扭力冲击器在海上深部地层的提速效果评价

断块油气田

第21卷第2期FAULT-BLOCKOIL＆GASFIELD2014年3月

doi:10.6056/dkyqt201402027

扭力冲击器在海上深部地层的提速效果评价

张海山1，葛俊瑞2，杨进2，杨建刚2，李增奇2，施览玲2

（1.中海石油（中国）有限公司上海分公司，上海200030；2.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京102249）

基金项目：国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”子课题“南海深水油气开发示范工程”（2011ZX05056￣001￣03）、

子课题“深水钻完井工程技术”（2011ZX05026￣001￣04）联合资助

摘

要

某海域A区块地质条件复杂，中深部井段地层岩性为花岗组灰色泥岩与粉砂岩、含砾细砂岩和中砂岩互层。钻井

过程中可钻性差，钻头憋跳严重，机械钻速低。为提高钻井效率，在A3井深部井段采用扭力冲击器配合PDC钻头，开展了提高机械钻速的尝试。应用结果表明，该井的机械钻速比邻井提高了20%以上，有效减少了钻头卡滑现象，消除了钻头在井下运动时的不规则振动，延长了钻头使用寿命，同时为LWD等其他钻井工具的使用提供良好的工作环境。关键词

扭力冲击器；深部地层；卡滑；PDC钻头；机械钻速；效果评价

文献标志码：A

中图分类号：TE24

EffectevaluationoftorsionimpactorforincreasingROPinoffshoredeepformation

ZhangHaishan1,GeJunrui2,YangJin2,YangJiangang2,LiZengqi2,ShiLanling2

(1.ShanghaiBranchofCNOOCLtd.,Shanghai200030,China;2.CollegeofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,

Beijing102249,China)

Abstract:ThegeologicconditioninBlockAiscomplicatedandtherocksofmiddleanddeepformationaregreymudstoneandsiltstone,pebbledfinesandstoneintercalatedwithmediumsandstone.Intheprocessofdrilling，thedrillabilityispoor，thebitjumpingissevereandROPislow.Inordertoimprovedrillingoperationefficiency，torsionimpactorwasappliedwithPDCbitinthedeepformationofWellA3asattempttoincreaseROP.Theapplicationeffectdemonstratesthatitimprovesthepenetrationratebyover20%comparedwithadjacentwells，mitigatedstick-slipeffectively，eliminatesirregularvibrationsofbitworkingindownhole，prolongesthelifeofdrillingbitsandprovidesacomfortableworkingenvironmentforLWDandotherdrillingtools.Keywords:torsionimpactor;deepformation;stick-slip;PDCbit;ROP;effectevaluation

0引言

随着油气勘探开发的不断发展，海上油气田深井、

时也会出现多种无规律有害的振动，主要为横向振动、纵向振动、扭转振动、涡动和各种耦合作用，降低PDC钻头切削效率，降低钻井速度，缩短钻头使用寿命，降低井身质量［6］。为了提高PDC钻头在深井、超深井深部井段的钻井速度，引进了扭力冲击器配合PDC钻头技术，提速效果和防卡滑作用非常明显。

超深井的比例不断增加。海上钻井突出的问题是深部地层岩石强度大、研磨性高、可钻性差，钻具憋跳严重，机械钻速慢，钻井周期长，钻井成本高［1］。

现场监测数据表明，硬地层钻进时，施加在钻头上的转速与扭矩存在较大波动，出现卡滑现象。当钻头破岩能量不足时，吃入岩石的钻头处于静止状态，钻柱旋转直到钻头积蓄的能量超过岩石破碎能，此时钻头瞬间高速转动并释放钻柱能量，同时钻柱扭矩也随之发生大幅变化，随后钻头进入下一个卡滑阶段。卡滑作用大大降低了钻头破岩效率，增加钻头的无规律冲击破坏，加速钻头失效［2￣5］。

1

1.1

工作原理及破岩机理

工作原理

扭力冲击器主要由冲击机构、流道转换机构、扭矩

收稿日期：2013￣09￣11；改回日期：2014￣02￣23。

作者简介：张海山，男，教授级高级工程师，硕士，1994年毕业于石

油大学（北京）油气钻井工程专业，长期从事海上油气勘探开发的钻完井工程技术研究及设计工作。E-mail：[email protected]。

PDC钻头在旋转钻进过程中切削井底岩石，但同

引用格式：张海山，葛俊瑞，杨进，等.扭力冲击器在海上深部地层的提速效果评价［J］.断块油气田，2014，21（2）：249￣251.

ZhangHaishan，GeJunrui，YangJin，etal.EffectevaluationoftorsionimpactorforincreasingROPinoffshoredeepformation［J］.Fault-BlockOil&GasField，2014，21（2）：249￣251.

250断块油气田2014年3月

传递机构等组成，直接连接在钻头上部。钻进中，钻井液流过冲击器，依靠流体能量驱动冲击机构转动，通过扭矩传递机构为钻头提供周向冲击扭矩，冲击完成后流道转换机构开启改变钻井液流动方向，带动冲击机构反向转动回到初始位置，这样周期性的工作为钻头提供高频、低幅脉冲扭矩，提高破岩效率。

3.23.2.1

施工情况钻具组合

准212.725mmPDC钻头+扭力冲击器+准171.45mm随钻测井+准171.45mm随钻测斜+准209.55mm扶正

器+准165.1mm浮阀+准165.1mm钻铤×16+准165.1mm（挠性接头+震击器）+411×520变扣+准139.7mm加重钻杆×1+投入式止回阀+准139.7mm加重钻杆×13+

