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旋冲振荡钻井提速工具的研制与应用白冶

发表时间：2020/9/9 来源：《基层建设》2020年第14期作者：白冶

[导读] 摘要：目前，我国是科学技术快速发展的新时期，针对PDC钻头在硬质地层出现的黏滑振动问题，为改善PDC钻头受力状态，提高硬质地层的机械钻速，研制了旋冲振荡钻井提速工具。

        大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院黑龙江省大庆市 163413
        摘要：目前，我国是科学技术快速发展的新时期，针对PDC钻头在硬质地层出现的黏滑振动问题，为改善PDC钻头受力状态，提高硬质地层的机械钻速，研制了旋冲振荡钻井提速工具。该工具以高压钻井液为驱动介质，能同时产生轴向冲击和扭转冲击。文中对工具的结构与原理进行了阐述，分析了工具内部腔体钻井液压力分布，计算得到了工具的冲击频率、冲击功等性能参数。室内实验结果表明：旋冲振荡钻井提速工具能实现轴向和扭转相耦合的冲击载荷，工具冲击频率和压降随着排量的增大而增大。现场试验结果表明：该工具能够实现提速减振效果，应用井段平均机械钻速提高了59.46%~84.33%，PDC钻头未出现崩齿现象。
        关键词：机械钻速；旋冲振荡；轴向冲击；扭转冲击；现场应用
        引言
        近年来，随着我国石油行业勘探深度和钻井深度的不断增加，井深由浅层逐渐向深层、超深层延伸，深部地层具有地质条件复杂，岩石硬度高，可钻性差的特点，严重制约了钻井提速的需求。目前深部地层钻井仍存在着以下难题，一是传统钻井方式在深部硬底层中钻进时机械钻速不高，并且钻具极易损坏，增加了额外的起钻成本；二是国内现有高效破岩技术在深部地层中应用效果不好，并且极易产生钻头粘滑、振动、钻头脱压等问题；三是购买国外先进钻井技术花费巨大，并且工具维护较为困难。资料显示，在玉门、西南地区等油气田钻遇的高研磨性地层能占到总钻井深度的三分之一，所耗费的钻井时间可达到全井耗时的70%。旋转冲击钻井提速工具由于其特有的优点，被越来越多专家学者所重视。
        1工作原理
        旋冲钻井技术是在旋转钻井的基础上，增加一个自激振荡式旋转冲击钻井工具（旋冲短节）产生的高频冲击作用，使钻头承受周期性的冲击载荷辅助破岩。旋冲短节的核心部件是自激振荡器和冲击传递杆，辅助破岩主要有两种方式。（1）机械冲击：钻头可以直接与旋冲短节相连，钻井液高速流经内部的自激振荡器，形成水力脉冲作用于冲击传递杆，产生低幅高频机械冲击力传递至钻头，对钻头施加5~20kN、40Hz左右的冲击力，提高钻头破岩效果。（2）水力脉冲：钻井液高速流经自激振荡器所产生的水力脉冲再向下传递，经钻头水眼喷出，形成脉冲射流作用于井底，强化井底清洗，改善井底岩石的受力状况，降低岩石破坏强度。
        2旋冲振荡钻井提速工具的研制与应用
        2.1工具参数
        旋冲振荡钻井提速工具将一部分钻井液的能量转变为工具内锤体的动能，再通过内部重锤的轴向运动产生高频低幅轴向冲击载荷，以及旋转锤的周向转动形成高频低幅的扭转冲击载荷。该工具的主要冲击性能参数为轴向和周向冲击载荷的幅值和频率。2.2机械式旋转冲击钻井提速工具工作特点（1）采用机械式冲击方法，冲击频率和冲击功可实现稳定输出，在钻井过程中产生的冲击力相对较大，并且由于凸轮组机构或啮合齿结构的存在，钻头所输出的扭矩也会随钻头旋转而产生变化。（2）大幅提高钻井效率。旋转冲击钻井工具中通过钻头径向方向旋转切削作用及轴向方向的高频冲击力作用联合破碎岩石，令岩石形成体积破碎，对于硬性地层，旋转冲击钻井提速工具可大幅提高钻头破岩效率，从而提高钻井速度。（3）降低钻井成本。传统的旋转钻井法通常是通过增大钻压来提高机械钻速，但增加钻压后极容易造成钻头磨损、崩齿等问题，造成不必要的起钻。旋转冲击钻井提速工具由于使用小钻压钻进，在提高了机械钻速的前提下，保障了机械钻速。（4）提高井眼质量。由于使用小钻压钻进，可有效减小钻柱的弯曲程度，减少井斜的发生，并且由于轴向冲击作用的存在，可以降低钻柱与井壁之间的摩擦力，改善钻头脱压问题。

