钻井用液动冲击器技术研究进展及应用对比.pdf

2 0 1 2 年第 4 1卷 第 1 2期 第 8 3页 石 油矿 场机 械 OI L F I ELD E QUI P MENT 文 章 编 号 1 0 01 - 3 48 2 2 0 1 2 1 2 0 0 8 3 05 钻井 用液 动冲击器技术研究进展及应 用对 比 贾涛 ， 徐 丙贵 ， 李梅 ， 王敦威。 ， 王海燕。 1 ． 中国石油集 团 钻井工程技术研究 院， 北京 1 0 0 1 9 5 ； 2 ． 中国石油集 团 渤海钻探工程有 限公 司， 天津 3 0 0 4 5 7 ； 3 ． 中国石 油长城 钻探工程有 限公司 物资公司 ， 天津 3 0 0 4 5 7 摘要 论述 了提 高钻 井速 度 的意 义和方 法 。按 照 冲 击力 的 方 向可把 液 动 冲 击 器分 为 轴 向冲 击 器和 扭 力冲 击器 ， 介 绍 了该技 术 的研 究进展 。指 出扭 力 冲击 器是提 高深 部硬地 层 钻 井速 度 的有效 工具 ， 具有广泛的应用前景。针对现场 出现的问题 ， 提 出应开展对扭力冲击钻井配套 P D C钻头的研究、 加 强对扭 力 冲击工 具 内表 面处理 的研 究 、 开展 扭 力冲 击钻 井破岩 机理 的研 究 。 关键 词 钻 井工具 ； 液动 冲击 器 ； 钻 井速 度 中图分 类号 TE 9 2 1 ． 2 0 3 文献标 识码 A Re s e a r c h Pr o g r e s s a n d Ap pl i c a t i o n o f Co n t r a s t o n Hy dr a u l i c I mp a c t o r f o r Dr i l l i n g J I A Ta o ， XU Bi n g g u i ， L I Me i ， W ANG Du n we i 。 ， W ANG Ha i y a n 。 1 ． CNPC Dr i l l i n g Re s e a r c h I n s t i t u t e ， Be i j i n g 1 0 0 1 9 5， Ch i n a 2 ． CNPC Bo h a i Dr i l l i n g En g i n e e r i n g C o mp a n y Li mi t e d， Ti a n j i n 3 0 0 4 5 7 ， Ch i n a； 3 ． Ma t e r i a l sCo mpa n y ， CNPCGr e a t wa l l Dr i l l i n g Co mp a n y， Ti a n j i n 3 0 0 4 5 7 ， Ch i n a Abs t r a c t The s i gn i f i c a n c e a nd me t ho ds o f i mpr ov i ng dr i l l i n g r a t e a r e di s c u s s e d ．S e v e r a l ki n ds of h yd r a ul i c i mp ac t or s a nd t he l a t e s t r e s e a r c h pr o gr e s s a r e i n t r od uc e d i n t h e p a pe r ． De pe n di ng on t he 的压裂 施工 ， 但解 封 困难 。 3 研 制 了全 新 的 Y3 4 2型 压 裂 工 艺 管 柱 ， 包 括 Y3 4 2型封 隔器 、 无 节 流 投 球 滑 套 、 压 差 滑 套 、 压 力开启安全阀、 坐封球座等配套工具 。通过球与球 座配 合结 构优 化 ， 能 实 现 直井 分 1 2层 的压 裂 施 工 ， 且施工更加简便、 安全 、 可靠 。 