SLTIT型扭转冲击钻井提速工具_周燕

利用高速钻井液涡轮带动锤体旋转敲击钻头连接短 节，将扭转冲击能量传递给钻头。 Torkbuster 扭转 冲击发 生 器 涡 轮 部 件 多， 易 损 坏， 传 递 效 率 低 （ 50 60% ） ，必须配备专用的 PDC 钻头， 且技术 垄断，只租不卖，服务费用昂贵。
图1
SLTIT 型扭转冲击钻井提速工具结构示意图
参 ［ 1］ ［ 2］ ［ 3］ 考 文 献
降，柴油机负载有效减小。 滨 660 － 6 井井段 2 866
J］ . 石油 黄蕾蕾，薛启龙 . 国外钻头技术新进展 ［ 机械，2010 ，38 （ 4 ） ： 73 － 75. 侯 J］ . 内蒙古 芳 . 孕镶金刚石钻头国内外应用 ［ 石油化工，2010 ，36 （ 5 ） ： 21 － 23. 中国石化新闻网 . 高频扭转冲击破岩工具井下试验成 功 ［ OL ］ . ［ 2011 content_ 862466. shtml. － 08 － 30 ］ . http： ∥ www. sinopecnews. com. cn / b2b / content /2010 － 09 /15 /
图2 扭转冲击发生机理
冲击能量小，且分体设计不能保证扭转冲击同步， 有冲击紊乱、起反作用的可能。
1 —冲击锤； 2 —锤座。
钻进过程中钻柱扭矩与时间的变化规律见图 3 。地层的剪切破碎临界值为直线； 未使用扭冲装 置的钻柱扭矩值在钻进过程中的变化规律是 “积 聚扭矩→突破临界值 （ 破岩 ） → 快速释放 ” 的循 环过程， 在这个过程中， 钻柱扭转振荡频繁而剧 烈； 使用扭冲装置的钻柱扭矩值则是一条比较平稳
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现场应用情况
截至 2011 月 8 月， 扭冲工具在现场完成了 5 口井的试验。 高 890 － 24 井在井深 2 517 2 620 m （ 共 103 m） 属沙河街组的沙四层，在同样钻压并使用同一 个 PDC 钻头的情况下， 工具在井下使用约 14 h， 纯钻时间 10. 71 h，机械钻速 9. 63 m / h，与上趟钻 相比，机械钻速提高 72. 78% 。 同时使用扭冲工具 后，打钻过程明显柔和， 钻机振动减轻， 噪声下 3 041 m 是沙四段， 工具井下工作约 38 h， 纯钻时间 25. 62 h， 机械钻 速 6. 83 m / h，与上趟钻相比， 机械钻速平均提高 28. 54% 。 在桩 23 － 17 － 斜 30 井 2 180 2 837 m （ 共 657 m） ，下井时间 122 h， 工具有效工作时间 83 h，沙河街组的沙四层， 与上趟钻相比， 机械钻速 提高 50% 以上。 黑 96 － 8 － 6 井设计井深 2 319 m。工具入井时 间 83. 5 h，其中起下钻 9. 5 h，维修时间 2 h，接单 根时间 7. 5 h， 测斜时间 1. 5 h， 工具工作时间 63 h，钻井总进尺 860 m （ 1 251. 72 2 111. 81 m ） ， 平均机械钻速 13. 65 m / h。此井地层易钻， 机械钻 速本身较高，因此未显示出扭冲工具的提速效果 。 乌参 1 井是中石化的重点探井， 设计井深为 7 000 m，2010 年 6 月 4 日开钻，截至 2011 年 6 月 25 日钻至 井 深 4 996 m， 井 斜 8. 78ʎ （ 离 钻 头 13 m） ，测深 4 976 m，从 4 220 m 进入石炭系， 直至 目的层位 7 000 m 分别属石炭系的巴塔玛依内山 组、滴水泉组和塔木岗组。该井井壁不稳定、井斜 大、研磨性高、 井况复杂。2011 年 6 月 28 日 12 ： 00 到 7 月 2 日 4 ： 30 ，扭冲工具在乌参 1 井下井试 验，钻井 液 密 度 1. 3 g / cm ， 钻 压 100 120 kN， 流量 25 L / s， 立管压力 20. 7 MPa， 含砂质量分数 0. 4% 。工具入井 88. 5 h， 其中起下钻 55. 5 h， 维
* SLTIT 型扭转冲击钻井提速工具已获国家专利 ，专利号： ZL 20102百度文库567011. 5 。
