扭力冲击器在新疆地区的应用研究

杨镇榜，朱忠喜，林瀚

长江大学石油工程学院油气钻井技术国家工程实验室防漏堵漏技术研究室，湖北 武汉 430100

扭力冲击器在新疆地区的应用研究

杨镇榜，朱忠喜，林瀚

长江大学石油工程学院油气钻井技术国家工程实验室防漏堵漏技术研究室，湖北 武汉 430100

新疆某井A位于克拉玛依东约35km，区域位于准葛尔盆地，地质条件复杂。在地层深度2500～3300m的井段，PDC钻头钻进困难，钻速缓慢，于是使用了扭力冲击器提速。分析了扭力冲击器在A井的适用性，与邻井相比，钻速可提高138%；与上下邻井段相比，可使钻速提高286%，并且有效减少了钻头黏滑现象，延长了钻头使用寿命，这为该区块的钻井提速提供了新途径。

PDC钻头；钻速；扭力冲击器；新疆地区

A井下部井段机械钻速低，在下克拉玛依组、上乌尔禾组、夏子街组存在夹层，相对于邻井地层可钻性差。在上述地层中，牙轮钻头的磨损情况较为严重，于是改用PDC钻头。使用PDC钻头时，在该地层又发生了黏滑现象，导致钻头的钻速较慢且总进尺短。所以加强钻头的抗研磨性十分关键，同时钻头的机械钻速和进尺也能得到提高。通过现场使用扭力冲击器，成功提升了机械钻速，克服了黏滑现象，提高了机械钻速。

1 扭力冲击器的工作原理及技术特点

1.1 工作原理

井下PDC钻头的运动并不是规则的，包括横向、纵向扭向振动以及它们的组合，图1中为几种井下钻具工作情况：(a)表示钻头在井底正常钻进的理想情况，该情况在实际现场中很少出现；(b)表示钻头吃入地层不足时，钻头出现短暂的卡顿，此时能量渐渐聚集到钻头上；(c)表示钻头被卡住后无法继续转动，但是上部转盘依然还在旋转，导致钻柱被扭曲，扭矩全部蓄积在钻柱上；(d)表示当扭矩聚集到足够大足以破碎地层时，钻柱扭矩突然释放，此时钻头会突然加速并破岩。由于钻头瞬间承受巨大压力，多次经历以上过程后钻头会被磨损，PDC切削齿会被破坏，从而导致钻头寿命降低，同时在这种卡钻后瞬间滑动的过程也会产生不规则井眼从而降低井身质量；(e)表示使用扭力冲击器的工作情况，由于其高频均匀的冲击，钻头不会出现黏滑现象而是快速稳定地在地层中钻进。

图1 井底钻头及钻具组合示意图

扭力冲击器是一种通过钻井液能量产生高频机械振动从而改变PDC钻头运动方式的提速工具。扭力冲击器结构如图2所示，当井下扭力冲击器工作时，钻井液流量分配器将进入冲击器内部的钻井液分配到管状接头内。位于接头内的2个动力锤在钻井液能量带动下开始相互转动，驱动短节内的驱动轴将该过程所产生的冲击能量集中均匀地传送到钻头上，这使得钻头对地层产生了稳定均匀且高频的冲击力，钻头此时切削地层的速度提高到800～1600次/min，PDC钻头的运动方式从根本上改变了。此时扭力冲击器产生的力直接作用在钻头上，钻柱不会产生过量载荷，大大降低了黏滑现象，并且提高了钻速，延长了钻头总进尺[1～4]。

图2 扭力冲击器结构

1.2 技术特点

扭力冲击器内部结构坚实牢靠，没有橡胶件和电子件，即使出现失效的情况，也只会造成机械钻速的降低而不会引起其他事故，因此安全可靠。同时，扭力冲击器不仅可以提高机械钻速，还可以在一定程度上防止井斜，从而提高井身质量。扭力冲击器由钻井液的能量带动，因此钻井液的流量越大，扭力冲击器的冲击频率越高，对钻速的提升以及克服黏滑现象的能力也就越大。由于扭力冲击器是稳定高频冲击，普通牙轮钻头无法承受，所以通常在PDC钻头上使用，通过扭力冲击器的高频振动来减小或消除钻头吃入地层时的黏滑现象，提高机械钻速并延长PDC钻头的寿命。