4 为使苏里 格地区 的老井 恢复产 能 ， 弥补 区块 产 量递减 ， 应该 加快 Y 3 4 2 型压 裂工艺管柱研 制步伐 ， 争取做好 单体 、 整 体 室 内试 验 ， 并根 据 室 内试 验结 果 做 好改进优 化工作 以及现 场试验 ， 形 成稳 定成熟 的产 品 ， 以服务 苏里格地 区老 井改造和新井 增产 。 参考文 献 [ 1 ] 田 伟 ， 郭彬 ， 杨 亚聪． 苏里 格气 田苏 6井 区老井 生 产分类研究[ J ] ． 石油化工应用 ， 2 O 1 O ， 2 9 1 0 2 2 2 5 ． [ 2 ] 杨健 ， 陶建林 ， 陈郸． 苏里格 气 田储 层改造 工艺 分 ”-卜 ” - 一“ “- 4 -” 一 “ _”- - 卜 ” 一卜“- 4-- - ” 析 [ J ] ． 天然气 工业 ， 2 0 0 7 ， 2 7 1 2 9 6 9 8 ． [ 3 ] 魏克颖 ， 刘 毅 ， 曹彩 云． 苏里 格气 田压裂 工艺技术 优 化研究[ J ] ． 石油化工应用 ， 2 0 0 6 4 9 - 1 5 ． [ 4 ] 李爽 ， 李 玉城 ， 段宪余． 水平井技术在 苏 1 o区块 的应 用_ J ] ． 特种油气藏 ， 2 0 1 1 ， 1 8 3 8 4 8 6 ． [ 5 ] 李文权 ， 王 瑞． 苏 1 O区块气层识 别技 术及勘 探开 发 潜力分析[ J ] ． 特种油气藏 ， 2 0 0 6 ， 1 3 6 3 9 4 1 ． [ 6 3 李志龙 ， 姜涛 ， 方 旭东 ， 等． K3 4 4气井不 动管 柱分压 合采工艺技术[ j ] ． 油气井测试 ， 2 0 1 0 ， 1 9 2 4 4 4 7 ． [ 7 ] 赵广民 ， 王艳华 ， 任 勇 ， 等． Y2 4 1型封 隔器分 压管柱 及在长 庆 气 田 的应 用 [ J ] ． 石 油 矿 场 机 械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 1 0 7 8 8 0． [ 8 ] 陈宁． Y 2 4 1 1 1 4封 隔器研 究 与应用 [ J ] ． 钻 采工 艺 ， 20 03， 2 6 1 5 0 52 ． [ 9 ] 王建周． 水力锚Y2 4 卜1 1 2油套分 注工艺 [ J ] ． 内蒙古 石 油 化 工 ， 2 0 0 6， 3 2 8 1 5 6 ． 收稿 日期 2 0 1 2 0 9 1 2 作者简 介 贾涛 1 9 8 1 一 ， 男 ， 山东平 度 人 ， 工程 师 ， 硕 士研究 生 ， 主要从 事 石油 钻 井机 械研 究 ， E ma i l j i a t a o d r i c n p c 石 油 矿场 机械 2 O 1 2年 1 2月 d i r e c t i on of t he i m p a c t f o r c e， t he h yd r a ul i c i mpa c t o r s c a n be d i v i d e d i nt o c a t e go r i e s ， whi c h a r e a x i a l i mpa c t o r a nd t o r s i on i m p a c t or ． Ac c o r di ng t o t h e i nt r o d uc t i o n o f wo r ki n g p r i nc i pl e a n d f i e l d a p p l i c a t i o ns， i t pr o ve s t h a t d r i l l i ng r a t e i n d e e p h a r d f o r ma t i on s wi l l b e i nc r e a s e d e f f e c t i v e l y whe n t or s i on i mp a c t or s us e d ．