TorkBuster在塔河油田TP234X井的应用实验

黄河淳

（中石化西南油气分公司石油工程技术研究院，四川德阳618000）

1 TorkBuster扭力冲击器工作原理

1.1 钻井过程中的“卡-滑”现象

在正常钻井条件下，PDC钻头能连续地破碎剪切地层(如图1-a所示)。但是遇到坚硬、可钻性差的地层时，PDC通常没有足够的扭矩来破碎地层，从而使钻头瞬间停止转动(如图1-b所示)。这时，扭矩能量就开始在钻柱中聚集，钻柱会像发条一样扭紧(如图1-c所示)，一旦达到剪切破碎地层所需的扭矩，钻柱中的扭矩能量就会突然释放出来，钻头将会以高于普通钻头的转速破岩(如图1-d所示)。这种猛烈变化运动被称之为“卡-滑”现象[1-3]，这种现象会导致钻头过早失效，也会缩短下部钻具的使用寿命。

1.2 TorkBuster扭力冲击器工作原理

研究表明：在井下，PDC钻头的运动是极其无序的，包括横向、纵向和扭向的振动及这几种振动的组合。井下振动会损坏单个PDC切削齿，导致钻头寿命降低，引起扭矩波动干扰定向控制和随钻测井（LWD）信号，以及产生不规则井眼降低井身质量。为了提高PDC钻头在硬岩中的钻进效率和寿命，Ulterra公司和联合金刚石公司研发出的一种扭转冲击发生器（Tork⁃Buster）[4-5]。它是一种纯机械动力工具，巧妙地将钻井液的流体能量转换成扭向的、高频的(每分钟750～1500次)、均匀稳定的机械冲击能量，并直接传递给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。TorkBuster提供的这种额外的扭向冲击力完全改变了PDC钻头的运作方式，就相当于每分钟750～1500次切削地层，使钻头和井底始终保持连续性(如图1-e所示)。TorkBuster大大消除了上述的“卡-滑”现象，因此不但能够提高机械钻速，而且还能延长钻头及下部钻柱组合的寿命。

1.3 Torkbuster扭力冲击器的结构组成

Torkbuster扭力冲击器由泥浆流量分配器（带过滤单元）、动力冲击部分、驱动短节（含驱动轴）以及钻头接头几个部分组成，如图2所示。

扭力冲击器利用钻井液的液力能驱动。钻井液从上接头经过泥浆流量分配器进入工具，驱动接头内冲击锤的2个动力部分相互反转运动，产生的均匀、稳定的高频冲击扭转能量，由驱动短节内的驱动轴传递到钻头。

扭力冲击器提供的这种额外扭向冲击力完全改变了PDC钻头破岩的切削运动。此时，PDC钻头切削地层的扭力一个是转盘提供的扭力，一个是工具提供、并直接施加到钻头的高频、稳定、连续的附加扭向冲击力（对钻具不产生作用，不改变钻头破岩的主要能量），这个冲击力有助于钻头切削齿切入地层，使钻头不需要等待钻具积蓄足够的扭转能量就可以保持高频、连续切削地层的状态，可消除钻具积蓄能量后再突然释放带来的钻头振动、粘滑、弹跳及回转，从而提高切削效率和钻头寿命。

图1 井底钻头的工作状态示意图

图2 钻头扭力冲击器结构

2 TorkBuster在TP234X井的应用实验

2.1 基本情况

Torkbuster工具在TP234X井三开（215.9mm）井段5178.36～6167.84m共进行3趟钻试验，实际钻遇地层如表1所示。

2.2 TorkBuster工具型号选择

TP234X井TorkBuster工具的尺寸及性能参数如图3、表2所示。

表1 试验井段钻遇地层表

图3 165mm TorkBuster主要尺寸

2.3 钻具组合

TP234X井TorkBuster钻进井段采用的钻具组合均为：215.9mmUD513钻头+165.1mmTorkbuster+165.1mm钻铤（2根）+214mm扶正器+165.1mm钻铤（17根）+127mm加重钻杆（12根）+127mm钻杆。