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（5）机械式旋转冲击钻进提速工具钻井液只是驱动螺杆转子旋转，不直接参与冲击运动，对零件的冲蚀作用减小，有利于提高工具寿命。
        2.3现场试验
        某LX￣165井为直井，设计井深2066m，实际完钻井深2015.47m，二开井深为212m。工具应用在135~2015m井段。结合该类工具在现场的使用情况及所钻地层的性质，建议使用五刀翼、切削齿直径为13mm的PDC钻头。该工具能够承受的最大钻压为140kN，最大钻井泵排量35L/s。现场钻井作业具体参数为：钻压80~100kN，排量30L/s，转盘转速45r/min，泵压8~10MPa。采用的钻具组合为：准216mmPDC钻头+旋冲振荡钻井提速工具+准172mm螺杆钻具（弯角1.25°）+准210mm扶正器+定向接头+准165.1mm无磁钻铤+准165.1mm钻铤×3根+准127mm加重钻杆×9根+准127mm钻杆。该工具的纯钻进时间为79.25h，总进尺为1883m，平均机械钻速为23.76m/h，实现了二开一趟钻。与邻井LX￣161直井（在该地层的二开机械钻速为14.9m/h）相比，平均机械钻速提高了59.46%；与邻井LX￣59直井（在该地层的二开机械钻速为12.89m/h）相比，平均机械钻速提高了84.33%。从图7可以看出，在二开井段中使用旋冲振荡提速工具后，大部分层段的机械钻速要高于未使用提速工具的层段。LX￣161井在下石盒子组、山西组和太原组比LX￣165井的钻速略快，这是因为LX￣161井在下石盒子组中部更换了全新的PDC钻头，而LX￣165井与LX￣59井的二开均采用一只钻头完钻，LX￣165井的钻速比LX￣59井提高明显，表明旋冲振荡提速工具能够有效提高机械钻速。
        2.4频率可调脉冲工具
        1）工具结构及提速机理频率可调脉冲提速工具包括工具本体、涡轮动力系统、脉冲调制系统和脉冲谐振放大系统。涡轮动力系统钻井液部分动能转换成中心轴的旋转机械能，脉冲调制系统将连续钻井液流动转换成间歇流动，即脉冲流动，通过脉冲谐振腔的放大，脉冲频率不变，幅值将进一步增加，这将有效地提高脉冲射流的破岩能力。2）试验应用情况路46一61X井试验井段343一2035m，平均机械钻速47.66m/h，试验井地层、井身结构、造斜点位置与邻井相近，使用钻头一致，机速提高59.13%；该工具具备了与定向MWD仪器配合使用的功能和较高的提速性能。
        结语
        （1）机械式旋转冲击钻井工具主要构成部分为马达驱动总成、万向轴总成、传动轴总成以及冲击锤总成，工具采用机械式冲击方法，冲击频率和冲击功可实现稳定输出，其冲击作用主要由凸轮组机构或啮合齿机构所产生，钻头所输出的扭矩也会随钻头旋转而发生变化。（2）机械式旋转冲击钻井提速工具工作过程中钻头采用径向方向的旋转切削力以及轴向方向的高频锤击力联合破碎岩石，可大幅提高机械钻速，提高钻井效率。（3）使用机械式旋转冲击钻井工具时可采用小钻压钻进，既保护了钻头，又增加了机械钻速，同时可由于钻压的下降，减小了井斜的发生的可能。（4）在A23井与B25应用机械式旋转冲击钻井提速工具井段的机械钻速为0.92m/s，比使用普通钻井工具在相同地层、钻井参数相近的情况下，机械钻速提高13.4%，起钻后发现钻头基本保持完好，工具可以有效保护钻头。
        参考文献：
        ［1］彭明旺，李双贵，吴双喜，等.扭力冲击发生器在塔河油田的应用［J］.断块油气田，2012，19（5）：622￣625.
        ［2］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.
        ［3］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.