衡转矩钻井工具在长庆油田的应用

韩　飞，黄印国，秦建兵，李　庆

(1.中国石油集团 钻井工程技术研究院，北京 102200；2.中国石油集团 渤海石油装备制造有限公司，天津 300280；3.盘锦辽河油田双兴实业有限责任公司，辽宁 盘锦124000；4.中国石油大学(北京) 机械与储运工程学院，北京 102249)①



衡转矩钻井工具在长庆油田的应用

韩飞1，黄印国2，秦建兵3，李庆4

(1.中国石油集团 钻井工程技术研究院，北京 102200；2.中国石油集团 渤海石油装备制造有限公司，天津 300280；3.盘锦辽河油田双兴实业有限责任公司，辽宁 盘锦124000；4.中国石油大学(北京) 机械与储运工程学院，北京 102249)①

摘要：在长庆油田刘家沟组等难钻地层，PDC钻头钻进时“憋跳钻、粘滑”现象严重，钻头机械钻速低，单只钻头进尺低。在庆1-14-68井进行了衡转矩钻井工具的应用，钻井总进尺319 m，纯钻进时间80 h，平均机械钻速3.99 m/h，有效提高了PDC钻头在难钻地层的机械钻速及进尺。介绍了衡转矩钻井工具的工作原理、技术参数，并对现场应用情况进行分析。

关键词：PDC钻头；衡转矩；工具

针对上述问题，从3 680 m井深开始采用衡转矩钻井工具钻进，实现PDC钻头进尺229 m。笔者认为衡转矩钻井工具能够保护钻头、提高机械钻速的功能通过本次试验得到了有效验证，解决了PDC钻头在难钻地层寿命短、机械钻速低等难题。

1原理及特点

1.1基本原理[4-5]

衡转矩钻井工具采用弹簧+螺旋导向机构的机械传动方式实时存储、释放钻井转矩能量，通过对钻头的破岩能量实时优化，实现钻井转矩波动的“消峰填谷”。通过对钻压、转矩的调优化整，该工具能够有效地解决难钻地层钻井时的“粘滑”、“憋跳钻”问题，实现钻头的平稳、高速钻进。

1.2技术特点

1)完全机械驱动，结构简单，操作简易。

2)无须配备专用钻头。可与PDC、扩眼器及牙轮钻头等配合作业。

3)能够大幅提高机械钻速，提高钻头使用寿命。

4)能够防止钻具粘扣，保护MWD等工具，防止顶驱过载。

5)可以实时优化钻压、转矩，减轻司钻作业的劳动强度。

1.3主要技术参数

最大外径

178 mm

最大工作转矩

20 kN·m

最大工作拉力

1 600 kN

最大工作温度

150 ℃

平衡转矩

4～10 kN·m

两端连接螺纹

NC50

工具长度

4 089 mm

2现场应用

2.1庆1-14-68井概况

庆1-14-68井位于庆城县蔡家庙乡，设计井深为4 325 m，井身结构为：一开ø444.5 mm钻头×210 m/ø339.7 mm套管×208 m；二开ø311.2 mm钻头×1 526 m/244.5 mm套管×1 525 m；三开ø215.9 mm钻头×4 325 m/ø177.8 mm套管×4 323 m。该井在三开井段进行了衡转矩钻井工具的应用，钻进地层为刘家沟组地层、石千峰组地层及石盒子组地层。刘家沟组地层底深3 770 m，岩性为浅灰色、棕褐色砂岩夹棕褐色泥岩，下部含砾岩；石千峰组地层底深3 990 m，岩性上部以棕红色含钙质结核泥岩和砂质泥岩为主，夹中厚层肉红色砂岩。下部为肉红色块状砂岩夹棕红色泥岩、砂质泥岩；石盒子组地层底深4 179 m，岩性上部主要为紫红、黄绿色泥岩和细砂岩、砂质泥岩，下部为浅灰色含砾粗砂岩。

2.2钻具组合

衡转矩钻井工具在庆1-14-68井应用的钻具组合为：ø215.9 mmPDC钻头+ø178 mm衡转矩钻井工具+ø165 mm钻铤+ ø127 mm钻杆。

2.3钻井参数

衡转矩钻井工具在庆1-14-68井应用的钻井参数为：钻压60～100 kN，转速60～75 r/min，排量32～45 L/s，泵压11～18 MPa，钻井液密度1.08 g/cm3。

2.4应用情况

采用PDC钻头+螺杆复合钻井钻至井深3 680 m(刘家沟下部)钻时变慢起钻，起出钻头破损严重。该新钻头进尺仅为40 m，机械钻速1.9 m/h，井口转矩跳动大(3～18 kN·m)，多次憋停顶驱。

从3 680 m井深开始采用衡转矩钻井工具钻进，钻至井深3 999 m进尺缓慢起钻。钻井总进尺319 m，纯钻进时间80 h，平均机械钻速3.99 m/h。其中刘家沟组地层钻进91 m，平均钻速1.86 m/h；石千峰组地层钻进220 m，平均钻速7.35 m/h，石盒子组地层钻进8 m，平均机械机械钻速3.68 m/h。