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繁出现。扭冲工具在钻进过程中对钻头施加一定频 率的扭转冲击，好似一把无形的小榔头，在旋转动 力系统将扭矩传递给 PDC 钻头的同时， 增加了脉 动冲击破岩的能力。难钻地层如火成岩，多为易破 裂的脆性岩层，扭冲工具增加的高频冲击能量更容 易使这些质密的脆性岩层内部的微裂缝发展为宏观 裂缝，从而有效降低岩石的整体强度，更容易使岩 石块状剥落，在达到提高机械钻速的同时，起到稳 定钻进过程和保护钻头等钻井工具的目的 。
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结论与认识
（ 1 ） 扭转冲击复合钻井技术与装备适合我国 的钻井技术环境， 能够有效消除 PDC 钻头的卡滑 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 ） 扭冲工具施工作业前采用上趟钻短起下， 保证了井眼通畅， 井底清洁， 减少了 PDC 钻头的 划眼时间； （ 3 ） 扭转冲击复合钻井技术还需探索 ， 为了 使扭冲工具的使用效果更好、寿命更长，其结构还 需进一步完善。
的曲线， 波动不大， 但仍在地层破碎临界值的下 面，并不足以破岩。从叠加的扭冲装置的脉动扭矩 值变化规律可以看出， 在破岩效率大大提高的同 时，整个钻柱上的扭矩均衡稳定。这也正是扭冲工
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燕等： SLTIT 型扭转冲击钻井提速工具
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更容易控制； （ 3 ） 扭冲工具将部分水力能量转换成高频扭 转冲击破岩能量使机械钻速更高 ； （ 4） 扭冲工具集合了机械剪切、水力及扭转冲 击 3 种破岩方式，适合中硬以上及高研磨性地层； （ 5 ） 扭转冲击复合钻井技术及装备使 PDC 钻 头的破岩能力更强， 为拓展 PDC 钻头新的应用领 域奠定了基础。
1 —钻铤短节； 2 —扶正块； 3 —钻头座； 4 —PDC 钻头。
图4
美国的 Torkbuster 扭转冲击发生器
哈里伯顿公司的扭转装置 （ 图 5 ） 利用钻井液 带动叶轮旋转，控制旋转阀体导通流量，冲击 2 个 封闭区域内的冲击块，对 PDC 钻头产生扭转冲击。 冲击锤采用分体式设计，转动惯量小，相同频率时
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CHINA PETROLEUM MACHINERY
钻井新技术
SLTIT 型扭转冲击钻井提速工具
周
摘要
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燕
1， 2
安庆宝
2
蔡文军
2
谢
慧
2
罗
熙
2
（ 1. 中国石油大学 （ 华东）
2. 胜利石油管理局钻井工艺研究院 ）
在我国钻井大提速的背景下，提出了一种集机械剪切、 水力和扭转冲击 3 种破岩方式 共同作用的复合钻井工艺新技术及装备 。旋转钻井过程中， 在不影响钻进的情况下， 扭冲工具利 用钻井液驱动内部冲击锤做反复的扭转冲击 ， 将部分流体能量转换成一定频率、 周向扭转、 冲击 型的井底机械破岩能量，并直接传递给钻头。5 口井的现场试验结果表明， 扭转冲击复合钻井技 术与装备适合我国的钻井技术环境 ，能够有效消除 PDC 钻头的卡滑现象， 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。 关键词 扭转冲击 卡滑 提速工具 难钻地层 剪切破岩 中图分类号： TE924 文献标识码： A 文章编号： 1001 － 4578 （2012） 02 － 0015 － 03 技术。一方面， 该装置能解决 PDC 钻头的卡滑问 题，提高从旋转驱动系统到钻头的能量传递效率 ， 同时能够保护钻头； 另一方面， 该装置在 PDC 剪 切破 岩 的 基 础 上 增 加 了 扭 转 冲 击 破 岩 方 式， 使 PDC 钻头的破岩能力更强， 为拓展其新的应用领 域奠定基础； 再者，在目前旋转钻井体系下提高难 钻地层机械钻速的所有手段中，扭冲工具是较为简 便且综合效益较高的产品，该工具只需在钻头上端 加装一套长约 0. 5 m 的扭冲工具即可，更加适合我 国的钻井技术环境。
