扭转冲击提速工具在文安区块的现场应用

2016-12-20李卓伦刘伟卿邱晓宁陈世春

特种油气藏 2016年4期

关键词：文安机械钻速破岩

李玮，李卓伦，刘伟卿，邱晓宁，陈世春

(1.东北石油大学，黑龙江大庆 163318；2.中国石油华北油田分公司，山西晋城 048000；3.中国石油渤海钻探工程有限公司，天津 300457)

扭转冲击提速工具在文安区块的现场应用

李玮1，李卓伦1，刘伟卿2，邱晓宁3，陈世春3

(1.东北石油大学，黑龙江大庆 163318；2.中国石油华北油田分公司，山西晋城 048000；3.中国石油渤海钻探工程有限公司，天津 300457)

钻具黏滑振动现象造成PDC钻头过早失效是限制PDC钻头在深井、超深井硬地层应用的一个重要因素。针对该问题，研制了扭转提速冲击工具。该工具通过给钻头提供一定频率的扭转冲击力，从而抑制钻具黏滑振动，提高钻速。通过室内实验验证了周期性扭转冲击外载能够有效地抑制PDC钻头的黏滑效应。现场试验结果表明，使用扭转冲击提速工具后的机械钻速提高了102%。该研究为扭转冲击提速工具在钻井过程中的合理应用提供了理论依据。

钻井提速；黏滑效应；PDC钻头；扭转冲击提速工具；文安区块

0 引言

随着石油工业的发展，深井超深井勘探开发的比例正逐步增加。在深部钻井过程中，由于钻柱长度过长、扭转刚度降低，井下摩阻扭矩大，钻柱在井下转动变得异常困难，从而产生了黏滞滑动现象[1-3]，该现象是造成机械钻速降低的重要原因之一[4-6]。该文研发了扭转冲击提速工具，并分析了该工具的工作原理，通过室内实验和现场应用，验证了工具提速效果，为钻井提速工具的高效利用提供了一定的指导。

1 扭转冲击提速工具

1.1 工具结构

扭转冲击提速工具为纯机械原件，其主要结构如图1所示，其中分流器、启动器和液动锤是该工具的核心部件。分流器固定在液动锤外壳，该部件不运动，其功能主要用来分流流体和定位启动器；启动器是阀控机构，其反复的周期性运动可以实现液动锤的换向开关；液动锤是该工具的冲击部件，主要功能是在高压流体能的作用下产生反复的扭转冲击。

图1 扭转冲击工具结构剖面

1.2 工作原理

扭转冲击提速工具可以将钻井液的流体动能转换成周向、高频、稳定的机械冲击能，并将该机械能传递给钻头。配合PDC钻头使用时，工具能很好地抑制钻头的黏滑振动，是目前钻井行业的前沿提速工具。导流器将从钻铤传送来的钻井液进行分流，将含有大颗粒的钻井液经分流器排出工具；将不含大颗粒的钻井液输送到启动器和液动锤中，避免工具工作过程中卡死。来自分流器的流体打开启动器，通过启动器实现液动锤周期性、反复扭转冲击。液动锤形成的扭转冲击力通过传动接头传递给钻头，从而克服PDC钻头的黏滑振动。

1.3 关键技术

该工具的扭转冲击力是由液动锤冲击液动锤外壳产生的，稳定地控制液动锤的运动过程是该工具的关键技术。液动锤运动过程可以分解为起始位置、终点位置和临界转变等3个阶段(图2)。

图2 液动锤外壳、液动锤、启动器等部件结构的对应关系

钻井液的流动分为3个部分：一是流经中心喷嘴，二是流经液动锤外壳2组分流孔，三是流经分流器、启动器和液动锤进入到冲击槽，流体最终汇聚在分流器下端。起始位置时，由于流经冲击槽和液动锤外壳的液流压力不同，可在启动器一侧产生压差，进而推动启动器旋转，启动器带动液动锤转动，产生第1次撞击。到达终点位置后，启动器在惯性作用下转动，而液动锤撞到外壳后停止。到达终点位置后，启动器继续旋转，实现流道开关和压差变换，在启动器另一侧产生压差，推动启动器反向旋转，进而带动液动锤回转产生第2次撞击。如此往复运动，产生高频撞击振动。

