扭力冲击器在宋深9H侧钻小井眼水平井中的应用

陈 鑫陈绍云王 楚李瑞营

（1.东北石油大学，黑龙江大庆 163318；2.大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆 163413；3.大庆油田有限责任公司采油一厂，黑龙江大庆 163001）

扭力冲击器在宋深9H侧钻小井眼水平井中的应用

陈 鑫1陈绍云2王 楚3李瑞营2

（1.东北石油大学，黑龙江大庆 163318；2.大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆 163413；3.大庆油田有限责任公司采油一厂，黑龙江大庆 163001）

为提高庆深气田侧钻小井眼水平井钻井速度，缩短钻井周期，开展了扭力冲击器配常规导向动力钻具提速技术的研究与应用。首先，重点分析新钻具组合强度是否满足钻进需求，从而防止应力集中造成钻具疲劳破坏；其次，利用扭力冲击器泵压-排量回推公式，优化钻井参数；最后，按照钻具允许的弯曲半径必须小于井眼/套管实际弯曲半径的原则，分析了Ø215.9 mm和Ø152.4 mm钻具组合通过能力，从而实现了钻具安全下入，形成了庆深气田扭力冲击器小井眼水平井提速技术，并在宋深9H井成功实施，为加快深层砂砾岩气藏的勘探开发提供了新的技术手段。

庆深气田；扭力冲击器；水平井；小井眼钻井；宋深9H井

近年来大庆深层致密气藏不断深入开发，导眼侧钻小井眼水平井成为针对致密砂砾岩储层勘探的一种有效方式。为进一步评价徐家围子断陷宋站地区沙河子组砂砾岩储层的含气性部署的宋深9H井，由于储层物性差、孔隙度低、地层提前滞后较多，采用先打导眼直井探明地层及含气情况部署的然后采用侧钻小井眼水平井的方式建设产能［1］。但深层侧钻小井眼水平井存在岩石可钻性差、摩阻扭矩高等难点，导致PDC钻头黏滑严重，无法有效吃入地层，破岩效率低。笔者针对小尺寸钻具易发生弯曲，钻压不能加过大的技术现状，从解决硬地层PDC钻头黏滑入手，借鉴深层直井扭力冲击器试验效果［2］，创新性地开展了扭力冲击器应用于水平井的研究，并在宋深9H井获得了良好的应用效果。

1 扭力冲击器水平井应用技术研究

1.1 扭力冲击器工作原理

PDC钻头的运动是极其无序的，配合扭力冲击器使用，其破岩机理是以冲击破碎为主，并加以旋转剪切岩层，主要作用是在保证井身质量的同时提高机械钻速。扭力冲击器消除了井下钻头运动时可能出现的一种或多种振动（横向、纵向和扭向）的现象，使整个钻柱的扭矩保持稳定和平衡，将钻井液的流体能量转换成扭向的、高频的、均匀稳定的机械冲击能量并直接传递给PDC钻头，使钻头和井底始终保持连续性［3-5］。因此，这种破岩方式具有以下几项特点：（1）工具无橡胶件，深井应用过程中抗温能力强、寿命长；（2）钻井液流量和流速越大，冲击能量也越大，对钻头产生的冲击频率也越高；（3）扭力冲击器增加机械钻速和钻井导向性，使PDC更有效地剪切破碎地层；（4）扭力冲击器降低了钻具震动，保护了切削齿，延长了PDC使用寿命；（5）由于高频冲击主要存在于周向上，所以只能与PDC钻头配合使用。

1.2 技术可行性分析

1.2.1 强度校核和信号干扰 深层侧钻水平井由于摩阻、扭矩较大，钻压加压效率相对较低，为了获得较好的破岩效率，需要适当增加钻压，但却易发生钻具屈曲，严重时甚至发生断钻具事故［6-7］；由于该项技术属首次应用，而厂家生产的能满足井眼尺寸的工具仅有Ø165 mm和Ø146 mm两个型号，较与之相连接的Ø172 mm和Ø120 mm螺杆尺寸有一定差异，可能存在应力集中点；由于该工具短、内部结构复杂，若发生井下事故，打捞难度较大。因此，工具入井前要开展强度校核，并做好工具探伤和运行记录。运用Landmark软件对三开钻具组合进行强度校核以及摩阻扭矩分析，扭力冲击器强度和摩阻扭矩均满足安全施工要求，优化结果见表1。

表1 宋深9H井造斜段、水平段钻具组合

导向功能主要依赖MWD/LWD的测量，而地面监控与井下仪器通迅，则是通过钻井液脉冲形式实现。但在信号传输过程中，混有多种频率、幅度噪声源，需要通过滤波装置滤波，才能够在井下复杂钻井环境下，从不固定的多频强噪声背景下提取出有用信号。根据扭力冲击器厂家提供的冲击频率为11 ~22 Hz，在滤波器滤波范围内，对仪器监控无影响。1.2.2 钻井参数 如图1所示，为大庆肇深17、徐深442等直井（Ø215.9 mm井眼）扭力冲击器井口测试时压降与排量关系图，据此回归出压降-排量关系式为