Thi s t e c hn o l og y ha s br o a d p r os pe c t s ． At t h e s a me t i me， t h e r e s e a r c h d i r e c t i o n i s pr o p os e d， c o ns i d e r i n g t he p r obl e m s i n t h e f i e l d a p pl i c a t i on c a r r y i ng o ut t he s t u dy of PDC bi t a c c e s s o r i e s t o t o r qu e i mpa c t d r i l l i n g， e n ha n c i n g t he r e s e a r c h o n t he i n ne r s ur f a c e t r e a t me n t o f t he t o r s i on i m p a c t t oo l s， a nd c a r r yi n g o ut t he s t ud y o n me c ha n i s m of c r us hi ng r oc k． Ke y wo r d s dr i l l i n g t o o l ； hy d r a ul i c i mpa c t o r ； d r i l l i n g s p e e d 随着 油气 钻井 深 度 的不 断 增 加 ， 钻 井 的难 度 和 成本 成倍 增长 ， 硬地 层钻 进 的难 题 日益突 出， 如何 提 高钻 头在 硬地 层 的钻井 速度 已迫在 眉睫 。利用 液动 冲击 器 提高钻 井速 度 已经 有 上百 年 的历 史 ， 该类 工 具是 在 常规旋 转 钻井 的基 础 上 ， 通 过将 钻 井 液 的 能 量转 化 为 冲击 力 直接 施 加 给 钻头 ， 使 钻头 靠 旋 转 和 冲击共 同作用破 碎岩石 ， 提高 了钻 井效率_ 1 j 。另 外 ， 液动冲击器对钻头产生的周期性高频冲击 ， 可以 大幅度减少或消除 P D C钻头的粘滑振动， 在提高机 械 钻 速 的同时 ， 能够 保 护 钻 头 ， 延 长钻 头 寿命 ， 减 少 起下 钻次 数 ， 有 效 降低 了钻井 成本 。 液 动 冲击 器 种类 繁 多 ， 按 照 冲击 力 的方 向可分 为轴 向冲击 器和扭 力 冲击 器 。2 O世 纪初 ， 俄 国工程 师 B 沃尔斯基设计出石油钻井用液动冲击钻具 ， 随后美 、 德 、 挪威等国广泛开展 了此项技术 的研究 ， 并 在油 气勘 探开 发 中应 用 。我 国从 1 9 5 8年 开始 对 液 动 冲击 钻井技 术 进行 研 究 ， 有 很 多 新 型 的 冲击 器 问世 并得 到推 广应 用 。例 如 ， 石 油大 学 、 西 南石 油大 学 、 国土 资源勘 探技 术研究 所 、 德州 石油钻 井研 究所 等单 位均 进行 过液 动 冲 击钻 井 的相 关研 究 ， 有 的还 进行了钻井试验。尽管液动冲击钻井技术具有提高 硬岩破岩效果 、 提高钻井速度 、 改善钻井工艺参数等 优 点 ， 但 是工 具寿 命 短 、 单 次 冲击 功 偏 低 、 钻 井 深度 较 浅 ， 应 用效 果 不 够 理 想 ] 。这 也是 该 技 术 至 今 未 被 广泛 应用 的原 因 。 2 0 0 0年之前 ， 液动冲击钻井使用的液动冲击器 均为轴 向冲击器 。2 0 0 0年 以来 ， 相 关研 究 机 构 开展 了扭力冲击钻井技术 的研究 ， 并进行 了应用， 其主要 工具 为扭 力 冲击 器 。 由于其 提 高 钻 速 效果 显 著 ， 已 受到 国 内外钻 井 专 家 的密 切 关 注 。该 工具 的 出现 ， 使液 动 冲击钻 井技 术再次 成 为关注 的焦 点 。 