机械钻速分别提高98.6%、111.5%，行程钻速分别提高74.9%、66.7%。在整个钻进过程中，SLTIDT型扭转冲击钻井提速工具能够很好地解决PDC卡滑问题，提高了机械钻速；同时由于其稳定了钻进过程，还延长了钻头等钻具的使用寿命，是一种经济高效的钻井提速工具。