研发一种石油天然气钻井液动力扭转冲击装置

刘升旗

摘 要：石油天然气钻井液动力扭转冲击装置：在用PDC钻头钻难钻进地层时，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，扭转能量在钻柱中储存，钻柱会像发条一样扭紧，一旦产生了剪切破碎地层所需的扭矩，钻柱储存能量便会瞬间释放开来，在PDC齿上施加比平常高得多的冲击载荷，最终使金刚石齿破碎并导致钻头失效。钻井液动力扭转冲击装置被直接安装在PDC钻头的上方，使用钻井作业过程中使用的高压钻井液介质为动能，使冲击装置能给钻头施加一种高频扭转冲击力和高频上下冲击力，能直接对钻头产生很高的功率，从而消除钻头的粘—滑—卡现象，大幅提高机械钻速进尺，延长钻头寿命。该扭转冲击装置申报获得两项专利，一项发明专利：201310108104；一项实用新型专利：201320153703。

关键词：钻井工程 钻井技术 PDC钻头 机械钻速 扭转冲击发生器（TorkBuster） 扭力冲击发生器 阿特拉 卡—滑 提速 钻井液 滑—卡 难钻地层 剪切破岩

中图分类号：TE242 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）07（a）-0119-03

伴随社会进步发展，人类对石油、天然气能源需求越发依赖。石油、天然气的开采量越来越大，易采区域正在逐年萎缩，难采区的钻探开采逐年增加，难钻地层的钻井成本也在翻倍增长。目前世界各钻井平台在难钻地层提高机械钻速和降低成本方案是，使用联合金刚石公司（United Diamond）和阿特拉公司（Ulterra）合作研发的“扭力冲击发生器”（TorkBuster）。在元坝区应用分析得出结论：（1）“TorkBuster扭力冲击器+PDC钻头”钻进较牙轮钻头提速效果明显，机械钻速提高3倍以上。（2）在现场应用中，应根据地层岩性、研磨性等相关因素选择和调整相应钻头类型，将TorkBuster扭力冲击器的提速作用发挥到最大。（3）对TorkBuster扭力冲击器做进一步改进，使之能在高固相水基泥浆中也能正常持续高效率地工作。（4）在元坝地区的应用为后续该技术的实施积累了宝贵经验。为降低采购成本，尽快实现国产化研发使用。

为了打破国外在该领域技术垄断，我公司与2010年开始展开“石油天然气钻井液动力扭转冲击装置”研发工作。经历数次结构调整，几种备选钢种试样力学性能测试、化学分析、及热处理工艺改进，最终在2013年研制成功。通过在新疆油田、胜利油田、川东北的油气田进行钻井试验，使用寿命和机械钻速等各项指标达到或优于“TorkBuster扭力冲击器”。获得两项专利，一项发明专利：201310108104；一项实用新型专利：201320153703。“石油天然气钻井液动力扭转冲击装置”的研发成功，打破了国外此领域的技术垄断，降低了我国采购成本，提高我国在难钻地层开采速度。

1 工艺总体技术方案

1.1 研发背景

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—PDC钻头的卡—滑现象亟待解决。在正常钻井条件下，多晶金刚石复合片（PDC）钻头能以极高的速度和效率钻穿地层。但是，PDC钻头在坚硬、固结岩层中会降低切削深度。这也意味着PDC切刀必须依靠研磨地层钻进，而不是剪切地层，这就会降低钻速（ROP），大大增加刀片磨损度。随着地层张力的增加，需要加大钻压（WOB），维持有效切削深度。钻压（WOB）增加常会引起“卡—滑”现象。在用锋利PDC钻头钻这些难度大的地层时候，钻头会随时停转，直至有足够的扭矩来剪切开岩层。由于扭矩能量寄存其中，钻具会打卷扭曲。一旦所需扭矩产生足够多，钻头将会以高于普通钻头的转速破岩。这种猛烈变化冲击动作就称之为“卡—滑”，最终会破坏钻头嵌入金刚石的完整性，导致切刀受损，钻头失效。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PDC钻头普遍存在卡滑问题，平均每10s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PDC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，疲劳强度和使用寿命低，也在一定程度上降低了钻井效率。

1.2 研发目的

‘石油天然气钻井液动力扭转冲击装置研发总体设计方案分成两大内容：第一利用高压钻井液作为动力源，液压传动原理为设计基础，通过对结构零件形状设计，能产生高频脉冲扭矩冲击力，达到破岩剪切功效，解决“卡—滑”现象，提高机械钻速。第二井下环境条件恶略，产品要具有高耐磨性、高硬度、高强度、高韧性、高抗冲击性、高耐腐蚀性、高耐高温性等特点。