1.4 工艺参数

扭转冲击提速工具外径为178mm，工作排量为18～25L/s，耐温为350 ℃，可以产生750～1500 次/min的冲击频率，冲击力为2 000N/m，产生的压降仅为0.5～1.5MPa。

2 扭转冲击破岩实验及结果分析

2.1 实验条件

应用钻头扭转冲击破岩模拟测试系统，在室内进行了PDC钻头的扭转冲击破岩实验。钻头直径为50.0mm，切削齿直径为13.2mm，转速设计为200r/min。采用自来水作为钻井液携带岩屑和冷却钻头。该实验中选择红色砂岩为实验岩样，采用的PDC钻头为双齿，钻压为5 000N。

2.2 实验结果分析

室内实验主要对扭转冲击载荷对PDC钻头机械钻速的影响规律进行研究，在实验过程中记录钻时和扭矩等数据。实验结果如图3所示。

图3 5000N钻压下的扭矩与钻时关系

图3为5 000N钻压下的扭矩与钻时的关系曲线。由图3可知，在静压钻井时，钻头产生了明显的周期性黏滑振动，导致钻压发生大幅度周期性波动。当钻头扭矩不足时，发生黏滞，转数降低，积蓄扭矩；当积蓄的扭矩达到破碎岩石的扭矩时，钻头突然释放，滑脱，扭矩积蓄得越多，释放后的波动也越大。而扭转冲击破岩技术改变了PDC钻头的破岩方式，从持续的转矩输入转变为持续转矩与周期性的高能冲击相互叠加，PDC钻头受力与岩石受力及破碎均不同于常规钻井，通过施加一定频率的扭矩，可以明显降低钻头的扭矩波动，从而稳定地切削破碎岩石，避免了对钻柱的损伤。从图3中可以看出，低频脉冲条件下，扭矩的波动明显变缓，而在高频扭转冲击条件下，扭矩稳定在一个小范围内，可以稳定地切削岩石。

室内实验验证了扭转冲击作用可以明显地抑制黏滑效应，在钻进过程中，高能钻井液在流过工具时，工具产生的扭转冲击力(约为2 000N/m)会直接传递给PDC钻头，这就使钻头不需要等待积蓄足够的扭力能量就可以切削地层，有效避免PDC钻头的黏滑现象，从而提高机械钻速。

3 扭转冲击提速工具的现场试验

文安101x为评价井，设计井深为5 041.20m，垂深为4 900.00m，三开井深为4 713.00m，目的层位和完钻层位均为奥陶系。井深为3 890.00m时，井斜角为27.24 °。

3.1 工具应用情况及效果

由于该井井斜过大，所下入螺杆钻具组合对控制井斜没有效果，达不到降斜目的，因此，选择扭转冲击工具配合小钟摆钻具组合完成下部钻进工作。使用工具段为3 890～4 457m，钻压为80 000N，转速为50r/min，排量为29～30L/s，泥浆密度为1.37 ～1.42g/cm3。采用PDC钻头，钻遇地层为沙四段孔店组，岩性以砂岩泥岩为主。机械钻速为4.29m/h。邻井文安1井在沙四段常规钻具组合机械钻速为1.75m/h，邻井文古3井在沙四段机械钻速为2.12m/h。对比分析显示，文安101x井使用扭转冲击工具，机械钻速得到大幅度提高。

3.2 钻井参数对工具提速效果的影响

4 020～4 185m井段岩性相同，均为灰色砂岩，根据不同的钻压、转速求得各段钻时平均值并绘图(图4)。

图4 钻时与井深关系曲线

第1阶段钻压为80 000N，转速为50r/min，钻时平均值约为11min/m，钻进至4 110m；第2阶段钻压为80 000N，提高转速至80r/min，平均钻时为15min/m，钻进至4 132m；第3阶段转速为80r/min，钻压降至50 000N，钻时继续提高，平均约为17min/m；第4阶段，继续钻进至井深4 156m，提高钻压至80 000N，降低转速至50r/min，钻时显著降低，平均为14min/m。通过实钻数据可以看出，工具在工作过程中，存在最优钻井参数，即采用高钻压、低转速，可最大限度地提高钻速。