具能够提高难钻地层机械钻速的物理基础 。 1. 3 扭冲工具主要技术参数 适用井眼： 215. 9 311. 2 mm （ 8 12 in） ； 压降： 2. 0 2. 4 MPa； 冲击频率： 15 40 Hz； 冲击扭矩： 500 1. 4 1 200 N·m。 与国外相关技术产品对比 ［1 ］ （ 图 4） 美国的 Torkbuster 扭转冲击发生器
修 1. 5 h，接单根 0. 5 h， 测斜 2. 5 h， PDC 造型时 间 1. 8 h，工具有效工作 28. 5 h，纯钻进时间 22. 4 h，钻井总进尺 20. 2 m （ 4 996. 4 5 016. 6 m） ，机 械钻速 0. 90 m / h，井斜 7ʎ ，测深 5 013 m，扭冲钻 具组合具有稳斜效果。在纯钻进阶段，与同地层相 邻井段相比，较钻具仅采用牙轮钻头提高机械钻速 67 % ，较牙轮 + 螺杆钻具组合提高机械钻速 34% 。 另外，乌参 1 井在钻进过程中，顶驱经常憋停， 扭 冲工具显示了优良的解除憋停性能 ，除比较严重的 憋停外，顶驱无需上提，均可以在扭冲的作用下自 动解除憋停。
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引
言
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 — —PDC 钻头的卡滑现象亟待解决。 卡 主力钻头— 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 10 s 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，疲劳寿命低，也在 一定程度上降低了钻井效率。 面对难钻地层，破岩 依赖刀具的研磨能力而非剪切性能，为此出现了更 ，与 PDC 钻头同属金刚石钻 加耐磨的孕镶钻头 头，都有不同程度的卡滑现象。PDC 钻头的吃入深 度不够，机械钻速低，例如我国川东北地区坚硬地 层平均机械钻速≤3 m / h，高钻压会加剧卡滑现象。 在我国钻井大提速的背景下，胜利石油管理局 钻井工艺研究院从 2010 年开始致力于 SLTIT 型扭
［ 4］
全球机械网 . 新型 软 地 层 钻 头 及 扭 转 冲 击 发 生 器 ［ OL］ . ［ 2011 － 08 － 30］ . http： ∥ www. qqma. com / hyzx_ detail. asp？ id = 12488.
第一作者简介： 周
图5 哈里伯顿公司的扭冲装置
扭冲工具采用钻井液直接驱动，冲击锤整体设 计，运动部件少， 可靠性高， 并且可与常规 PDC 钻头配合使用，适应我国钻井技术现状与工况，其 特点在于：
图3 钻进过程中钻柱扭矩与时间的变化规律
（ 1 ） 工具长度短， 直接安装在钻头上方， 采 用独特的结构设计，即使工具失效也不会影响正常 钻进； （ 2 ） 消除了 PDC 钻头的卡滑现象， 使钻柱的 扭矩基本保持稳定，减少了钻柱扭转振荡，保护了 钻头和钻具，防止了井下事故，同时使钻具工具面
［3 － 4 ］ （ 以下 简 称 扭 冲 工 具） 转冲 击 钻 井 提 速 工 具 的研究，并创新性地提出一种集机械剪切 、水力和 ［ 1 －2 ］
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扭冲工具技术分析及与国外相关技 术产品对比
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扭转冲击工作原理 扭冲工具安装在 PDC 钻头上面 （ 图 1 ） 。 旋转 钻井过程中，在不影响正常钻进的情况下，扭冲工
具利用钻井液驱动内部冲击锤在图 2 所示的位置 1 、2 做反复的扭转冲击， 将部分流体能量转换成 一定频率、 周向扭转、 冲击型的井底机械破岩能 量，并直接传递给钻头。 1. 2 扭冲工具钻井提速机理 由于岩石的各向异性， 钻进过程受力不平衡，
扭转冲击 3 种破岩方式共同作用的复合钻井工艺新
为积聚足够的破岩能力， PDC 钻头的卡滑现象频