2 扭力冲击器在A井的应用分析

2.1 扭力冲击器应用情况

A井井深3625m，使用牙轮钻头和普通PDC钻头钻完一开、二开，三开在二叠系白碱滩组及上克拉玛依组井深2640～2922m井段使用MS1952SS型号PDC钻头，遭遇夹层使得效果较差，机械钻速仅为1.75m/h。提速换钻头在上克拉玛依组及下克拉玛依组井深2922～2964m井段使用MS1953SS型号PDC钻头加螺杆组合，由于遭遇夹层，效果同样较差，机械钻速仅为0.97m/h。此时提速使用阿特拉∅215.9mmPDC钻头U513S加扭力冲击器，大幅提升了机械钻速，在下克拉玛依组、上乌尔禾组、夏子街组2964～3625m的井段机械钻速为3.75m/h，该井段进尺为661m。A井使用钻井参数为钻压120kN，泵排量为28L/s，转盘转速为60r/min，钻井液密度为1.32g/cm3，含砂量为0.3%。

使用的钻具组合为∅215.9mm钻头×0.23m+∅181mm扭力冲击器×0.79m+4A0×411接头×0.47m+∅158.75mm钻铤2根×18.4m+∅214mm稳定器×1.38m+∅158.75mm钻铤21根×191.93m+4A1×410接头×0.36m+∅127mm钻杆355根×3400.23m+∅133mm方钻杆×11.21m。

2.2 使用效果分析

2.2.1 地层岩性

扭力冲击器使用地层为下克拉玛依组下部、上乌尔禾组和夏子街组，其中下克拉玛依组下部岩性为灰色砂砾岩夹薄层泥岩，上乌尔禾组为棕褐色、绿灰色砾岩夹褐色砂质泥岩，夏子街组为杂色小砾岩、褐灰色砂砾岩、含砾岩质细砂岩。该井段地层以砾岩为主。

2.2.2 与邻井段对比

如图3所示在2640～2922m井段使用单只PDC钻头，由于遭遇夹层，机械钻速仅为1.75m/h，进尺282m。钻至2922m后提换钻头并搭配螺杆，并钻至2964m，进尺42m。由于存在夹层，该井段机械钻速仅为0.97m/h，且黏滑现象严重，钻至2964m后，更换阿特拉PDC钻头并且使用扭力冲击器，钻至3625m后，使用扭力冲击器，机械钻速立即提升为3.75m/h，对比上部井段提升了286%。可见对于复杂地层，使用扭力冲击器可以大幅提高机械钻速，延长钻头寿命，并且在一定程度上预防复杂事故。

图3 A井不同井段机械钻速对比

2.2.3 与同地层邻井对比

A、B、C、D这4口井处于同一区块，在该区块上乌尔禾组、夏子街组位于2900～3700m，上述4口井全部采用PDC钻头进行钻进，表1为4口同地层钻井情况的对比，可以看出，在2900～3700m的不同井的对比中，由于存在夹层，单纯使用PDC钻头钻速较慢，而使用了扭力冲击器的A井机械钻速明显高于附近未使用扭力冲击器的B、C、D井，与B井相比钻速提高了138%。

表1 4口井同地层钻井情况的对比

3 结论和建议

1)扭力冲击器在新疆地区A井的应用大大提高了机械钻速，与上部井段相比钻速提高了286%。在砾岩为主且含夹层的地层中，PDC钻头黏滑现象严重，使用扭力冲击器可以大大避免该类情况，增加机械钻速。

2)使用扭力冲击器相对比邻井未使用扭力冲击器在同地层中的钻进相比，机械钻速明显提升，最大可提升138%，表明扭力冲击器对含夹层的复杂地层钻进具有一定的提升作用。

3)扭力冲击器使得A井节省了大量的经济投入，缩短了钻井周期，降低了钻井成本，具有广阔的前景和经济效益。

4)该技术成功的应用为复杂地层钻井提供了宝贵的经验，建议大力发展该技术，并在同类地层钻井中推广开来。

[1]吕晓平，李国兴，王震宇，等.扭力冲击器在鸭深1井志留系地层的试验应用[J].石油钻采工艺，2012，34(2)：99～101.

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[3]张云连.冲击旋转钻井工具的发展现状及应用研究[J].石油矿场机械，2001,30(5):12～14.

[4]周祥林，张金成，张东清. TorkBuster扭力冲击器在元坝地区的试验应用[J].钻采工艺，2012，35(2)：15～17.

[编辑] 帅群

2016-06-10

国家自然科学基金项目(51202024)。

杨镇榜(1993-)，男，硕士生，主要从事钻井工艺方面的学习与研究，yangzhenbang0116@163.com。

TE242

A

1673-1409(2017)15-0043-03

[引著格式]杨镇榜，朱忠喜，林瀚.扭力冲击器在新疆地区的应用研究[J].长江大学学报(自科版), 2017,14(15):43～45.