图1 扭力冲击器井口测试压降与排量关系图

为了快速携岩，并保证扭力冲击器处于理想工作状态，所需排量为28~32 L/s（造斜段）、12~15 L/s（水平段）0，由式（1）计算出扭力冲击器压耗为2.5~3 MPa。根据本井Ø215.9 mm造斜段前几趟钻排量30 L/s时泵压为17.51 MPa、Ø152.4 mm水平段前几趟钻排量13 L/s时泵压为20.49 MPa，累加得出新钻具组合在满足携岩、工具高效工作的同时，泵压小于25 MPa（图2），符合现场安全施工要求。

图2 宋深9H井泵压、排量关系曲线

随着钻压增大机械钻速会有一定的提高，钻具组合就会发生弯曲，且较小尺寸的钻杆，由于其抗拉、抗扭强度的限制，使得小井眼钻进过程中钻头加压和抗扭矩能力降低。小井眼钻井时转速高，钻具在井底承受的反扭矩也更大，在加压过大时极易导致扭断钻具的事故发生。所以在保证井身质量要求的情况下，运用Landmark软件对钻井参数进行优化设计（见表2），从而降低卡钻等复杂情况发生几率。

表2 宋深9H井造斜段、水平段各参数优化结果

1.2.3 下入能力 为了简化计算，将宋深9H井井眼轨道视为二维剖面。如图3所示，由于在常规导向钻具基础上增加了扭力冲击器，则底部钻具组合长度、刚度、造斜能力均发生了变化，考虑到套管/井眼内侧钻水平井的环空间隙小、动力钻具弯角等特征，要使下部钻具组合在套管和裸眼井段内安全通过，应满足下部钻具组合中机构性钻具（如螺杆钻具、扭力冲击器）的弯曲变形应小于许用变形值，确保机构性钻具能够正常工作［7］。而为了便于计算，现将实际情况转化为如图4所示的简直梁情况，并根据以上条件确定钻具通过理论计算公式

式中，Dci为套管内径，m；Dco为套管外径，m；h为套管壁厚，m；Rs为近钻头螺扶半径，m；Rb为钻头半径，m；O1为钻头在螺杆弯角作用下偏移轴线值，m；O2为扭力冲击器在侧向外挤力作用下弯矩，m。

现假设螺杆弯角为θ，近钻头螺扶中心至钻头下端面距离为L，则有O1=Lsinθ。由于国外厂商技术保密原因，扭力冲击器抗弯强度EId无法获得，因此将其视为同尺寸的螺杆钻具，并运用Landmark软件计算出钻头所受侧向力F约为42 kN，O2=FEId。

图3 扭力冲击器配螺杆钻具理论与实际偏移情况

图4 扭力冲击器配螺杆钻具理论与实际偏移情况简化示意图

针对宋深9H井实际情况进行计算，取扭力冲击器抗弯强度EId=4.647×103kN·m2，可得扭力冲击器弯矩O2=0.090 380 891 m，其中，钻头直径为152.4 mm， 钻头长度0.35 m， 工具长度0.7 m，并据此算出所需最小套管内径（见表3）。

表3 宋深9H井实际数值

从表3中可以看出，当螺杆弯角达到1.70°，井眼曲率为0~2.31°时，钻柱无法下入，而当井眼曲率继续增加时，钻柱又能顺利下入。分析其主要原因为当现场操作人员通过转动转盘将螺杆工具面调至与井眼剖面一致时，井眼的弯曲将有利于钻柱的下入。因此，根据以上计算结果，并结合现场实际情况得出：扭力冲击器配常规螺杆导向钻具在直井段最难下入；随着螺杆弯角的增大，钻柱的下入能力也随之变差。

2 现场试验

宋深9H井设计井深4 795.24 m，实际完钻井深4 650 m，四开采用多级滑套固井，井身结构见图5。该井累计使用钻头31只，其中用于侧钻小井眼水平井22只，进尺1 603.99 m，机械钻速1.25 m/h（试验井段所用钻头6只，进尺687.79 m，机械钻速1.60 m/ h）。使用扭力冲击器井段占侧钻全井段的42.88%，但纯钻时仅占33.49%，较常规导向钻进节约纯钻时5.04 d，节省钻头3.43只（节约起下钻6.17 d）。

图5 宋深9H井井身结构示意图

2.1 造斜段试验情况

该井于2012年12月2日于井深3 046.00 m开始侧钻，截至2012年12月28日钻至井深3 205.74 m，累计使用钻头4只（扣除1只江汉开窗钻头，进尺3.95 m），平均单只进尺仅为38.95 m，平均日进尺6.14 m。因此，在3 205.74~3 515.00 m试验扭力冲击器配螺杆导向钻具+U613M钻头（3只），进尺309.26 m，纯钻时间177.06 h，平均机械钻速1.75 m/ h。较同井段前4只钻头，单只进尺提高164.66%，机械钻速提高201.72%（表4）。

