楊鎮(zhèn)榜，朱忠喜，林瀚

長江大學(xué)石油工程學(xué)院油氣鉆井技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室防漏堵漏技術(shù)研究室，湖北 武漢 430100

扭力沖擊器在新疆地區(qū)的應(yīng)用研究

楊鎮(zhèn)榜，朱忠喜，林瀚

長江大學(xué)石油工程學(xué)院油氣鉆井技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室防漏堵漏技術(shù)研究室，湖北 武漢 430100

新疆某井A位于克拉瑪依東約35km，區(qū)域位于準(zhǔn)葛爾盆地，地質(zhì)條件復(fù)雜。在地層深度2500～3300m的井段，PDC鉆頭鉆進(jìn)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(xiàn)象，延長了鉆頭使用壽命，這為該區(qū)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(qū)

A井下部井段機(jī)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(duì)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(yán)重，于是改用PDC鉆頭。使用PDC鉆頭時(shí)，在該地層又發(fā)生了黏滑現(xiàn)象，導(dǎo)致鉆頭的鉆速較慢且總進(jìn)尺短。所以加強(qiáng)鉆頭的抗研磨性十分關(guān)鍵，同時(shí)鉆頭的機(jī)械鉆速和進(jìn)尺也能得到提高。通過現(xiàn)場使用扭力沖擊器，成功提升了機(jī)械鉆速，克服了黏滑現(xiàn)象，提高了機(jī)械鉆速。

1 扭力沖擊器的工作原理及技術(shù)特點(diǎn)

1.1 工作原理

井下PDC鉆頭的運(yùn)動(dòng)并不是規(guī)則的，包括橫向、縱向扭向振動(dòng)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(jìn)的理想情況，該情況在實(shí)際現(xiàn)場中很少出現(xiàn)；(b)表示鉆頭吃入地層不足時(shí)，鉆頭出現(xiàn)短暫的卡頓，此時(shí)能量漸漸聚集到鉆頭上；(c)表示鉆頭被卡住后無法繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，但是上部轉(zhuǎn)盤依然還在旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致鉆柱被扭曲，扭矩全部蓄積在鉆柱上；(d)表示當(dāng)扭矩聚集到足夠大足以破碎地層時(shí)，鉆柱扭矩突然釋放，此時(shí)鉆頭會(huì)突然加速并破巖。由于鉆頭瞬間承受巨大壓力，多次經(jīng)歷以上過程后鉆頭會(huì)被磨損，PDC切削齒會(huì)被破壞，從而導(dǎo)致鉆頭壽命降低，同時(shí)在這種卡鉆后瞬間滑動(dòng)的過程也會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則井眼從而降低井身質(zhì)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(huì)出現(xiàn)黏滑現(xiàn)象而是快速穩(wěn)定地在地層中鉆進(jìn)。

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(chǎn)生高頻機(jī)械振動(dòng)從而改變PDC鉆頭運(yùn)動(dòng)方式的提速工具。扭力沖擊器結(jié)構(gòu)如圖2所示，當(dāng)井下扭力沖擊器工作時(shí)，鉆井液流量分配器將進(jìn)入沖擊器內(nèi)部的鉆井液分配到管狀接頭內(nèi)。位于接頭內(nèi)的2個(gè)動(dòng)力錘在鉆井液能量帶動(dòng)下開始相互轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)短節(jié)內(nèi)的驅(qū)動(dòng)軸將該過程所產(chǎn)生的沖擊能量集中均勻地傳送到鉆頭上，這使得鉆頭對(duì)地層產(chǎn)生了穩(wěn)定均勻且高頻的沖擊力，鉆頭此時(shí)切削地層的速度提高到800～1600次/min，PDC鉆頭的運(yùn)動(dòng)方式從根本上改變了。此時(shí)扭力沖擊器產(chǎn)生的力直接作用在鉆頭上，鉆柱不會(huì)產(chǎn)生過量載荷，大大降低了黏滑現(xiàn)象，并且提高了鉆速，延長了鉆頭總進(jìn)尺[1～4]。

圖2 扭力沖擊器結(jié)構(gòu)

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

扭力沖擊器內(nèi)部結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)牢靠，沒有橡膠件和電子件，即使出現(xiàn)失效的情況，也只會(huì)造成機(jī)械鉆速的降低而不會(huì)引起其他事故，因此安全可靠。同時(shí)，扭力沖擊器不僅可以提高機(jī)械鉆速，還可以在一定程度上防止井斜，從而提高井身質(zhì)量。扭力沖擊器由鉆井液的能量帶動(dòng)，因此鉆井液的流量越大，扭力沖擊器的沖擊頻率越高，對(duì)鉆速的提升以及克服黏滑現(xiàn)象的能力也就越大。由于扭力沖擊器是穩(wěn)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(dòng)來減小或消除鉆頭吃入地層時(shí)的黏滑現(xiàn)象，提高機(jī)械鉆速并延長PDC鉆頭的壽命。

