SLTIT型扭转冲击钻井提速工具.pdf

2 0 1 2年第 4 0卷第 2期 石 油机械 CHI NA P ET ROL EUM MACHI NERY 一1 5 一 钻 井新技术 S L T I T型扭转冲击钻 井提速工具 周 燕 安庆宝 蔡文军 谢 慧 罗 熙 1 ．中国石油大学 华东 2 ．胜利石油管理局钻井工艺研究院 摘要在我国钻井大提速 的背景下，提 出 了一种集机械剪切 、水力和扭转冲击 3种破岩方． 式 共同作用的复合钻井工艺新技术及装备。旋转钻井过程中，在不影响钻进的情况下，扭冲工具利 用钻 井液驱动 内部冲击锤做反复的扭转冲击，将部分流体 能量转换 成一定频率、周 向扭转、冲击 型的井底机械破岩能量，并直接传递 给钻头。5口井的现场试验结果表 明，扭转冲 击复合钻井技 术与装备适合我国的钻井技术环境 ，能够有效消除 P D C钻头的卡滑现象，减轻钻柱扭转振荡，能 够有效保护钻头和钻具等配套部件 ，有效 降低钻井成本。 关键词扭转冲击卡滑提速工具难钻地层 剪切破岩 中图分类号 T E 9 2 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 4 5 7 8 2 0 1 2 0 2 0 0 1 5 0 3 0 引 言 提速是钻井工程永恒的主题 。随着钻井深度的 不断增加 ，钻遇地层 日益复杂 ，一方面 ，难钻地层 的机械钻速有待提高；另一方面，作为石油钻井的 主力钻头P D C钻头 的卡滑 现象亟 待解决。卡 滑导致钻柱扭转振荡 、钻进过程不稳定 ，以剪切破 岩为机理 的 P D C钻头普遍存在卡滑 问题 ，平均每 1 0 s 发生 1次卡滑。这种剧烈不稳定的钻进不但容 易造成复合切 削片崩齿 ，导致 P D C钻头失效 ，也 易使钻头松扣 ，诱发井下事故 ；而且钻柱配套部件 及井下工具组合受力工况恶劣 ，疲劳寿命低 ，也在 一 定程度上降低了钻井效率 。面对难钻地层 ，破岩 依赖刀具的研磨能力而非剪切性能 ，为此 出现了更 加耐磨的孕镶钻头 。 ，与 P D C钻头同属金刚石钻 头，都有不同程度的卡滑现象。P D C钻头的吃入深 度不够，机械钻速低，例如我国川东北地区坚硬地 层平均机械钻速 ≤3 m ／ h ，高钻压会加剧卡滑现象 。 在我国钻井大提速的背景下 ，胜利石油管理局 钻井工艺研究 院从 2 0 1 0年开始致力于 S L T I T型扭 转冲击钻 井提 速工具 以下 简称扭 冲工 具 的研究 ，并创新性地提出一种集机械剪切、水力和 扭转冲击 3种破岩方式共 同作用 的复合钻井工艺新 技术。一方面，该装置能解决 P D C钻头的卡滑问 题 ，提高从旋转驱动系统到钻头 的能量传递效率 ， 同时能够保护钻 头；另一方面，该装置在 P D C剪 切破 岩 的基 础上 增 加 了 扭转 冲击破 岩 方式 ，使 P D C钻头的破岩能力 更强 ，为拓展 其新的应用领 域奠定基础 ；再者 ，在 目前旋转钻井体系下提高难 钻地层机械钻速的所有手段 中，扭冲工具是较为简 便且综合效益较高的产 品，该工具只需在钻头上端 加装一套长约 0 ． 5 m的扭冲工具 即可，更加适合我 国的钻井技术环境。 1 扭冲工具技术分析及与国外相关技 术产品对比 1 ． 1 扭转冲击工作原理 扭 冲工具安装在 P D C钻头上 面 图 1 。旋转 钻井过程中，在不影响正常钻进的情况下 ，扭冲工 具利用钻井液驱动 内部冲击锤在 图 2所示 的位置 1 、2做反复 的扭转冲击 ，将部分流体能量转换成 一 定频 率 、周 向扭 转、冲击型 的井底 机械破岩能 量 ，并直接传递给钻头。 1 ． 2 扭冲工具钻井提速机理 由于岩石 的各 向异性 ，钻进过程受力不平衡 ， 为积聚足够 的破岩能力 ，P D C钻 头的卡滑现象频 S L T I T型扭转冲击钻井提速工具已获国家专利，专利号Z L 2 0 1 0 2 0 5 6 7 0 1 1 ． 5 。 2 0 1 2年第 4 0卷第 2期 周 燕等 S L T I T型扭 转冲击钻井提 速工具 一1 7一 更容易控制 ； 3 扭 冲工具将部分水力 能量转换成高频扭 转冲击破岩能量使机械钻速更高 ； 4 扭 冲工具集合 了机械剪切、水力及扭转冲 击 3种破岩方式，适合 中硬以上及高研磨性地层 ； 5 扭转冲击复合钻井技术及装备使 P D C钻 头 的破岩能力更强 ，为拓展 P D C钻头新 的应用领 域奠定 了基础。 2现场应用情况 截至 2 0 1 1月 8月 ，扭 冲工具 在现场完成 了 5 口井的试验。 高 8 9 0 2 4井在井深 2 5 1 7～ 2 6 2 0 I n 共 1 0 3 m属沙河街组的沙四层 ，在同样钻压并使用 同一 个 P D C钻 头 的情况下 ，工具在井 下使用 约 1 4 h ， 纯钻时间 l O ． 7 1 h ，机械钻速 9 ． 6 3 m ／ h ，与上趟钻 相 比，机械钻速提高 7 2 ． 7 8 ％ 。