1 轴 向冲击器 按 照其 结 构及 工 作 原理 的不 同 ， 轴 向 冲击 器 又 可分 为 阀式正 作用 冲击器 、 阀式反作 用 冲击器 、 阀式 双作用冲击器、 射流式 冲击器等 。液动冲击器使用 方便 ， 串接于井下钻具组合近钻头位置即可实现液 动 冲击 钻井 。 1 ． 1研究 情况 2 O世 纪 4 O年 代 以来 ， 前 苏 联 、 美 国、 德 国等 国 的相关研究单位均进行 了轴 向冲击器 的研 制。其 中 ， 美 国 S mi t h t o o l 公 司 、 An d e r g a u g e 公 司 、 S p e r r y 钻井服务公司等都进行 了各类 阀式 冲击器的研制 ， 具 有较 先进 的水 平 。图 1为 A n d e r g a u g e公 司 研 发 的液动 冲击器 结构 _ 6 J 。 1 一螺纹接头 ； 2 一上头体 ； 3 一 中空活塞 ； 4 一 蝶形弹簧 ； 5 一腔 室； 6 一下头体 ； 7 一芯轴 图 1 An d e r g a u g e公 司 液 动 冲击 器结 构 2 O世 纪 6 0年 代 以来 ， 国内 的多 家 单 位 开 展 了 各种类型液动冲击器 的研制 ， 并进行 了现 场试 验。 图 2是 由长春科技大学研制的 YS C 一 1 7 8型液动射 流式 冲击器 ， 依 靠双 稳 的 射 流元 件 控 制 活 塞 冲锤 的 上下 运动 ， 结构 简单 ， 运动 部 件 少 ， 除 活 塞 冲锤 外 无 其他 运动 零件 ， 因而 工作 寿命 长 。该 冲击 器 进行 了 3轮 现 场 试 验 ， 比普 通 牙 轮 钻 头 钻 进 效 率[ 7 ] 提 高 1 6 1 ％。 1 一上接头 ； 2 一外缸 ； 3 一上压盖 ； 4 一 射流元件 ； 5 一缸体 ； 6 一调整套 ； 7 一活塞 ； 8 一铜套 ； 9 一 下压盖 ； 1 o 一密封圈 ； 1 1 一 中接头 ； 1 2 一冲击锤 ； l 3 一外筒 ； 1 4 一砧 子 ； 1 5 ～方套 ； 1 6 一下接头 图 2 YS C 一 1 7 8型液 动射 流式 冲击器结构 石油 矿场 机 械 2 0 1 2年 1 2 月 图 5 扭 力冲击器 t o r k b u s t e r 2 ． 2 涡 轮式 扭力 冲击器 图 6为涡轮式扭 力冲击器 内部 结构 图。钻井 时 ， 钻井 液经 过过 滤分 流系 统后 ， 通过 上部 和下部 涡 轮 动力 系统 带动 非平衡 配重 系统 高速 旋转 。 中心传 动轴将 动力 系统 和非 平衡 配重 系统 的高速 旋转 传递 给 冲击 系 统 ， 冲击 系统 将 稳 态 的 高速 旋 转 转 化 为高 频 的脉 冲冲击 ， 与稳 态 的钻具扭 矩共 同作 用 于钻头 ， 实现 扭力 冲击 钻井 。非平 衡配 重 系统 的作用 是在 涡 轮转速相同的情况下 ， 可 以通过改变其 自身重力实 现 不 同的 冲击力 。与液 压 式 扭 力 冲击 器 相 比 ， 涡 轮 式扭力冲击器结构更 复杂 ， 其 寿命受涡轮 寿命 的制 约 ， 对钻井液性能 的要求更高。 卜 动 中 L 过滤分流系统 图 6 涡轮式扭力 冲击器 内部结构 2 ． 3国内研 究情况 西南 石油 大学 和胜利 石油 管理 局钻井 工艺 研究 院也分 别进行 了扭 力 冲击 工具 的研 制 。西南石 油 大 学 研制 的扭 冲工具 依 靠 涡 轮 和棘 轮 机 构 实 现 ， 通 过 扭 冲工 具 内部 的传 动轴 将涡 轮 的转 动传 递 给棘轮 机 构 ， 棘轮机构 的撞击砧块不断地撞击承撞砧块， 从而 形成了脉冲扭矩[ 8 ] 。胜利石油管理局钻井工艺研究 院研制了 S L T I T型扭 冲工具 ， 该工具通过节流和内 部的流道转换 ， 使工具 的撞击锤 和启动锤持续 高速 反转 ， 形 成高 频 冲击 l_ g ] 。 