表4 试验总体效果

2.2 水平段试验情况

鉴于造斜段扭力冲击器提速效果明显，水平段计划也开展扭力冲击器提速，但由于厂家供货仅有3只配套工具，同时为了便于对比试验效果。因此，分别在3 630.08~3 757.57 m、4 082.48~4 198.27 m、4 405.13~4 540.39 m分3段进行了提速试验（钻头：1只U613M、2只U713M），累计进尺378.54 m，纯钻时间233.88 h，平均机械钻速1.62 m/h。较同井段其余9只钻头，单只进尺提高83.48%，机械钻速11.72%。

2.3 总体效果

扭力冲击器配螺杆导向钻具现场试验6井次（其中造斜段3次，水平段3次），累计进尺678.80 m，平均单只进尺114.63 m，平均机械钻速1.65 m/h，同比提高88.48%、43.00%，缩短钻井时间11.21 d，解决了大庆深层水平井（营城组）PDC钻头无法效吃入地层的技术难题。

3 结论和建议

（1）扭力冲击器通过钻井液脉冲产生稳定的、扭向冲击力作用在PDC钻头上，解决了高研磨地层PDC钻头黏滑现象，提高了钻头破岩效率。

（2）扭力冲击器配螺杆导向钻具下入能力随螺杆弯角增加而变差，对于Ø152.4 mm小井眼水平井，螺杆弯角应不大于1.5°，最优井眼曲率范围2.31~6.00°。

（3）宋深9H井现场试验6井次，累计进尺678.80 m，缩短钻井时间11.21 d，为沙河子组致密砂砾岩地层经济有效开发提供新的提速手段。

［1］韩福彬，李瑞营，李国华，等.庆深气田致密砂砾岩气藏小井眼水平井钻井技术［J］.石油钻探技术，2013，41（5）：56-61.

［2］李欢欢，王玉玺，李秋杰.扭力冲击器在大庆油田肇深17井的试验应用［J］.探矿工程，2013，40（4）：44-47.

［3］刘巨保，罗敏，邹野.Ø139.7套管内侧钻水平井弯螺杆钻具通过能力分析［J］.钻采工艺，2003，26（1）：15-16.

［4］马升武，张金斌，张瑞英，等.扭力冲击器在玉北地区应用研究［J］.钻采工艺，2013，36（4）：37-39.

［5］许京国，尤军，陶瑞东，等.扭力冲击器在玉门油田鸭西102井的应用［J］.钻采工艺，2013，36（5）：81-83.

［6］吕晓平，李国兴，王震宇，等.扭力冲击器在鸭深1井志留系地层的试验应用［J］.石油钻采工艺，2012，34（2）：99-101.

［7］商勇，陈世春，何选篷.轮古40C井套管开窗侧钻小井眼定向钻井技术［J］.石油钻采工艺，2005，27（3）：8-11.

（修改稿收到日期 2014-11-06）

〔编辑 薛改珍〕

Application of TorkBuster to sidetracking of slimhole horizontal well in Well Songshen 9H

CHEN Xin1, CHEN Shaoyun2, WANG Chu3, LI Ruiying2
（1.Northeast Petroleum University,Daqing163318,China;2.Daqing Drilling Engineering and Technology Research Institute,Daqing163413,China;3.No.1Oil Production Plant of Daqing Oilfield Co.Ltd.,Daqing163001,China）

In order to improve drilling rate in sidetracking of slimholehorizontal well in Qingshen Gasfield and shorten drilling period, research and application has been conducted on the technology of increasing drilling rate by TorkBuster assisted with conventional geosteering power drill.Firstly, analysis was conducted to see if the new assembly had enough strength for drilling, thus preventing fatigue and damage of the drillstring caused by stress concentration;secondly, the TorkBuster pump pressure-displacement back-push equation was used to optimize the drilling parameters;finally, the passing capacity of Ø215.9 mm and Ø152.4 mm assembly was analyzed as per the principle that the allowable bending radius must be less than the actual bending radius of slim hole/casing, hence realizing safe running of the assembly and generating this technology for increasing drilling rate in slim hole horizontal well by TorkBuster in Qingshen Gasfield, which was successfully used in Well Songshen 9H, providing a new technical approach for accelerating the exploration and development of deep sandy conglomerate gas pools.

Qingshen Gasfield;TorkBuster;horizontal well;slim hole drilling;Well Songshen 9H

陈鑫，陈绍云，王楚，等.扭力冲击器在宋深9H侧钻小井眼水平井中的应用［J］.石油钻采工艺，2014，36（6）：32-35.

TE242

：A

1000–7393（2014） 06–0032– 04

10.13639/j.odpt.2014.06.008

陈鑫，1988年生。2012年毕业于东北石油大学电子信息工程专业，在读硕士研究生，主要从事钻井设计和相关科研工作。电话：0459-4893596。E-mail：chenxin_0622@126.com。