同时使用扭冲工具 后 ，打钻过程 明显柔和 ，钻机振 动减 轻 ，噪声下 降，柴油机负载有效减小 。 滨 6 6 0 6井井段 2 8 6 6～3 0 4 1 m是 沙 四段 ， 工具井下工作约 3 8 h ，纯钻时间 2 5 ． 6 2 h ，机械钻 速 6 ． 8 3 m／ h ，与上趟钻相 比，机械钻 速平 均提高 28 ． 5 4％ 。 在桩 2 31 7一斜 3 0井 2 1 8 02 8 3 7 i n 共 6 5 7 m ，下井 时间 1 2 2 h，工具 有效工作 时 间 8 3 h ，沙河街组的沙四层 ，与上趟钻相 比，机械钻速 提高 5 0 ％以上 。 黑 9 68 6井设计井深 2 3 1 9 m。工具入井时 间 8 3 ． 5 h ，其中起下钻 9 ． 5 h ，维修时间 2 h ，接单 根时间7 ． 5 h ，测斜时间 1 ． 5 h ，工具工作 时间 6 3 h ，钻井总进 尺 8 6 0 1 T I 1 2 5 1 ． 7 2～ 2 1 1 1 ． 8 1 11 1 ， 平均机械钻速 1 3 ． 6 5 m ／ h 。此井地层易钻 ，机械钻 速本身较高 ，因此未显示出扭冲工具 的提速效果 。 乌参 1井是 中石化 的重点探井 ，设 计井 深为 7 0 0 0 m，2 0 1 0年 6月 4日开钻 ，截至 2 0 1 1 年 6月 2 5日钻 至井深 4 9 9 6 m，井斜 8 ． 7 8 。 离钻 头 l 3 i n ，测深 4 9 7 6 m，从 4 2 2 0 m进人石炭系 ，直至 目的层位 7 0 0 0 m 分别属石 炭系 的巴塔玛依 内山 组、滴水泉组和塔木 岗组。该井井壁不稳定 、井斜 大 、研磨性高 、井况 复杂 。2 0 1 1年 6月 2 8日 1 2 0 0到 7月 2日43 0，扭冲工具在乌参 1井下井试 验 ，钻井 液密 度 1 ． 3 g ／ c m ，钻压 1 0 0～1 2 0 k N， 流量 2 5 L ／ s ，立管压力 2 0 ． 7 MP a ，含砂质 量分数 0 ． 4 ％。工具入井 8 8 ． 5 h ，其 中起下钻 5 5 ． 5 h ，维 修 1 ． 5 h ，接单根 0 ． 5 h ，测斜 2 ． 5 h ，P D C造型时 间 1 ． 8 h ，工具有效工作 2 8 ． 5 h ，纯钻进时间 2 2 ． 4 h ，钻井总进尺 2 0 ． 2 m 4 9 9 6 ． 4～ 5 0 1 6 ． 6 I T I ，机 械钻速 0 ． 9 0 r r h ，井斜 7 。 ，测深 5 0 1 3 m，扭 冲钻 具组合具有稳斜效果 在纯钻进阶段 ，与同地层相 邻井段相 比，较钻具仅采用牙轮钻头提高机械钻速 6 7％，较牙轮 螺杆钻具组合提高机械钻速 3 4 ％。 另外 ，乌参 1 井在钻进过程中，顶驱经常憋停 ，扭 冲工具显示了优 良的解除憋停性能，除比较严重的 憋停外 ，顶驱无需上提 ，均可 以在扭 冲的作用下 自 动解除憋停。 3 结论与认识 1 扭转冲击复合钻井技术与装备适合我国 的钻井技术环境 ，能够有效消除 P D C钻头 的卡滑 现象 ，减轻钻柱扭转振荡 ，能够有效保护钻头和钻 具等配套部件 ，有效降低钻井成本。 2 扭冲工具施工作业前采用上趟钻短起下 ， 保证 了井 眼通畅 ，井底清洁 ，减少 了 P D C钻头 的 划眼时间； 3 扭转冲击 复合钻井技术还需探 索 ，为 了 使扭冲工具的使用效果更好 、寿命更长 ，其结构还 需进一步完善。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 参考文献 黄蕾蕾，薛启龙 ．国外钻头技术新进展 [ J ]．石油 机械 ，2 0 1 0 ，3 8 4 7 37 5 ． 侯芳 ．孕镶金刚石钻头国内外应用 [ J ]．内蒙古 石油化工 ，2 0 1 0 ，3 6 5 2 1 2 3 ． 中国石化新闻网．高频扭转冲击破岩工具井下试验成 功 [O L] ． [ 2 0 1 1 0 8 3 0] ． h t t p ／ ／ w w w． s i n o p e c n e ws ． c o i n ． c n ／ b 2 b ／ c o n t e n t ／ 2 0 1 0 0 9 ／1 5 ／ c ont ent 8 6 2 4 6 6 ． s h t m1 ． 全球机械 网 ．新型软地层钻头及扭转冲击发生器 [ 0 L ]．[ 2 0 1 1 0 8 3 0 ]． h t t p ／ ／ q q m a ． c o r n ／ h y z x d e t a i l ． a s p i d1 2 4 8 8 ． 第一作者简介周燕，女，高级工程师，生于 1 9 7 2 年，2 0 0 8年获西安交通大学机械工程硕士学位，现为中国石 油大学 华东在读博士研究生，从事石油矿场机械研发 工作。地址 2 5 7 0 1 7 山东省东营市。Em a i l z y n e t t t t om．con 1o o 收稿 日期2 0 1 1 1 0 1 3 本文编辑王刚庆