3扭力冲击器应 用情 况 目前 ， 中石 油玉 门油 田、 塔里 木 油 田 ， 中石 化 川 东北 元坝地 区 、 塔 河油 田等 多个 油 田试 验 使用 t o r k b u s t e r 扭力 冲击器 ， 配合个性化 P D C钻 头一起使 用 ， 取得 了 良好 的效 果 。 3 ． 1 在 祁参 1井应用 祁 参 1井 是 中石油 集 团公 司 的重点 探 井 ， 也 是 目前世界海拔最高的油气探井 。该井在钻至 3 4 0 0 r n后难以提高钻井速度 ， 地质资料不全 、 岩层反复 夹层多、 钻头选型困难 、 参数无法强化都成为提高钻 井速 度 的 瓶 颈 问 题 。 为 提 高 机 械 钻 速 ， 该 井 在 3 4 5 8 ． 5 ～3 6 7 8 ． 5 i n 井 段试 验使 用 t o r k b u s t e r 扭力 冲击 器 ， 提速效 果 显著 。与之前 常 规技术 相 比 ， 在 同 样地层下平均钻速提高了 2 ． 7 2倍 。表 2为祁参 1 井各井 段使 用常规 钻具 组合 和钻头 与使 用 t o r k b u s t e r P DC钻 头 的效 果 对 比情 况 。 表 2祁参 1井各 井段钻井参数对 比 1 2 3 21 6 4 5 6 HJ 6 3 7 G 牙轮 HJ 6 1 7 G 牙 轮 H J 6 1 7 G 牙轮 H J 6 1 7 G 牙轮 M 1 3 55 R PDC t o r k b u s t e r U5 1 3 M PDC 7O ．5 53 ．5 24 ．O 5 1 ．O 2 2． 5 1 8 7． 3 1 ．4 0 1 ． 21 0． 67 O． 82 0． 89 2 ．2 6 3 ． 2在 新垦 8 - H 井应 用 中石 油塔 里木 油 田哈拉 哈塘 区块 引进该 技术 后 提 高钻井 速度尤 为 明显 。该 区块 5 4 0 0 m 钻 井 段 的 钻 井周期 仅为 3 O d ， 而下部 井段 由于岩石 研磨 性强 、 弘 驼 ∞ ∞ 3 3 O O 3 O ∞ 踞 第 4 1 卷第 1 2期 贾涛 ， 等 钻井用液动冲击器技术研究进展及应用对 比 可钻 性 差 ， 常 规 螺 杆 加 P DC钻 头 提 速 方 式 不 再 适 用 ， 平 均机 械钻 速 2 m／ h ， 耗 时 5 O ～ 7 0 d 。该 技 术 在 新垦 8 一 H 井共 使用 l 1 4 ． 9 h ， 完 成 进 尺 5 5 9 m， 平 均机械钻速 4 ． 8 7 m／ h ， 比邻井提高 5 0 ％以上。表 3 为新 垦 8 一 H 井 与邻 井 同井段 的钻 井数 据对 比。 表 3新 垦 8 一 H 井 与 邻 井 同井 段 钻 井 数 据 对 比 井 号 使 用 井 段 ／ m 纯钻 时 间 ／ h 机 械钻 速 ／ m h 平 均 行 程 钻 速 ／ m h 邻 井 1 邻井 2 邻 井 3 邻井 3 新 垦 8 一 H 5 92 6～ 6 29 3 5 96 1～ 6 3 52 5 9 00 ～ 6 0 49 6 0 49 ～ 6 3 81 5 8 1 3～ 6 3 7 2 3 67 391 1 4 9 33 2 55 9 1 O8 ．7 1 4 2． O 83． 5 1 2 2． 3 11 O ．5 3．3 8 2． 75 1 ． 78 2． 7 2 5． O 6 2 ．1 8 1 ．9 1 1 ．6 7 经过 对现 场试 验 的对 比分 析 ， 扭 力 冲击 钻 井 效 果远优于常规钻具组合钻井 ， 其根本原因在于 扭力 冲击钻 井 改变 了传统 意义 上 P DC钻 头高转 速 、 低 钻 压 的使 用方 式 ， 使 P D C钻 头 实 现 了 高转 速 、 高 钻 压 正 常钻 井 ， 突破 了传统 P D C钻头 的使用 极 限 。