1.3 结构原理设计

我们引用液压动力原理技术，通过流体导向分布及形状结构科技技术创新，实现产生高频冲击脉冲。利用钻井时所用的高压钻井液压力作为动能，经过一级变径节流使钻井液一分为二形成两个有压差的压力腔，经过机械机构改变压力液体流体导向，使工作压力腔产生上下冲击动作；经过一级做功后的液体和一级节流减压过的液体合流后，进行二级变径节流再次形成两个有压差的压力腔，同样经过机械机构改变压力液体流体导向，使工作压力腔产生左右冲击动作；这样冲击装置就产生左右旋转冲击和上下窜动冲击的三维立体高频冲击脉冲，冲击频率600～1300次/min。在钻井过程中，旋转动力系统将扭矩传递给PDC钻头同时，由钻井液压力为动力，“石油天然气钻井液动力扭转冲击装置”产生的高频冲击脉冲动力，进行脉动冲击破岩。由原来对坚硬岩石的一层层研磨刮削变成把岩石冲击破碎；就像一下子把普通钻变成冲击钻一样，提高钻头寿命和掘进速度。

1.4 材料选用和热处理工艺

考虑项目产品特殊的应用环境，要经受盐、氯离子、二氧化碳、硫化氢、硫化物、酸、碱、含有腐蚀性化合物的水等多种腐蚀性介质的强烈腐蚀，及砂粒等磨砺性颗粒的强力磨损，条件极其苛刻。如何解决石油天然气钻井液动力扭转冲击装置提速工具严重腐蚀与磨损问题，提高和延长其使用寿命，是一项重要研发内容。

本项目装置采用新型高强度、耐腐蚀的钢材料制造，按重量百分比计主要以铁元素为基础，包含有一定量的铬、锰元素，并含有少量的、镍、钼和铜元素以及微量的碳、铌和钛元素，不但增强了钢材的机械性能，还大幅度地提高了钢材的高抗介质腐蚀性，其抗摩擦性能是20CrMoNi的16倍，抗腐蚀性能是20CrMoA的50倍，是一种节Ni、Mo型新材料，解决多种腐蚀性介质的强烈腐蚀问题，保护钻头和井下工具，延长钻头使用寿命。

零件用新钢种胚料经过锻造成零件毛坯，为了提高材料易加工性，进行正火热处理后粗加工，粗加工后零件进行调质处理，调质后零件进行半精加工，半精加工后零件进行淬火、回火热处理，处理好的零件进行磨床磨削精加工，完成以上工艺后对零件进行真空离子氮化工艺。经热处理后的零件深部硬度在45-48HRC，表面硬度在61-63HRC，零件具有良好的抗冲击韧性、高耐磨的表面硬度和优越的耐腐蚀性。

2 技术性能

主要技术参数表。（见表1）

3 应用案例

2012年2月在胜利油田樊55井3198.06-3430m井段，使用钻井液动力扭转冲击装置提速工具+PDC钻头，平均机械钻速5.68m/h，是同井单纯使用PDC钻头的2.27倍。

2012年2月在胜利油田高946井3265-3515m井段，使用钻井液动力扭转冲击装置提速工具+PDC钻头，平均机械钻速5.75m/h，是同井单纯使用PDC钻头的1.99倍。

钻井液动力扭转冲击装置在高946井实测扭矩及钻时对比。（见图1）

4 结论与认识

（1）“钻井液动力扭转冲击装置”能大大消减在硬地层钻进时的“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）该项技术消除了井下钻头运动时可能出现的一种或多种振动现象，使整个钻柱的扭矩保持稳定和平衡，使钻头不需要等待扭力积蓄足够的能量就可以切削地层。

（3）“钻井液动力扭转冲击装置+PDC钻头”钻头提速效果明显，机械钻速和单只钻头进尺提高3倍以上。

（4）经济性分析表明，钻井实际使用中PDC钻头加“钻井液动力扭转冲击装置”钻井技术与牙轮钻头常规钻井技术的单位成本相当，或者更低。

（5）“钻井液动力扭转冲击装置”基本解决了PDC钻头在复杂地层寿命短和机械钻速低的难题，其辅助PDC钻头钻井工艺打破了对PDC钻头使用的传统认识，该工具的推广应用应会拓展PDC钻头应用的范围，在适于PDC钻头钻进的地层使用，会获得更好的提速效果和经济效益。

参考文献

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