3应用效果

由于该井附近施工井数少，井距远，井型差异大，可比性低，故衡转矩钻井工具的应用效果主要与上一趟钻的复合钻进效果进行对比分析。

3.1井口钻井转矩平稳

上一趟复合钻井钻进刘家沟组中下部地层时，“憋跳钻、粘滑”现象严重，井口转矩跳动大(3～18 kN·m)，多次憋停顶驱。衡转矩钻井工具钻进时，有效消除了“憋跳钻、粘滑”现象，井口转矩跳动平稳。钻进快时转矩大，跳动范围大(3～5 kN·m)；钻时慢时转矩小，跳动范围小(0～1 kN·m)。

3.2机械钻速提高

上一趟复合钻井钻进刘家沟组中下部地层时，平均机械钻速为1.9 m/h。衡转矩钻井工具钻进时平均机械钻速3.99 m/h。其中刘家沟组下部地层钻进，平均钻速1.86 m/h；石千峰组地层平均钻速7.35 m/h，石盒子组地层平均机械机械钻速3.68 m/h。由于没有邻井数据对比，但衡转矩钻井工具在刘家沟组底部含砾地层的机械钻速接近了刘家沟组中下部地层机械钻速，认为衡转矩钻井工具有效提高了机械钻速。

3.3单只钻头寿命、进尺有效提高

上一趟复合钻井钻进刘家沟组中下部地层时，新钻头进尺仅为40 m，起钻后钻头大部分复合片崩碎、脱层，钻头破损严重，如图1。衡转矩钻井工具钻进时，实现钻头钻越三个地层，钻头总进尺319 m。其中刘家沟组地层钻进91 m；石千峰组地层钻进220 m；石盒子组地层钻进8 m。衡转矩钻井工具有效提高了PDC钻头进尺，总进尺较复合钻进钻头进尺提高了279 m，同层刘家沟组地层进尺提高了53 m。钻头起出后发现，最易磨损的外圈齿磨损较小，中心2个齿出现损坏。认为其为异常落物导致的中心齿非正常损坏(如图2)，并肯定了衡转矩工具保护钻头的效果。

图1　复合钻进起出钻头

图2　衡转矩钻井工具钻进起出钻头

4结论

1)衡转矩钻井工具+PDC钻头钻进较螺杆钻具+PDC钻头复合钻进提速效果明显，机械钻速和单只钻头进尺得到有效提高。

2)衡转矩钻井工具能够有效解决PDC钻头在难钻地层寿命短、机械钻速低等难题，该工具的推广应用将拓宽PDC钻头的应用范围。

3)在庆1-14-68井的成功应用为该技术的成熟完善积累了宝贵的经验，建议继续推广应用该技术，并拓宽到扩眼器及牙轮钻头等应用领域。

参考文献：

[1]张晓东，易发权，张强，等.PDC钻头与岩石相互作用规律试验研究[J].江汉石油学院学报，2003，6(25)：64-65.

[2]韦忠良，陈庭根.PDC钻头钻进时扭矩影响因素研究[J].石油钻探技术，1995，23(1)，50-51.

[3]韩春杰，闫铁.大位移井钻柱“ 粘滞一滑动” 规律研究[J].天然气工业，2004，24(11)：58-60.

[4]韩飞，郭慧娟，戴杨，等.PDC钻头转矩控制技术分析[J].石油矿场机械，2012，41(12)：69-71.

[5]Knut S S.Drilling Difficult Fomations effi-Eciently With the Use od an Anti-stall Tool[R].SPE/IADC 111874，2008.

Application of Torque Balancer in Changqing Oilflied

HAN Fei1，HUANG Yinguo2，QIN Jianbing3，LI Qing4

(1.DrillingResearchInstitute，CNPC，Beijing102200，China；2.BohaiEquipmentManufacturingCo.，Ltd.，CNPC，Tianjing300280，China；3.PanjinLiaoheOilfieldDoubleXingIndustrialCo.，Ltd.，Panjin，124000，China；4.CollegeofMechanical&TransportationEngineering，ChinaUniversityofPetroleum(Beijing)，Beijing102249，China)

Abstract：Serious bit bouncing and stick slip problems in drilling hard formation with PDC bit often result in low ROP and bit footage.The torque balancer was applied in Well Qing1-14-68 of Changqing Oilflied and the ROP and drilling footage per bit were increased：the total drilling footage per bit was 319 m，effective drilling time was 80 h，average ROP was 3.99 m/h.The principle，features and onsite application of torque balancer are introduced in this paper.

Keywords：PDC bit；torque balancer；tool

中图分类号：TE921.1

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.03.020

作者简介：韩飞(1982-)，男，辽宁葫芦岛人，硕士，主要从事从事石油钻井装备与工具研究。

收稿日期：①2015-09-29 中国石油集团公司科技项目“水平井减阻降扭与管外封隔器等新工具研制”(2014B-4314)

文章编号：1001-3482(2016)03-0083-03