1.2破岩机理

扭力冲击器配合PDC钻头使用时，钻头受到2方

面作用：1）冲击器提供的周期性、持续性、具有一定强度的扭矩；2）钻机旋转系统通过钻杆提供的扭矩。以上

准139.7mm钻杆。3.2.2使用情况

该工具在整个五开井段（4128.50~4800.00m）都进行了应用，地层岩性为花岗组灰色泥岩与粉砂岩、含砾细砂岩和中砂岩互层；钻井参数：钻压8~10t，转速

2种能量相互配合，使岩石在冲击破碎和旋转剪切的

共同作用下，迅速达到载荷极限而发生破坏，提高了岩石破碎的连续性。连续高频的冲击扭矩有效地释放钻头切削地层时钻柱变形积蓄的能量，降低卡滑现象的危害，减少钻头无序振动，保证了钻头切削齿获得理想的切入深度，提高钻头寿命和切削效率［7］。这样大大降低了钻柱扭转震荡，保证钻杆传递的扭矩完全用于切削地层，减少无破岩运动的能量损失，提高机械钻速。

100~120r/min，钻井液密度1.2g/cm3，泵压21~22MPa，排量42L/s。扭力冲击器配合PDC钻头连续下入2次，共入井224.5h，纯钻时122.17h，进尺671.5m，平均机械钻速5.50m/h。各井段使用情况见表2，表中ROP为平均机械转速。

表2

井段/m

A3井217.725mm井段情况

进尺/m

纯钻时间/h

·h-1）ROP/（m

2扭力冲击器工具特点

扭力冲击器工具具有以下特点：1）几何尺寸小，可

4128.50~4240.004240.00~4356.804356.80~4391.484391.48~4459.634459.63~4580.484580.48~4712.684712.68~4800.00

111.50116.8034.6868.15120.85132.2087.32

14.8316.8212.8918.8822.2021.9514.60

7.526.942.693.615.446.025.98

与井下动力钻具、旋转导向系统、垂直钻井系统等配合使用；2）工具部件少，结构简单，即使工具失效也不影响钻进作业；3）工作频率、扭转能量随着钻井液排量的增大而提高；4）平衡扭矩震荡，减少卡滑现象和能量损失，延长钻头、钻具寿命；5）配合PDC钻头使用，减少切削地层时的有害振动，提高切削效率；6）提高机械钻速的同时，可以防止井斜，提高井身质量；7）与LWD、

MWD同时使用，不影响测井、录井作业。

3应用效果

3.1A3井概况

A3井是某海域的一口探井，其完钻井身结构数据见表1。

表1

开次一开二开三开四开五开

3.2.3效果对比3.2.3.1提速效果

A3井与未使用扭力冲击器的邻井A1井、A2井同井段对比，结果见表3。

表3

同井段机械钻速对比

纯钻时间/h

A3井完钻井身结构

套管尺寸×下深

准762.000mm×200.00m（泥线139m）

井名顶深/m底深/m进尺/m

ROP/·(mh-1）

井眼尺寸×井深

A3A1A3A2

4128.504153.004459.634479.50

4800.004800.004800.004872.00

671.50647.00340.37392.50

122.17141.7558.7587.75

5.504.565.794.47

准914.400mm×200.30m准660.400mm×596.30m准444.500mm×2400.00m准311.150mm×4128.50m准212.725mm×4800.00m

准500.800mm×595.30m准339.725mm×2398.26m准244.475mm×4128.50m

裸眼

A3井使用扭力冲击器效果明显，相对邻井A2井

同井段机械钻速提高29.5%，相对邻井A1井机械钻速

提高20.6%。

第21卷第2期张海山，等.扭力冲击器在海上深部地层的提速效果评价251

3.2.3.2防卡滑效果常磨损，扭力冲击器为PDC钻头提供了良好的工作环境，有效地延长钻头使用寿命。

根据斯伦贝谢LWD提供的数据———卡滑指数（指近钻头仪器所测得瞬时最高转速和最低转速的差值，r/min）显示（见图1），3847.00~4128.00m井段平均卡滑值为59.7r/min，扭力冲击器工具作业井段

4128.50~4391.00m平均卡滑指数为13.9r/min，同比下降76.7%，扭力冲击器防卡滑作用效果非常显著。

由于斯伦贝谢LWD在卡滑严重时无法正常工作（PDC钻进时频繁报警），即LWD需要在稳定钻进环

境中工作，此次应用体现了扭力冲击器与LWD工具配合使用的技术优势。

图3

贝克休斯钻头QD506FX出井情况

4结论

1）扭力冲击器在海上油气田A3井成功应用，取

得良好的应用效果，相比邻井提高机械钻速20%以上，很好地解决了深部地层机械钻速慢的问题。

2）扭力冲击器配合PDC钻头使用，降低了钻柱扭转振动现象，卡滑值相对相邻井段降低76.7%，具有非

常明显的防卡滑作用。

3）扭力冲击器减少钻头在井底运动时的不规则振

动，明显改善钻头等钻具及仪器的工作环境，提高钻头

图1

卡滑指数

切削效率，延长使用寿命。

参

［1］［2］［3］［4］［5］［6］［7］［8］［9］

3.2.3.3改善钻头工作环境

考文献

录井数据反映扭矩波动较小（即扭矩变化在·1.36kNm以内），钻进过程稳定，扭力冲击器工作正常，明显改善PDC钻头等钻具与仪器的工作环境。扭力冲击器出井外形完好，录井数据显示直到4800m完钻，工作正常。

第一趟钻（4128.50~4391.00m），PDC钻头（川克

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CK406DW）入井前及出井情况（见图2）。

a入井前b入井后

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图2川克CK406DW

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第二趟钻（4391.00~4800.00m），PDC钻头（贝克休斯QD506FX）出井情况见图3。

由图2、图3可以看出，2趟钻出井的PDC钻头正

（编辑杨会朋

）