2 扭力沖擊器在A井的應(yīng)用分析

2.1 扭力沖擊器應(yīng)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(hào)PDC鉆頭，遭遇夾層使得效果較差，機(jī)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(hào)PDC鉆頭加螺桿組合，由于遭遇夾層，效果同樣較差，機(jī)械鉆速僅為0.97m/h。此時(shí)提速使用阿特拉?215.9mmPDC鉆頭U513S加扭力沖擊器，大幅提升了機(jī)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(jī)械鉆速為3.75m/h，該井段進(jìn)尺為661m。A井使用鉆井參數(shù)為鉆壓120kN，泵排量為28L/s，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)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(wěn)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(zhì)泥巖，夏子街組為雜色小礫巖、褐灰色砂礫巖、含礫巖質(zhì)細(xì)砂巖。該井段地層以礫巖為主。

2.2.2 與鄰井段對(duì)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(jī)械鉆速僅為1.75m/h，進(jìn)尺282m。鉆至2922m后提換鉆頭并搭配螺桿，并鉆至2964m，進(jìn)尺42m。由于存在夾層，該井段機(jī)械鉆速僅為0.97m/h，且黏滑現(xiàn)象嚴(yán)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(jī)械鉆速立即提升為3.75m/h，對(duì)比上部井段提升了286%。可見對(duì)于復(fù)雜地層，使用扭力沖擊器可以大幅提高機(jī)械鉆速，延長鉆頭壽命，并且在一定程度上預(yù)防復(fù)雜事故。

圖3 A井不同井段機(jī)械鉆速對(duì)比

2.2.3 與同地層鄰井對(duì)比

A、B、C、D這4口井處于同一區(qū)塊，在該區(qū)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(jìn)行鉆進(jìn)，表1為4口同地層鉆井情況的對(duì)比，可以看出，在2900～3700m的不同井的對(duì)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(jī)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%。

表1 4口井同地層鉆井情況的對(duì)比

3 結(jié)論和建議

1)扭力沖擊器在新疆地區(qū)A井的應(yīng)用大大提高了機(jī)械鉆速，與上部井段相比鉆速提高了286%。在礫巖為主且含夾層的地層中，PDC鉆頭黏滑現(xiàn)象嚴(yán)重，使用扭力沖擊器可以大大避免該類情況，增加機(jī)械鉆速。

2)使用扭力沖擊器相對(duì)比鄰井未使用扭力沖擊器在同地層中的鉆進(jìn)相比，機(jī)械鉆速明顯提升，最大可提升138%，表明扭力沖擊器對(duì)含夾層的復(fù)雜地層鉆進(jìn)具有一定的提升作用。

3)扭力沖擊器使得A井節(jié)省了大量的經(jīng)濟(jì)投入，縮短了鉆井周期，降低了鉆井成本，具有廣闊的前景和經(jīng)濟(jì)效益。

4)該技術(shù)成功的應(yīng)用為復(fù)雜地層鉆井提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，建議大力發(fā)展該技術(shù)，并在同類地層鉆井中推廣開來。

[1]呂曉平，李國興，王震宇，等.扭力沖擊器在鴨深1井志留系地層的試驗(yàn)應(yīng)用[J].石油鉆采工藝，2012，34(2)：99～101.

[2]郭元恒，何世明，宋建偉，等.TorkBuster扭力沖擊器在元壩地區(qū)提高鉆速中的應(yīng)用[J]天然氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2012,6(3)：52～54.

[3]張?jiān)七B.沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井工具的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用研究[J].石油礦場機(jī)械，2001,30(5):12～14.

[4]周祥林，張金成，張東清. TorkBuster扭力沖擊器在元壩地區(qū)的試驗(yàn)應(yīng)用[J].鉆采工藝，2012，35(2)：15～17.

[編輯] 帥群

2016-06-10

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51202024)。

楊鎮(zhèn)榜(1993-)，男，碩士生，主要從事鉆井工藝方面的學(xué)習(xí)與研究，yangzhenbang0116@163.com。

TE242

A

1673-1409(2017)15-0043-03

[引著格式]楊鎮(zhèn)榜，朱忠喜，林瀚.扭力沖擊器在新疆地區(qū)的應(yīng)用研究[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版), 2017,14(15):43～45.