扭力冲击器在硬地层钻井提速中的试验与应用

2023-02-18

一、扭力冲击器工作原理

Tork Buster扭力冲击器配合PDC钻头使用, 其破岩机理是冲击破碎为主, 并加以旋转剪切岩层, 主要作用是在保证井身质量的同时提高机械钻速。Tork Buster消除了井下钻头运动时出现的一种或多种振动 (横向、纵向和扭向) 现象, 使整个钻柱的扭矩保持稳定和平衡, 巧妙地将泥浆流体能量转换成扭向的、高频的、均匀稳定的机械冲击能量, 并直接传递给PDC钻头, 使钻头和井底始终保持连续性。

Tork Buster提供这种额外扭向冲击力完全改变了PDC钻头的运作, 它是一种每分钟750~1500次高频稳定的力。钻头不需要等待扭力积蓄足够的能量就可切削地层。减少钻头的黏滑、弹跳和回转, 为PDC提供一个良好的工作环境。

二、扭力冲击器与常规钻头特性对比

通过Torkbuster使钻头对地层产生均匀稳定高频的冲击, 额外增加剪切的扭力, 在坚硬地层中, 使切削齿更深地吃入地层, 大大提高机械钻速。

钻头和Torkbuster一体化设计, 能够配合Torkbuster提供更好的稳定性、更一致的扭矩值、更少的振动损坏。

相匹配钻头独特的设计理念:保持整个钻头面切削深度的一致, 这使得切削结构更有效, 有利于钻头性能的改善, 提高钻头的稳定性和切削性。

使用阿特拉专利复合片、UTM技术切削齿的PDC钻头可持续在更硬、更具磨蚀性的地层中钻进。在配合Torkbuster工具, 优越的切削齿性能更好的适应钻进时的高频冲击。

砾石层和目的层两套地层, 地层对常规PDC磨损较强, 使用扭力冲击器配合高钻压、低转速钻井参数, 可以减少钻头的研磨性磨损, 提高钻头寿命。

三、扭力冲击器现场试验应用

1. 扭力冲击器适用性分析

上表看出, 地层可钻性极值较高、地层偏硬、分布不均, 易发生弹跳、粘滑现象。扭力冲击器理论上适合在上面地层中使用。

根据地层分析结果, 推荐上部使用16mm复合片的M516型PDC钻头, 下部使用13mm复合片的U513M型PDC钻头配合Torkbuste扭力冲击器。

2. 现场试验应用

(1) 火山岩地层应用

241mm三牙轮钻头三开, 钻至2317m起钻, 使用阿特拉公司的扭力冲击器。

钻具结构:241mm PDC (U613M) +扭力冲击器+178mm DC*2根+238mm F+178mm无磁+178mm DC*14根+178mm随钻+178mm DC*2根+127mm DP+139.7mm DP;

钻压:120-160KN, 转速:70rpm。

下入深度:2317-2576m, 进尺:259m, 纯钻时间:67:55, 机械钻速:3.82m/h。起出钻头新度90%以上。

使用效果分析:同层位邻井机械钻速:3.08 m/h, 对比幅度提高24%。

(2) 二叠系及以下地层应用

应用4口井, 平均单只进尺447.53m, 最高单只进尺931m, 平均纯钻时间105.62h, 最高纯钻188.99h, 平均机械钻速:4.24m/h。

同区块邻井同井段平均机械钻速:1.92/h。

使用效果对比:单只PDC钻头进尺幅度提高137%, 平均机械钻速提高120%。

3. 扭力冲击器存在的问题

在火山岩地层应用, 均出现机械钻速变慢现象, 起出井口试验无明显震动。失效情况分析, 与泥浆性能关系很大。由于井下坍塌, 掉块较大, 密度提至1.25g/cm3, 粘度提至110s, 起出发现2个刀翼泥包。

在二叠系地层应用, 井斜由1.2°/2519m升至5.3°/2854m, 轻压吊打, 井斜仍无法控制, 终止应用。

由于扭力冲击器钻头保径较短, 大钻压下钻头工作稳定性不佳, 再加上地层井斜对钻压相对敏感, 易发生井斜。另外, 由于钻头水眼距井底较近, 易发生堵水眼。

结论

扭力冲击器配合专用PDC钻头改变了常规PDC钻头的工作方式, 形成冲击破碎+剪切破碎的工作方式, 更好的实现钻井提速。

扭力冲击器配合专用PDC钻头有效克服了常规PDC钻头的钻进过程中的“粘滑”现象, 现场试验提速效果明显, 为硬地层钻井提速开辟一条新途径。

扭力冲击器在现场应用过程中, 对钻井液性能、井眼状况要求较高。

扭力冲击器在现场应用过程中, 对地层倾角较大的地层防斜效果明显不足。

摘要：石油钻井中, 钻遇高强度、高研磨地层, 均存在机械钻速低、钻头进尺少、经济效益低的特点。提高硬地层及储层机械钻速是要攻克的技术难题。本文介绍扭力冲击器的工作原理及硬地层的适用性分析, 通过在火山岩地层、二叠系及以下地层进行6口井现场试验, 机速钻速与同区块邻井相比提高24%-120%, 同时对试验应用过程中存在问题进行剖析, 为硬地层钻井提速开辟了一条新技术途径。

关键词：扭力冲击器,硬地层,钻井,机械钻速