三趟钻均使用的UD513型号钻头，其中第一趟钻和第二趟钻使用的是同一只钻头。

表2 165mm TorkBuster主要性能参数

2.4 钻进参数

TP234X井TorkBuster钻进井段采用的钻进参数见表3。

表3 TorkBuster钻进井段钻进参数数据

2.5 钻井液性能

TP234X井TorkBuster钻进井段采用的钻井液性能一致，见表4。

表4 TorkBuster钻进井段钻井液性能数据

2.6 实钻数据

TP234X井TorkBuster钻进井段实钻数据见表5。

3 试验效果分析与评价

表5 试验数据统计表

3.1 第一趟钻分析

（1）钻头靠近中心部位复合片底座冲蚀严重，由于钻头泥包，造成钻头水力分配不均，使高密度的泥浆集中冲蚀钻头冠部未被泥包部位，钻头的PDC齿焊接部位抵抗冲蚀能力差，造成复合片焊接部位冲蚀严重，如图4所示。钻头产生泥包，一定程度上反映了UD513钻头不适应托甫台区地层。

（2）从钻速曲线上看出，在砂岩中钻速较快，在泥岩中钻速减慢较多，推测钻头在泥岩中产生泥包是影响钻速的一个原因。

图4 第一趟钻头出井情况

3.2 第二趟钻分析

如图5所示，钻头中心部位磨凹，根据第一趟钻钻头底部PDC片冲蚀严重，可推断第二趟钻进过程中复合片剥落，并和钻头本体中心研磨，造成中心磨损严重。

3.3 第三趟钻分析

第三趟钻下入了同型号的新钻头，机械钻速较高，达到7.7m/h，但由于钻至中完井深，进尺只有160.84m，无法验证TorkBuster是否能够增加PDC钻头进尺和延长PDC钻头使用时间。

图5 第二趟钻头出井情况

3.4 试验总体评价分析

（1）与邻井钻头机械钻速对比。从表6可以看出：在5240.70～5997.15m井段机械钻速提高77%；井段6007～6167.84m机械钻速最高提高110%。

（2）钻头在卡拉沙依组泥包严重，出现泥包2次，耽误时间较长。这反映出选用的UD513不适宜卡拉沙依组的泥岩。UD513钻头抵抗高密度泥浆冲蚀的能力差，致使在第二趟试验中钻头冠部切削齿脱落，造成钻头磨损严重。

（3）TorkBuster延长PDC的使用寿命并未体现出来，试验中PDC虽然机械钻速提升较大，但使用寿命并不比国产的长。

表6 机械钻速对比表

4 结论与认识

（1）TorkBuster+PDC大大消减硬地层钻进的“卡-滑”现象，在托甫台区块能够较大幅度地提高机械钻速。

（2）此次试验并没有显现出TorkBuster增加钻头进尺、延长钻头寿命的优点。

（3）选用抗泥包性能强、钻头胎体耐冲蚀的PDC的钻头进一步试验，验证TorkBuster延长PDC钻头使用时间的优点。若能降低钻头成本，TorkBuster可作为托甫台区深井钻井提速的一种有效手段。

[1] 童金旺.几种典型难钻地层提速方法[J].石油机械，2016，44(12)：38-41.

[2] 熊继有，钱声华，严仁俊，等.钻井高效破岩新进展[J].天然气工业，2004，24(4)：27-29.

[3] 兰凯，张金成，母亚军，等.高研磨性硬地层钻井提速技术[J].石油钻采工艺，2015，37(6)：18-22.

[4] 张海山，葛俊瑞，杨进，等.扭力冲击器在海上深部地层的提速效果评价[J].断块油气田，2014，21(2)：249-251

[5] 周祥林，张金成，张东清.TorkBuster扭力冲击器在元坝地区的试验应用[J].钻采工艺，2012，35(2)：45-49.