相对 于常规 情况 下 P D C钻 头 在硬 地 层 钻 井 过 程 中的 钻 压 ， 使用 扭力 冲击 器后 钻压 可提 高 2 ～4倍 ； 同时 ， 扭 力 冲击 器能 有效 消 除钻 井 过 程 中 P DC钻 头无 序 的 粘滑 振 动 ， 从 而能 够在 大幅 提高机 械 钻速 的 同时 ， 延 长钻 头 寿命 ， 成 倍增 加单 只钻 头 的进 尺 。 4 结 论 1 扭 力 冲击 钻 井是 一 项 极 具 创 新 的 技术 ， 该 技术 使 用 P D C钻 头 以冲击 和剪切 作用 共 同破 岩 ， 改 变了 P D C钻头传统的破岩方式， 大幅提高了我国西 部地 区 难 钻 地 层 的 机 械 钻 速 ， 极 大 地 缩 短 了 建 井 周期 。 2 在钻井过程 中， 完全依靠钻井液带动工具 产 生 低 幅高频 的脉 冲扭 矩 ， 但 钻 井 液 中 的有 害 固相 对 工具 具 有较 强 的 冲蚀 破 坏 ， 直 接影 响 了工 具 的 使 用 寿 命 。 3 现场 应用 证 明 ， 扭 力 冲击 钻井 工 艺 是 提 高 深 部硬 地层 钻井 速度 的有 效途 径 。扭力 冲击 工具 的 可靠性高 ， 综合成本较低 ， 使用简单 ， 具有广泛的应 用 前 景 。 4 建 议进 一 步加 强对 扭 力 冲击 钻井 配套 P D C钻头 的研究 ， 以达到 提 高机 械 钻 速 和延 长 钻头 寿命 的 目的 ； 加 强扭力 冲击 工具 内表 面 的处 理 ， 增加 工 具抗 钻井 液 冲蚀能 力 ， 延 长工具 寿命 ； 开 展扭 力 冲 击钻 井 破岩 机理 的研究 ， 优 化扭力 冲击 器技 术参数 ， 同时为 钻头选 型及 现场 作业 提供理 论依 据 。 参考文献 [ 1 ] 曹丽平 ， 雷明生 ， 鲍远墩 ． 油井液动 冲击器的应用 E J ] ． 石 油 矿 场 机 械 ， 2 0 0 5 ， 3 4 4 1 0 0 1 0 1 ． [ 2 ] 王灿 ， 梨青 海 ， 王 国荣 ， 等 ．冲旋钻井 系统 能量传 递 模型分析[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 3 1 8 2 1 ． [ 3 ] 黄志强 ， 范勇 涛 ， 李琴 ， 等 ．射 流冲击 器冲旋 钻头 的 现 状及 发 展 趋 势 [ J ] ． 石 油 矿 场 机 械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 2 92 96 ． [ 4 ] 张海平 ， 索忠伟 ， 陶兴华 ． 新型液动射流 冲击 器顶紧及 密封机构设计[ J ] ． 石油矿场机 械， 2 0 1 1 ， 4 0 4 4 4 4 7 ． [ 5 ] 高建强 ， 陈朝达． 液动 冲击旋转钻具存在 的问题及 解决 途径[ J ] ． 西安石油学 院学报 ， 1 9 9 8 ， 1 3 3 6 2 6 4 ． [ 6 ]袁新梅 ， 孙起昱 ， 王爱芳 ， 等． 旋冲钻井技术及装备 的发 展 现状和展望[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 7 ， 3 6 3 7 - l O ． [ 7 ] 李 昱 ， 张海滨． 液 动 冲击旋 转钻 井技 术及 其发 展趋 势I- J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 6 ， 3 5 3 l O 7 一 l O 9 ． [ 8 ] 祝 效华 ， 汤历平 ， 吴华 ， 等． 扭 转冲击钻具设 计与室 内 试 验[ J ] ． 石油机械 ， 2 O l 1 ， 3 9 5 2 7 2 9 ． [ 9 ] 周燕 ， 安 庆 宝 ， 蔡文 军 ， 等． S I TI T 型扭 转 冲击 钻井 提 速工 具[ J ] ． 石油机械 ， 2 O 1 2 ， 4 0 2 1 5 1 7 ．